鮮水河斷裂帶乾寧段巖石特征與內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其物理-化學(xué)性質(zhì)*

吳瓊 李海兵 CHEVALIER Marie-Luce 米桂龍 李超 何祥麗 李亞林

1. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，自然資源部深地動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037

2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083

3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣州 511458

4. 應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085

斷裂巖是斷層作用的直接產(chǎn)物，其巖石組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)蘊(yùn)藏著斷裂活動(dòng)過(guò)程中滑移性質(zhì)、力學(xué)狀態(tài)、物理-化學(xué)過(guò)程和流體作用等重要信息(Wibberleyetal., 2008; Faulkneretal., 2010)。斷裂巖物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和物理化學(xué)性質(zhì)是認(rèn)識(shí)斷裂變形行為、滑移機(jī)制和地震破裂過(guò)程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵(Chesteretal., 1993; Schleicheretal., 2010; Gratieretal., 2011; Holdsworthetal., 2011; Scholz, 2002)。鮮水河斷裂帶位于青藏高原東南緣，是世界上地震活動(dòng)性最強(qiáng)的活動(dòng)斷裂帶之一(Molnar and Deng, 1984; Wenetal., 2008)。歷史地震及儀器記錄地震統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，自1725年以來(lái)沿鮮水河斷裂帶先后發(fā)生了6級(jí)以上強(qiáng)震17次，其中7級(jí)以上破壞性強(qiáng)震8次，包括1893年乾寧7.0級(jí)大地震、1973年?duì)t霍7.6級(jí)大地震(Allenetal., 1991; Dengetal., 2003; 張培震等, 2003; Papadimitriouetal., 2004; Wenetal., 2008)。2008年汶川地震(Mw7.9)過(guò)后，鮮水河斷裂帶的庫(kù)倫應(yīng)力急劇增加(Parsonsetal., 2008; Todaetal., 2008; Yangetal., 2015)，發(fā)生破壞性強(qiáng)震的概率變大。前人對(duì)于鮮水河斷裂帶的認(rèn)知多集中在構(gòu)造地貌與滑移速率(Baietal., 2018)、大地測(cè)量學(xué)(GPS與InSAR)(Jietal., 2020)、庫(kù)倫應(yīng)力特征(Todaetal., 2008)、古地震(李東雨等, 2017)、年代學(xué)(Zhangetal., 2004a)、地質(zhì)災(zāi)害(Zhangetal., 2017)等方面，然而，從斷裂巖角度出發(fā)的研究較少(楊主恩等, 1999; 彭東等, 2012; Wangetal., 2014)，尤其在斷裂變形行為、滑移機(jī)制和地震機(jī)理等方面的研究進(jìn)展緩慢。因此，亟需對(duì)鮮水河斷裂帶在地震過(guò)程中形成的斷裂巖進(jìn)行詳細(xì)研究，依據(jù)其結(jié)構(gòu)構(gòu)造確定斷裂變形行為，通過(guò)物質(zhì)組成與物理-化學(xué)性質(zhì)揭示其滑移機(jī)制，由此探討鮮水河斷裂帶強(qiáng)震頻發(fā)的力學(xué)行為，這對(duì)認(rèn)識(shí)斷裂帶應(yīng)力聚集過(guò)程和地震活動(dòng)性具有重要意義。

鮮水河斷裂帶乾寧段(道孚-八美)有曾發(fā)生過(guò)5次M6.5級(jí)以上大地震的記錄，其中震級(jí)最高為1893年8月29日M7.0乾寧大地震。在甘孜州八美鎮(zhèn)龍燈鄉(xiāng)促涅隆巴河溝內(nèi)，可見(jiàn)清晰的乾寧大地震地表破裂帶，晚第四紀(jì)階地位錯(cuò)明顯，階地上發(fā)育的斷層槽谷與地表沖溝內(nèi)出露的斷裂巖帶位置相對(duì)應(yīng)。本文以該地表出露的斷裂巖帶為研究對(duì)象，對(duì)斷裂巖露頭剖面進(jìn)行了定向樣和化學(xué)樣的系統(tǒng)采集，并通過(guò)顯微構(gòu)造觀測(cè)、XRD礦物半定量分析和XRF、EDS元素面掃等研究，確定斷裂帶物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物理-化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而探討其變形行為和滑移機(jī)制。

1 地質(zhì)背景

青藏高原東緣是我國(guó)“南北地震帶”的主體部分(Dengetal., 2003; Zhang, 2013)。由于青藏高原向東擴(kuò)展擠出，并與東部剛性四川盆地發(fā)生碰撞，該區(qū)域發(fā)育大量活動(dòng)斷裂(Molnar and Tapponnier, 1975; Tapponnier and Molnar, 1977; Wang and Burchfiel, 2000; Tapponnieretal., 2001)，鮮水河大型左旋走滑斷裂帶就是其中之一(圖1a)。鮮水河斷裂帶位于松潘-甘孜造山帶內(nèi)部，分割了北東側(cè)的巴顏喀拉地塊和南西側(cè)的川滇地塊(圖1a)，是青藏高原物質(zhì)相對(duì)于歐亞大陸圍繞東喜馬拉雅構(gòu)造節(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的北界(Zhangetal., 2004b; Wangetal., 2017; Wang and Shen, 2020)，也是中國(guó)大陸內(nèi)部構(gòu)造活動(dòng)性最強(qiáng)、強(qiáng)震頻發(fā)的活動(dòng)斷裂(Allenetal., 1991; Wenetal., 2008)。

鮮水河斷裂帶北西起自甘孜卡蘇一帶，向南東經(jīng)爐霍、道孚、康定、摩西一線(xiàn)，至石棉安順場(chǎng)一帶逐漸減弱消失，全長(zhǎng)約400km，總體走向北西320°～330°，幾何形態(tài)呈略向北東凸出的弧形(圖1b)，為一條全新世強(qiáng)烈活動(dòng)的大型左旋走滑斷裂帶(聞學(xué)澤等, 1989; Baietal., 2018)。該斷裂帶在甘孜至八美之間呈連續(xù)線(xiàn)性展布，鮮水河被斷裂左旋錯(cuò)開(kāi)～62km(Yan and Lin, 2015; Baietal., 2018)(圖1b)。斷裂向SE延伸，過(guò)惠遠(yuǎn)寺盆地后發(fā)散為呈右階雁列式分布的三條分支斷裂：北邊的雅拉河斷裂、中間的色拉哈斷裂以及南邊的折多塘斷裂。雅拉河斷裂與色拉哈斷裂在康定附近合并為磨西斷裂，斷裂幾何形態(tài)顯示這三條斷層在深部可能是連在一起的(Allenetal., 1991; Jiangetal., 2015)。潘家偉等(2020)通過(guò)高分辨率衛(wèi)星影像解譯和詳細(xì)的野外填圖在色拉哈斷裂和折多塘斷裂之間的折多山花崗巖體內(nèi)新發(fā)現(xiàn)了一條長(zhǎng)約24km的全新世活動(dòng)斷層，將其命名為“木格措南斷裂”(圖1b)。

圖1 青藏高原東南緣區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)圖

鮮水河斷裂帶切過(guò)不同時(shí)代、不同巖性多套地層，主要包括志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、第四系以及不同時(shí)期巖漿巖等(辜學(xué)達(dá)和劉嘯虎, 1997; 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所, 2004)。三疊系為鮮水河斷裂帶兩盤(pán)的主體巖石地層，包括菠茨溝組、扎尕山組、雜谷腦組、侏倭組、新都橋組、如年各組、兩河口組、雅江組，其中以上三疊統(tǒng)分布最廣、厚度最大，主要巖性為淺變質(zhì)的砂、板巖地層。此外，鮮水河斷裂帶巖漿巖也較為發(fā)育，以南東段折多山巖體規(guī)模最大。本文選取的研究區(qū)內(nèi)，斷層切過(guò)上三疊統(tǒng)侏倭組(圖2)，巖性主要為灰色-深灰色薄層-厚層狀變質(zhì)細(xì)粒石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖、粉砂巖與灰黑色粉砂質(zhì)絹云板巖、碳質(zhì)絹云板巖組成有頻繁韻律式互層，偶見(jiàn)斑巖巖脈。

圖2 鮮水河斷裂帶乾寧段構(gòu)造地質(zhì)圖及研究區(qū)位置(據(jù)四川省地質(zhì)局, 1981(2)四川省地質(zhì)局. 1981. 1/20萬(wàn)丹巴幅地質(zhì)圖, 1985(3)四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局. 1985. 1/20萬(wàn)康定幅地質(zhì)圖; 四川省地震局, 1995(4)四川省地震局. 1995. 1/5萬(wàn)鮮水河活動(dòng)斷裂帶地質(zhì)圖修改)

2 樣品采集與研究方法

2.1 樣品采集

為確保主滑移帶樣品的連續(xù)性和完整性，我們對(duì)促涅隆巴河溝內(nèi)發(fā)育的斷層泥、碎裂巖和斷層角礫巖進(jìn)行巖石整塊定向取樣，樣品尺寸為28cm×10cm×10cm，包含了黃色斷層角礫巖、黑色斷層泥和灰色碎裂巖，并對(duì)淺黃色斷層角礫巖和灰色斷層角礫巖進(jìn)行單獨(dú)采樣。根據(jù)野外實(shí)際測(cè)量，沿著平行于斷層面走向、垂直于斷層面的切面(即XZ面)切制定向薄片，同時(shí)對(duì)斷層泥、碎裂巖和斷層角礫巖分別進(jìn)行1cm一個(gè)樣品連續(xù)粉末樣采集和3cm間隔粉末樣采集，共獲得25個(gè)粉末樣品，其中1個(gè)淺黃色斷層角礫巖，7個(gè)黃色斷層角礫巖，4個(gè)黑色斷層泥，12個(gè)灰色碎裂巖，1個(gè)灰色斷層角礫巖。

2.2 研究方法

我們對(duì)主滑移帶斷裂巖定向樣品進(jìn)行切割磨制構(gòu)造巖石薄片，切制的薄片通過(guò)偏光顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行顯微構(gòu)造觀測(cè)與分析，顯微構(gòu)造觀測(cè)在自然資源部深地動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。利用Nano Measurer軟件統(tǒng)計(jì)主滑移帶內(nèi)石英碎屑粒徑，每個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域?qū)?0μm，長(zhǎng)150μm，長(zhǎng)邊方向與主滑移帶平行，依據(jù)粒徑分布特征劃分不同期次滑移帶。礦物成分分析是將25個(gè)斷裂巖樣品碾磨成粉末做礦物半定量分析，采用的方法是SY/T5163—2018沉積巖中黏土礦物和常見(jiàn)非黏土礦物X射線(xiàn)衍射分析方法(XRD)，測(cè)試儀器為X射線(xiàn)衍射儀(D8 Advance)。該實(shí)驗(yàn)在北京北達(dá)燕園微構(gòu)分析測(cè)試中心有限公司完成。此外，通過(guò)微區(qū)X射線(xiàn)熒光分析儀(XRF)及EDS能譜分析對(duì)主滑移帶定向薄片開(kāi)展化學(xué)元素面描，該實(shí)驗(yàn)在自然資源部深地動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

3 斷裂帶地貌特征、巖石組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造

3.1 地表構(gòu)造地貌特征

研究剖面位于八美鎮(zhèn)北西方向約20km促涅隆巴河溝內(nèi)，該處地表斷裂行跡清晰，表現(xiàn)為連續(xù)線(xiàn)性展布，總體走向N328°W(圖3a)。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育兩條水系，二者共同作用形成至少5級(jí)河流相階地。斷裂切割T4階地，可見(jiàn)約100m的左旋位錯(cuò)(圖3b)。研究區(qū)T4階地上沿?cái)鄬幼呦蚩捎^察到連續(xù)發(fā)育的兩側(cè)高中間低、寬22～26m、深約1.79～8.75m的斷層槽谷，與地表沖溝內(nèi)出露的斷裂巖帶位置相對(duì)應(yīng)(圖3c, d)。從地貌特征可知，鮮水河斷裂乾寧段在該處有左旋兼正斷的運(yùn)動(dòng)特征。

圖3 鮮水河斷裂帶乾寧段構(gòu)造地貌特征與斷裂帶野外露頭

3.2 斷裂帶巖石組成

鮮水河斷裂帶乾寧段斷裂巖在促涅隆巴河溝兩側(cè)均有出露(圖3e、圖4)，斷裂巖整體寬約14.3m，以黑色斷層泥為中心，兩側(cè)分別發(fā)育淺黃色、黃色斷層角礫巖和灰色碎裂巖、灰色斷層角礫巖(圖4a)。淺黃色、黃色斷層角礫巖帶出露寬度約6.2m，淺黃色斷層角礫巖內(nèi)可見(jiàn)次級(jí)滑移帶，帶內(nèi)斷層泥較脆易破碎并發(fā)育面理(圖4c)，黃色斷層角礫巖呈現(xiàn)脈體特征(圖4b, d)。主滑移帶斷層泥厚3～5cm，呈黑色弱固結(jié)，可見(jiàn)弱面理，與其兩側(cè)斷裂巖界線(xiàn)清晰、平直(圖4e, f)。灰色碎裂巖帶寬約0.9m，發(fā)育弱面理，內(nèi)部方解石脈體與弱面理近于平行。灰色斷層角礫巖內(nèi)角礫粒徑明顯增大，內(nèi)部可見(jiàn)兩組面理，方解石脈較為發(fā)育(圖4g, h)。

圖4 鮮水河斷裂帶乾寧段野外露頭斷裂巖分布特征

3.3 斷裂巖宏觀構(gòu)造

促涅隆巴河溝內(nèi)出露的斷裂巖由斷層泥、碎裂巖和斷層角礫巖等組成，并構(gòu)成斷裂帶核部物質(zhì)。從NE向SW斷裂巖依次為：淺黃色斷層角礫巖內(nèi)部角礫大小不均，分布雜亂，局部角礫被方解石膠結(jié)(圖5a)；黃色斷層角礫巖原巖為斑巖，與淺黃色斷層角礫巖接觸界線(xiàn)截然，在與黑色斷層泥的接觸帶上角礫細(xì)粒化更為明顯，角礫直徑1～5cm不等，由黃色黏土基質(zhì)膠結(jié)(圖4f、圖5a)；黑色斷層泥內(nèi)顆粒較為細(xì)小，手標(biāo)本上未見(jiàn)明顯角礫；灰色碎裂巖在XZ切面發(fā)育弱面理，角礫沿面理定向分布，方解石脈體碎裂(圖5b)。灰色碎裂巖內(nèi)靠近黑色斷層泥一側(cè)方解石較多，面理與主滑移面近于平行(圖5b)。灰色碎裂巖內(nèi)發(fā)育里德?tīng)柤羟邢礡、P、T等多個(gè)方向的次級(jí)剪切破裂，其中以P和R破裂居多，方解石充填在T破裂內(nèi)(圖5c)。

圖5 鮮水河斷裂帶乾寧段主滑移帶斷裂巖野外露頭及宏觀特征

3.4 斷裂巖顯微構(gòu)造

斷層泥在光學(xué)顯微鏡下呈深棕色-黑色，發(fā)育弱面理(圖6c)。斷層泥內(nèi)發(fā)育一系列石英、長(zhǎng)石碎塊，其粒徑大小不均，碎塊既有棱角分明，也有渾圓狀，較大的長(zhǎng)石碎塊內(nèi)部可見(jiàn)一組平行破裂(圖6a)。石英碎塊多呈棱角狀，其周緣可見(jiàn)由黏土礦物組成的蝕變邊(圖6b)。顯微構(gòu)造觀察中發(fā)現(xiàn)兩處斷層泥楔入脈：靠近黃色斷層角礫巖一處，斷層泥楔入到斑巖角礫內(nèi)，楔入脈體長(zhǎng)1～2mm，最厚約0.3mm，兩條斷層泥楔入脈近于平行(圖6d)；另一處靠近灰色碎裂巖一側(cè)，含有較粗粒徑石英碎屑的斷層泥脈楔入到其左側(cè)石英粒徑較細(xì)小的斷層泥內(nèi)，二者之間界線(xiàn)明顯、較平直(圖6e)。灰色碎裂巖發(fā)育弱面理，碎裂結(jié)構(gòu)明顯，角礫多為棱角分明的石英碎屑，角礫之間被深棕色-黑色黏土礦物膠結(jié)(圖6f, g)。灰色斷層角礫巖內(nèi)角礫為砂巖碎塊，角礫之間無(wú)明顯位移，發(fā)育弱面理(圖6h)。

圖6 鮮水河斷裂帶乾寧段斷裂巖光學(xué)顯微鏡下結(jié)構(gòu)特征

掃描電鏡觀測(cè)結(jié)果顯示，黑色斷層泥是由大小不一、分布雜亂、磨蝕程度不同的石英、長(zhǎng)石、方解石碎屑和黏土礦物組成(圖7)。石英含量最高，顆粒具有溶蝕特征；云母只在局部出現(xiàn)且呈弱定向排列；長(zhǎng)石多發(fā)生蝕變(圖7a, b)。斷層泥內(nèi)部碎塊粒徑大小分帶明顯，有的粒徑差異較大，且條帶之間界線(xiàn)清晰平直，它們代表不同期次的滑移帶(圖7c-f)。在斷層泥與灰色碎裂巖的接觸帶上，發(fā)現(xiàn)大量的方解石顆粒充填在角礫裂隙和基質(zhì)孔隙內(nèi)(圖7g)，方解石顆粒細(xì)小，粒徑一般小于1μm。另外，掃描電鏡下亦可觀察到斷層泥楔入到斑巖角礫中(圖7h)。

圖7 鮮水河斷裂帶乾寧段斷層泥掃描電鏡下顯微結(jié)構(gòu)特征

4 斷裂帶物理-化學(xué)性質(zhì)

4.1 石英粒徑分布特征

為了進(jìn)一步確定斷層泥中不同滑移帶的分布和界線(xiàn)，我們對(duì)顯微觀測(cè)到的不同滑移帶進(jìn)行石英粒度統(tǒng)計(jì)，等面積內(nèi)粒徑分布特征有助于區(qū)分不同期次的滑移帶。結(jié)果顯示，主滑移帶黑色斷層泥內(nèi)可劃分出13個(gè)石英平均粒徑相異的滑移帶(SZ)(圖8)：SZ1至SZ13石英碎屑平均粒徑分別為9.02μm、4.78μm、3.23μm、2.54μm、3.25μm、2.86μm、3.27μm、4.65μm、3.43μm、3.02μm、3.65μm、3.44μm和5.30μm；滑移帶厚度分別約為470μm、160μm、392μm、40μm、280μm、200μm、375μm、120μm、240μm、120μm、120μm、1700μm和160μm(圖9)。SZ4厚度最小，石英平均粒徑最小；SZ1、SZ3、SZ7、SZ12較厚，尤其是SZ12厚度最大。因此，結(jié)合石英粒度分析和顯微構(gòu)造特征，在黑色斷層泥內(nèi)能初步劃分出13個(gè)不同的滑移帶(表1)。

圖8 主滑移帶斷層泥連續(xù)薄片掃描圖及內(nèi)部滑移帶劃分

表1 鮮水河斷裂帶乾寧段斷層泥內(nèi)石英粒度統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)表

圖9 鮮水河斷裂帶乾寧段斷層泥石英粒度統(tǒng)計(jì)分析及滑移帶劃分SEM圖像位置參考圖8；d代表滑移帶內(nèi)平均粒徑

4.2 礦物組成

斷裂巖粉末樣品的XRD測(cè)試結(jié)果顯示，研究剖面內(nèi)斷裂巖主要礦物成分為石英、斜長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石、方解石、白云石、文石及黏土礦物(圖10)。黑色斷層泥內(nèi)黏土礦物主要是伊利石，靠近灰色碎裂巖的斷層泥邊部存在伊蒙混層。碎裂巖、斷層角礫巖內(nèi)則以伊利石、高嶺石為主要黏土礦物。黃色斷層角礫巖內(nèi)可見(jiàn)綠蒙混層。

圖10 鮮水河斷裂帶乾寧段斷裂巖XRD圖譜

黑色斷層泥與碎裂巖、斷層角礫巖在礦物含量變化趨勢(shì)上有明顯的差別(表2、圖11)。整體來(lái)看，斷層泥內(nèi)方解石含量(0%～15%)低于碎裂巖、斷層角礫巖(2%～35%)；斷層泥內(nèi)黏土礦物總量(15%～27%)略高于碎裂巖(16%～22%)，其中，伊利石含量(6.9%～27%)高于碎裂巖、斷層角礫巖(3.2%～14.3%)，而高嶺石含量(0%～9.45%)低于碎裂巖、斷層角礫巖(4.32%～24.12%)；靠近灰色碎裂巖邊部的黑色斷層泥含有伊蒙混層，具有伊蒙混層含量最高(4.8%)、蒙脫石混層比最高(65%)、方解石含量高，而伊利石含量、黏土礦物總量低的礦物變化特征(圖11品紅色標(biāo)記的樣品)。灰色碎裂巖相比于淺黃色、黃色斷層角礫巖具有低方解石(2%～11%)、低高嶺石(4.32%～7.7%)、高伊利石(8.32%～14.3%)、高伊蒙混層(1.36%～2.34%)的礦物含量特征。

表2 鮮水河斷裂巖乾寧段斷裂巖礦物組成與含量

圖11 鮮水河斷裂帶乾寧段斷裂巖XRD礦物含量分布圖

4.3 化學(xué)元素分布特征

我們選取黑色斷層泥薄片區(qū)域進(jìn)行了微區(qū)XRF元素豐度面掃描，結(jié)果顯示，相對(duì)于碎裂巖、斷層角礫巖，黑色斷層泥內(nèi)Si、K、Al富集，Ca、Fe虧損(圖12)。斷層泥內(nèi)元素分布并不均勻，應(yīng)用掃面電鏡內(nèi)的EDS能譜分析對(duì)SZ13區(qū)域進(jìn)行元素面掃描，結(jié)果顯示SZ13中Ca、Fe含量明顯高于其左側(cè)斷層泥，K略有虧損，Al、Si、Na、Mg、Ti含量變化不明顯(圖13)。

圖12 主滑移帶黑色斷層泥薄片XRF測(cè)試元素分布圖

圖13 SZ13滑移帶內(nèi)元素強(qiáng)度分布圖

5 討論

5.1 斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)與變形行為

斷裂帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為單核結(jié)構(gòu)和多核結(jié)構(gòu)(Faulkneretal., 2010)，二者區(qū)別在于斷裂帶在地質(zhì)歷史過(guò)程中的變形是集中發(fā)生在同一個(gè)高應(yīng)變帶核部還是分散在多個(gè)高應(yīng)變核部(Chester and Logan, 1986; Faulkner and Rutter, 2003)。根據(jù)變形程度，斷裂帶可以分為斷裂核部和破碎帶(Spray, 1995)。斷裂帶核部一般為斷層滑移帶，主要由富含粘土礦物的斷層泥、碎裂巖或超碎裂巖和斷層角礫巖組成；破碎帶通常由較大范圍內(nèi)破碎的圍巖及次級(jí)破裂組成。在研究區(qū)，鮮水河斷裂帶乾寧段表現(xiàn)為以3～5cm厚黑色斷層泥和兩側(cè)發(fā)育的淺黃色、黃色斷層角礫巖和灰色碎裂巖、灰色斷層角礫巖為核部的單核對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。斷層泥作為主滑移面記錄了斷裂帶變形行為信息，其顯微構(gòu)造表現(xiàn)出斷層泥中碎塊大小不均、雜亂分布、磨圓度和蝕變程度不同的石英、長(zhǎng)石碎塊與極細(xì)粒的黏土礦物膠結(jié)的斷層快速滑動(dòng)特征，是古地震的產(chǎn)物(Heermanceetal., 2003; 李海兵等, 2018)。

斷層在地震過(guò)程中的快速滑動(dòng)往往集中在一條狹窄的高應(yīng)變帶和主滑移面(PSS)內(nèi)(Chester and Chester, 1998; Gay and Ortlepp, 1979)，這種富黏土礦物的窄帶可在斷層動(dòng)態(tài)滑動(dòng)中快速降低斷層面摩擦系數(shù)，從而產(chǎn)生大地震(Chenetal., 2001; Linetal., 2001; Maetal., 2001)。雖然單次古地震事件伴生的滑移帶寬度已無(wú)從考量，但現(xiàn)今大地震后快速實(shí)施的地震斷裂帶科學(xué)鉆探可提供一些數(shù)據(jù)參考，如中國(guó)臺(tái)灣集集地震(Mw7.6)形成的斷層泥有50～300μm、1mm到<2cm厚(Heermanceetal., 2003; Maetal., 2006; Kuoetal., 2011, 2014)，汶川地震在映秀-北川斷裂帶中(WFSD-1巖心中)形成的斷層泥約1mm厚(Lietal., 2014; Sietal., 2014)。由此推測(cè)，研究區(qū)內(nèi)3～5cm厚斷層泥可能記錄了多期次的古地震事件。同一地區(qū)或相同圍巖條件下，不同震級(jí)的地震破裂能不同，所形成的碎屑粒徑也就不同(Maetal., 2006)。因此，根據(jù)滑移帶的厚度、碎屑粒徑差異以及是否有清晰的邊界或主滑移面，可劃分出不同期次古地震滑移帶。通過(guò)顯微構(gòu)造觀察和石英粒度分析相結(jié)合，研究區(qū)黑色斷層泥內(nèi)可劃分出邊界清晰且與Y近乎平行、石英平均粒徑稍有不同的13條滑移帶。其中，SZ2、SZ4、SZ5-6、SZ8-11、SZ13等9個(gè)滑移帶具有明顯的邊界、相異的碎屑粒徑和約40～280μm不等的滑移帶厚度，可代表9次不同期次、不同震級(jí)的古地震事件。SZ1、SZ3、SZ7和SZ12雖然碎屑粒徑相異，但厚度相對(duì)較大(約375～1700μm)，各帶內(nèi)碎屑粒徑趨同，不能再進(jìn)一步細(xì)分滑移帶。根據(jù)SZ4最窄滑移帶厚度約40μm來(lái)看，上述厚度相對(duì)較大的4個(gè)滑移帶很可能是由超過(guò)4次古地震形成。因此，3～5cm厚的斷層泥可能代表至少13次古地震事件，甚至有可能遠(yuǎn)超過(guò)13次，其中最窄滑移帶厚約40μm。

5.2 斷裂滑動(dòng)的弱化機(jī)制

近幾十年來(lái)，發(fā)震斷層如何在瞬時(shí)滑動(dòng)中降低摩擦阻力一直是地質(zhì)學(xué)界研究的熱門(mén)課題(Zobacketal., 1987; Scholz, 2002; Collettinietal., 2009)。地震過(guò)程中斷層弱化往往是多種機(jī)制共同作用，如映秀-北川斷裂帶在2008年汶川地震中的弱化機(jī)制有摩擦熔融(Wangetal., 2019)、斷層石墨化(Kuoetal., 2014)和熱增壓(Sietal., 2014)。這可能是由于一條斷層從震源到淺表，所處深度不同，斷裂作用環(huán)境(溫度、壓力、氧化還原環(huán)境等)也就不同，從而促發(fā)不同的斷層弱化機(jī)制。目前提出的斷裂帶深部(4km以下)或近震源深度(10～15km)主要的斷層弱化機(jī)制有：摩擦熔融(Spray, 1987; Di Toroetal., 2006)、硅膠潤(rùn)滑(Hirose and Shimamoto, 2005; Di Toroetal., 2006)、納米顆粒潤(rùn)滑(Hanetal., 2010)、熱增壓(Sibson, 1973)、斷層石墨化(Oohashietal., 2011)等；斷裂帶淺部(4km以上)黏土礦物或?qū)訝罟杷猁}礦物的富集可快速弱化斷層，其滲透率低，在斷層摩擦熱作用下易形成高壓流體，弱化機(jī)制以熱增壓為主(Kuoetal., 2009)。因此，主滑移帶內(nèi)物質(zhì)的化學(xué)成分和黏土礦物種類(lèi)是認(rèn)識(shí)地震斷層淺部(4km以上)滑移機(jī)制的關(guān)鍵(Yamaguchietal., 2011)。JFAST、TCDP、WFSD等地震斷裂帶科學(xué)鉆探所獲取的大地震“新鮮斷層泥”中均發(fā)現(xiàn)了蒙脫石含量異常(Kuoetal., 2009; Yamaguchietal., 2011; Sietal., 2014)。前人摩擦實(shí)驗(yàn)表明蒙脫石是已知的摩擦系數(shù)(μ=0.19～0.23)最低的礦物之一，低于伊利石、綠泥石摩擦系數(shù)(μ=0.27～0.32)，進(jìn)一步證實(shí)了蒙脫石很有可能是斷層快速滑動(dòng)引發(fā)地震的產(chǎn)物(Byerlee and Wyss, 1978; Ikarietal., 2009)，且蒙脫石的形成往往與斷層面高溫及流體參與有關(guān)，指示熱增壓地震機(jī)制(Ujiie and Tsutsumi, 2010; Sietal., 2014)。

伊蒙混層也可以作為地震滑移帶弱化的關(guān)鍵物質(zhì)(Yamaguchietal., 2011)，這是由于孕震帶高溫(150～350℃, Sibson, 1982)以及斷層活動(dòng)引起的流體作用，尤其是富含K+、Al3+流體在孔隙中參與會(huì)使斷層滑動(dòng)面上的蒙脫石快速伊利石化，形成伊蒙混層。隨著伊利石在伊蒙混層中百分比逐漸升高，最終全部轉(zhuǎn)化為伊利石。該反應(yīng)轉(zhuǎn)化速率主要受溫度、流體中K+、Al3+含量和流體活躍程度影響(Turner and Fishman, 1991; Eberletal., 1993; Yamaguchietal., 2011)，反應(yīng)方程式如下：1 smectite+K++Al3+→1 illite+Na++Ca2++Si4++Fe2++Mg2++H2O(Howeretal., 1976)。因此，斷層面上的伊蒙混層既可以證實(shí)斷層活動(dòng)過(guò)程中蒙脫石的存在，同時(shí)說(shuō)明斷裂滑動(dòng)過(guò)程中有流體的參與。

本文研究的主滑移帶樣品，即斷層泥，是斷裂帶淺部的地震產(chǎn)物(Sibson, 1977; Scholz, 1988)。在黑色斷層泥內(nèi)側(cè)(SZ13)與灰色碎裂巖接觸處發(fā)現(xiàn)了高含量伊蒙混層，同時(shí)在該層伊利石含量降低，這說(shuō)明該層經(jīng)歷過(guò)地震滑動(dòng)，摩擦升溫和流體共同作用下形成高壓流體，降低了斷層滑移帶的有效正應(yīng)力，斷層迅速弱化，并進(jìn)一步促進(jìn)了蒙脫石的伊利石化反應(yīng)，形成伊蒙混層。黑色斷層泥中并未發(fā)現(xiàn)熔融物質(zhì)，可能與斷層滑移帶內(nèi)存在高壓流體導(dǎo)致的摩擦溫度不夠有關(guān)(Sibson, 1973)。蒙脫石和伊利石斷層泥在剪切應(yīng)變加載過(guò)程具有更低的滲透率，從而導(dǎo)致孔隙壓力增大(Ikarietal., 2009)，斷層面上有效正應(yīng)力減小，摩擦系數(shù)降低，促進(jìn)了斷層弱化，由于高壓流體的存在使斷層泥沿T裂隙灌入形成楔入脈。因此，斷層面伊蒙混層含量異常高、活躍的流體作用、斷層泥低滲透率以及斷層泥楔入脈的存在，表明鮮水河斷裂帶淺部(4km以上)在地震過(guò)程中存在熱增壓的動(dòng)態(tài)弱化機(jī)制。

5.3 地震主滑移帶遷移方向

通常情況下，斷裂帶淺部4km以上主要形成斷層角礫巖和斷層泥，而在4km以下或近震源深度(10～15km)則會(huì)形成碎裂巖或在干的環(huán)境下形成假玄武玻璃等(Sibson, 1977; Scholz, 1988)。假玄武玻璃和斷層泥在斷層破裂后愈合方面起到截然相反作用：熔融體冷卻后具有焊接強(qiáng)化斷層的作用(Mitchelletal., 2016; Proctor and Locker, 2016)；斷層泥主要由黏土礦物組成，層狀硅酸鹽礦物的增多使得斷層變?nèi)?Collettinietal., 2009)，同時(shí)具有低滲透率和高孔隙流體壓力，更容易發(fā)生斷層滑動(dòng)(Numelinetal., 2007; Ikarietal., 2009; Ujiie and Tsutsumi, 2010)。自然界中斷層泥可以厚到十幾厘米(Maetal., 2006; Chesteretal., 2013)，而單次地震形成的斷層泥只有幾十微米到幾毫米厚，說(shuō)明“過(guò)厚”的斷層泥容納了多期次地震活動(dòng)。研究各地震事件發(fā)生的時(shí)間順序?qū)⒂兄谔剿鞯卣鹬骰茙г诘刭|(zhì)歷史時(shí)期的遷移方向或趨勢(shì)。

本文研究區(qū)內(nèi)的鮮水河斷裂帶主滑移帶斷層泥厚3～5cm，由13個(gè)滑移帶(SZ1～SZ13)組成，是≥13次地震事件的累計(jì)產(chǎn)物。斷層泥與灰色碎裂巖、灰色斷層角礫巖在礦物成份上相似，只是在各類(lèi)礦物含量高低上有所差異，推測(cè)三者都是由灰色砂巖、粉砂巖發(fā)育而來(lái)。掃描電鏡觀測(cè)到靠近黃色斷層角礫巖的SZ1-2在碎屑成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上與其他滑移帶略有差別，SZ1-2中長(zhǎng)石、云母含量相對(duì)較高，石英、長(zhǎng)石碎屑多發(fā)生蝕變，云母在SZ1與SZ2交界處異常聚集并具有弱定向，方解石以碎屑顆粒形式出現(xiàn)在斷層泥內(nèi)。這可能是由于黃色斷層角礫巖參與了SZ1-2的形成過(guò)程，并在斷層泥形成后遭受長(zhǎng)期流體作用，使碎屑顆粒蝕變程度較其他滑移帶更為嚴(yán)重，推測(cè)SZ1-2是主滑移帶內(nèi)相對(duì)早期的產(chǎn)物。XRD結(jié)果顯示出在靠近碎裂巖的黑色斷層泥的SZ13帶與其兩側(cè)相比具有高方解石、高伊蒙混層、低伊利石、低黏土礦物的礦物特征，這與TCDP中1999年集集地震(Kuoetal., 2009)和IODP中1944年Tonankaidi地震主滑移帶礦物變化特征較為相似(Yamaguchietal., 2011)，進(jìn)一步表明了SZ13可能是相對(duì)其他滑移帶是最新一次古地震事件的主滑動(dòng)帶。此外，SZ13內(nèi)元素分布特征與其左側(cè)斷層泥并不相同，SZ13內(nèi)Fe、Ca富集，K略虧損，而左側(cè)斷層泥內(nèi)K、Al富集，Ca、Fe虧損嚴(yán)重，且SZ13內(nèi)可見(jiàn)間震期流體作用通過(guò)溶解-沉淀產(chǎn)生碳酸鹽礦物愈合破裂的特征。從斷層泥不同滑動(dòng)帶(SZ1～SZ13)中碎塊蝕變程度相對(duì)越來(lái)越低且Ca、Fe元素分布越來(lái)越高特征來(lái)看，地震主滑動(dòng)帶有向碎裂巖方向遷移的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，研究區(qū)內(nèi)鮮水河斷裂帶地震活動(dòng)主滑移帶始終發(fā)育在灰色砂巖、粉砂巖圍巖一側(cè)，SZ13為最新一次古地震事件的主滑移帶，多期次地震滑移具有向灰色碎裂巖方向遷移的趨勢(shì)。這可能是由于灰色碎裂巖相對(duì)于淺黃色、黃色角礫巖在礦物成分上表現(xiàn)為弱礦物含量高(如伊利石、伊蒙混層)，而強(qiáng)礦物含量低(如方解石、高嶺石)的因素。由此我們推測(cè)，斷層在滑動(dòng)過(guò)程中，更趨向于向弱礦物含量高的圍巖一側(cè)遷移。

6 結(jié)論

本文對(duì)鮮水河斷裂帶乾寧段甘孜州八美鎮(zhèn)龍燈鄉(xiāng)促涅隆巴河溝內(nèi)地表露頭斷裂巖開(kāi)展了詳細(xì)的巖石組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物理-化學(xué)性質(zhì)綜合研究，得出以下認(rèn)識(shí)：

(1)鮮水河斷裂帶乾寧段呈單核對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，核部巖石由黑色斷層泥、淺黃色及黃色斷層角礫巖和灰色碎裂巖、灰色斷層角礫巖組成。3～5cm厚斷層泥是地震快速滑動(dòng)產(chǎn)物。斷層泥內(nèi)部識(shí)別出的13個(gè)滑移帶代表至少13期古地震事件，最窄滑移帶厚約40μm。

(2)相對(duì)最新一次古地震主滑移帶內(nèi)伊蒙混層含量異常高，加之蒙脫石、伊利石為主要黏土礦物的斷層泥滲透率低、孔隙流體壓力大，以及由于滑動(dòng)帶內(nèi)高壓流體存在而形成的斷層泥楔入脈，表明鮮水河斷裂帶在地震過(guò)程中存在熱增壓的動(dòng)態(tài)弱化機(jī)制。

(3)黑色斷層泥內(nèi)記錄的多期古地震主滑移帶均發(fā)育在灰色砂巖、粉砂巖圍巖一側(cè)，且有向灰色碎裂巖方向遷移的趨勢(shì)。推測(cè)斷層在滑動(dòng)過(guò)程中，更趨向于向弱礦物含量高、強(qiáng)礦物含量低的圍巖一側(cè)遷移。

致謝感謝汶川地震斷裂科學(xué)鉆探工程實(shí)驗(yàn)中心魏金川和吳建國(guó)在薄片制備和樣品采集時(shí)給予的諸多幫助；感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所施斌博士在掃描電鏡觀察中的技術(shù)指導(dǎo)；感謝二位審稿人中國(guó)地震局地質(zhì)研究所周永勝研究員、任治坤研究員以及本刊編輯對(duì)本文提出的寶貴修改意見(jiàn)，使本文質(zhì)量得以提升。