沂沭斷裂帶北段斷層泥中石英顆粒微形貌特征分析

黃靜宜,劉智榮,劉曉燕

(1. 防災科技學院,河北 三河 065201; 2. 河北省地震動力學重點實驗室,河北 三河 065201)

0 引言

近年來,活動斷裂成為城市規(guī)劃及城市建設中非常關(guān)注的問題,我國在多個城市開展了活斷層探測工作,通過野外地質(zhì)測量、鉆探及年代學測試,獲取活斷層晚第四紀滑動類型、古地震事件及中強以上地震復發(fā)周期。其中,斷層的活動時代及活動方式的確定在活斷層探測中至關(guān)重要[1-2]。斷層泥作為活動斷裂留下的產(chǎn)物,在形成過程中經(jīng)歷了低壓變質(zhì)作用,HOFFMAN等[3]在1979年發(fā)現(xiàn)斷層泥的礦物成分及顯微構(gòu)造中記錄了斷層活動時的溫壓條件及活動方式等信息。之后,學者對斷層泥開展了大量的研究工作。通過研究斷層泥的礦物成分、化學成分、顯微構(gòu)造及礦物微形貌等,可以推測斷層活動的時間、期次、方向及強度,作為斷層活動性判別的證據(jù)之一。因此,斷層泥的研究對探索斷層演化和地震活動機制、分析斷層滑動的微觀運動學機理等具有重要的理論意義,對活斷層探測中斷層活動方式和活動時代的判斷有一定的現(xiàn)實意義,同時,還可為古地震的研究提供依據(jù)。

石英的溶解速率低、抗風化能力強,相對容易保留斷層活動在表面留下的痕跡,而且,斷層泥中一般都會存在一定的石英顆粒,所以,石英的微形貌特征成為了斷層活動過程及其動力學特征的標志之一[4-5]。石英的微形貌有2種:溶蝕微形貌和應力微形貌。

第一種,溶蝕微形貌。石英顆粒表面接受溶蝕的時間越長,溶蝕溝就會越深,溶蝕結(jié)構(gòu)也越復雜,斷層活動距今就越久。因此,可以通過研究石英碎礫微形貌特征,來判斷斷裂活動的年代[4-5]。KANAORI等[6-8]在1980年代基于對石英微形貌特征的統(tǒng)計分析,與石英熱釋光年齡進行了比對,得到了斷層泥中石英微形貌特征與斷層活動年代的關(guān)系。之后,多位學者[5, 9-12]應用這一理論對我國多個活動斷裂斷層泥中的石英顆粒微形貌進行了觀測,并將其年代學結(jié)論與其它測年法所得結(jié)果進行了對比,得出了有意義的結(jié)論。同時,石英微形貌年代學方法也不斷細化。

第二種,應力微形貌。石英不發(fā)育解理,在斷層滑動時,石英表面受到摩擦,產(chǎn)生斷口,形成應力微形貌,不同形態(tài)的斷口指示了不同的應力條件。已有相關(guān)研究表明,楔形撞擊坑、線狀擦痕及放射形斷口等應力形貌反映的是斷裂的黏滑運動,而磨圓球粒、弧形擦痕和應力微斷層是蠕滑的特征[13]。另外,通過觀察總結(jié)斷層泥的顯微構(gòu)造特征,發(fā)現(xiàn)地震會造成斷層泥的脆性變形,即發(fā)生黏滑。如1999年集集地震的同震斷層泥具有脆性變形的特征[14-15]。而蠕滑運動在斷層泥中表現(xiàn)為韌性變形[16-18],如圣安德烈斯斷層為一個蠕滑斷層,斷層泥以S-C組構(gòu)和眼球狀構(gòu)造等韌性變形為特征[19]。也有部分學者認為在地震事件中,可能會在斷層泥中同時產(chǎn)生2種變形[20-21],即韌性變形和脆性變形。袁仁茂等[22]對2008年汶川地震北川-映秀斷裂北段的斷層泥進行了觀察,發(fā)現(xiàn)斷層泥主要發(fā)育Y-剪切(平行于斷層的主剪切方向)、R-剪切(Reidel剪切)、P-剪切(葉理方向)和T破裂(張裂縫)等局部化脆性變形,同時,在2條平行的Y-剪切之間,發(fā)育P-葉理、碎屑顆粒的拉長和不對稱拖尾構(gòu)造等韌性變形。付碧宏等[23]、韓亮等[24]在對北川-映秀斷裂東南段的斷層泥觀察中也得到了類似的結(jié)論。因此,總體上,蠕滑斷層的斷層泥以韌性變形為特征,而地震形成的斷層泥普遍發(fā)育脆性變形,但在局部也可見韌性變形。

沂沭斷裂帶是郯廬斷裂帶主體的北側(cè)部分,與郯廬斷裂帶主體相連成一線,是一條大規(guī)模且活動時間長的復雜斷裂帶,其活動特征備受關(guān)注。范軍等[25]通過分析地球物理剖面及鉆探剖面,得出安丘-莒縣斷裂為右旋走滑斷裂,晚更新世活動過;昌邑-大店斷裂以走滑為主,兼具傾滑運動,早中更新世活動過。曹筠等[26]應用淺層地震勘探、鉆孔聯(lián)合剖面、古地震探槽及光釋光測年等手段,揭示了安丘莒縣斷裂全新世以來2次古地震事件。徐建國等[27]通過地面調(diào)查、物探及鉆探等工作,判斷出安丘-莒縣斷裂至今仍在活動,昌邑-大店斷裂最晚活動于晚更新世晚期。

已有的研究主要應用鉆探及地球物理探測手段,通過宏觀上分析斷層對地層的穿切關(guān)系等推測斷層活動特征,本文在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上,從微觀角度,通過觀測石英的溶蝕微形貌和應力微形貌,結(jié)合光釋光測年方法,探討沂沭斷裂北段的活動時代、期次及晚更新世以來的活動方式。

1 沂沭斷裂帶地質(zhì)背景

沂沭斷裂帶從南端郯城起貫穿整個山東省到北端進入渤海,呈北北東向展布,向北逐漸變寬。主要由4條主干斷裂組成,從山東省東部到西部依次為昌邑-大店斷裂、安丘-莒縣斷裂、沂水-湯頭斷裂、鄌郚-葛溝斷裂[28-29]。

已有研究根據(jù)地層接觸關(guān)系、同位素測年等,對沂沭斷裂的活動特征進行了分析。沂沭斷裂帶在中生代時期構(gòu)造活動強烈,巖漿從斷裂深部上涌,侏羅至白堊紀泰沂蒙斷塊基底和膠東斷塊基底發(fā)生大幅度的相對平移滑動,導致兩大斷塊拼接在一起,白堊以擴張和斷陷為主,在滑動的過程中產(chǎn)生了各自的斷陷和隆起[30]。并且中生代以來形成推覆構(gòu)造行跡特征明顯的保留下來,整個沂沭斷裂帶是由昌邑-大店推覆斷裂及沂水-湯頭推覆斷裂組成的多層體式推覆構(gòu)造,南東東向北西西向推覆,新生代以來逐漸消亡[31-32]。

2 樣品采集與制備

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),沂沭斷裂北段的昌邑-大店斷裂和安丘-莒縣斷裂出露斷層泥,本文在昌邑-大店斷裂選取了3個剖面,在安丘-莒縣斷裂選取了1個剖面,進行了剖面的測量、采樣及相關(guān)測試工作。采樣信息如表1所示。

表1 沂沭斷裂帶斷層泥樣品信息

2.1 樣品的采集

本文共采集了石英微形貌觀測樣品5個和光釋光年齡樣品2個,所有樣品采集前均去除了表層,采集新鮮面樣品。

CY01樣品采于昌邑縣于家山下,地理坐標:36°51′N,119°25′E。該剖面發(fā)育紅褐色、土黃色、灰白色斷層泥,如圖1所示。

圖1 于家山下CY01采樣點剖面圖

CY02樣品采于昌邑縣于家山下,地理坐標:36°51′N, 119°25′E。該點發(fā)育紫紅色斷層泥及灰綠色斷層泥條帶,如圖2所示。斷層泥寬度約3 m,上盤為桔紅色砂,層理不清晰。

圖2 于家山下CY02采樣點剖面圖

CY03樣品采于濰坊市寒亭朱里剖面,地理坐標:36°43′N, 119°22′E。該剖面自東向西發(fā)育紫紅色斷層泥、灰綠色斷層泥、灰白色-灰綠色斷層泥,斷層泥露頭寬約5 m,如圖3所示。

圖3 寒亭朱里CY03采樣點剖面圖

JN02、JN05樣品采于莒南縣西山龍山地震遺址剖面,如圖4所示。該剖面出露完好,可見2條明顯的斷層面。西側(cè)斷層面平直,呈灰白色,產(chǎn)狀277°∠65°,發(fā)育摩擦鏡面,推測為擠壓形成的逆斷層。上盤發(fā)育寬5 cm的紫紅色斷層泥,可見灰紫色火山角礫巖、斷層角礫巖,斷層角礫巖的原巖也為火山角礫巖,巖石較破碎。東側(cè)斷層面產(chǎn)狀70°∠66°,發(fā)育寬3～5 cm的灰綠色斷層泥,位于灰紫色斷層角礫巖巖與黃白色角礫巖間,斷層泥在雨水沖刷下,呈凹入狀。上盤出露黃白色斷層角礫巖,礫石成分為淺灰色硅質(zhì),原巖為砂巖。

圖4 西三龍山地震遺址剖面

2.2 樣品的制備

從斷層泥中篩選出石英顆粒樣品,主要包含4個步驟:①淘洗:將樣品倒入燒杯中進行充分的攪拌,之后靜置。②反復攪拌過篩:將靜置后的樣品進行重復的攪拌過篩,除去樣品中的黏土礦物,再將樣品烘干。③鹽酸浸泡:向烘干后的樣品中加入10%的鹽酸去除樣品中的鐵氧化物和碳酸巖類顆粒,進行烘干以便下一步挑選。④雙目鏡下挑選石英顆粒。

將石英顆粒粘到貼有導電膠帶的樣品臺上,用除塵氣槍對石英顆粒進行表面的清潔,噴金后將樣品放到掃描電鏡中進行觀察。文中使用的是Phnome Pure Plus掃描電鏡。

3 樣品分析

3.1 石英顆粒表面微形貌與年代學分析

石英顆粒溶蝕微形貌與年代學呈較好的對應關(guān)系。根據(jù)已有研究結(jié)果[6],石英表面微形貌可識別出9種形態(tài),溶蝕程度由淺到深依次為貝殼狀、次貝殼狀、橘皮狀、魚鱗狀、苔蘚狀、鐘乳狀、蟲蛀狀、渦穴狀和珊瑚狀。本文將沂沭斷裂斷層泥石英微形貌分四大類,分別為破裂型、淺度溶蝕、中度溶蝕和深度溶蝕,又細分為Ru、Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,如圖5所示。溶蝕程度越低,說明斷層活動時代越新,依此來推測斷層活動時代。

圖5 石英顆粒微形貌特征與年代關(guān)系圖[6]

本文對沂沭斷裂5個樣品中石英微形貌進行了觀測,如圖6所示,識別出了橘皮狀、魚鱗狀、苔蘚狀、蟲蛀狀、渦穴狀等微形貌。樣品CY01中,Ⅱ類及Ib+Ic類微形貌占比最高,共占74%,石英顆粒表面多呈橘皮狀和魚鱗狀,為淺度-中度溶蝕;CY02中,Ⅱ類微形貌占比40%,比例最高,Ib+Ic、Ⅲ和Ⅳ類微形貌在20%左右,總體為中度-深度溶蝕;CY03中,石英微形貌總體呈拋物線形正態(tài)分布,以中度溶蝕為主;JN02中,Ib+Ic類微形貌占比33%,其次為Ⅱ類和Ⅲ類,總體為中度-深度溶蝕;JN05中,Ⅱ類微形貌占最高,為比49%,其次為Ib+Ic類及Ⅲ類,以中度溶蝕為主,石英顆粒表面微形貌分類頻度分布情況如圖7所示。值得注意的是,所有樣品中都有Ru和Ia類型,即晚更新世以來活動過。在5個樣品中,CY03中Ru和Ia型形貌比例最高,達到了29%,其次是JN02和CY02,占比都為17%,說明沂沭斷裂在近10萬年以來活動過,是一條活斷層。

圖6 斷層泥石英表面微形貌特征

圖7 石英微形貌分類頻度分布圖

總體來講,沂沭斷裂5個樣品的石英顆粒以Ⅱ類以及Ib+Ic和微形貌為主,共占總數(shù)的59%,如圖8所示。說明沂沭斷裂在早更新世-中更新世活動較強烈。Ⅲ型占比15%,Ⅳ型占比11%,說明該斷裂在上新世和中新世活動過,但不強烈,Ia型和Ru型分別占8%和7%,說明該斷裂晚更新世以來也活動過。光釋光測年結(jié)果如表2所示,樣品年齡為中更新世晚期-晚更新世早期,因此,本文認為沂沭斷裂具有多次活動的特點,最近一次大規(guī)模的運動發(fā)生在早-中更新世,之后的活動不強烈。而晚更新世以來有過活動,因此工程建設中還是需要加以關(guān)注。

圖8 石英微形貌類型占比情況

表2 沂沭斷裂斷層泥測年結(jié)果

3.2 石英顆粒表面微形貌與斷層活動方式

斷層活動會在石英顆粒表面留下痕跡,不同活動方式下石英顆粒的撞擦特征、破裂特征和形態(tài)特征等方面是不同的,因此,可以通過觀測石英顆粒表面微形貌特征來推測斷層的活動方式。斷層蠕滑體現(xiàn)出來的撞擦特征為弧形擦痕,撞擦坑沒有明顯的定向性,破裂呈曲線型,而黏滑運動會在石英顆粒表面留下直線型擦痕及高速撞擦坑,呈現(xiàn)出高速沖擊破裂的特征。已有學者根據(jù)這一規(guī)律建立了石英微形貌與其斷層活動方式的關(guān)系,如表3所示[33-34],A為撞擦特征,B為破裂特征,C為碎礫形態(tài)特征,每種特征分為4個亞類,分別對應蠕滑、黏滑及之間的過渡類型。

表3 石英微形貌與活動方式的關(guān)系[34]

本文觀察了沂沭斷裂石英微形貌特征,如圖9所示。依據(jù)表3中分類標準,對石英顆粒進行了詳細的分類統(tǒng)計,得到了樣品中每個亞類占該類的比例,如表4所示。以CY01為例,撞擦特征中,A1類型的占8.33%,A2類型的占50%,A3類型的占41.67%,A4類型的占16.67%。數(shù)據(jù)集以矩陣的形式表示為:

圖9 石英微形貌特征

表4 石英顆粒表面機械作用分類表

(1)

將CY01、CY02、CY03、JN02和JN05這5個樣品都以式(1)的形式表達出來,如式(2)～式(6)所示:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

依據(jù)學者的實驗研究和理論分析[11,26-28,35-37],在判定斷層活動方式時,A撞擦特征、B破裂特征及C碎礫形態(tài)特征這3個特征的權(quán)重是不同的。其中,A撞擦特征能準確地反映斷層運動方式,權(quán)重最大。B破裂特征也能較直觀地反映斷層活動速度,權(quán)重居中。C碎礫形態(tài)特征可以反映斷層活動方式,同時顆粒形態(tài)也受到活動年代等因素的影響,因此該因素權(quán)重最低。徐葉邦等[38]在1987年根據(jù)3種特征對于評價斷層滑動方式的重要程度,首次給出了3個應力微形貌因素的權(quán)重分配, A、B、C這3個因素的分配權(quán)重如式(7)所示:

Q= [0.40 0.35 0.25]

(7)

俞維賢等[32, 39]、朱彤等[34]等應用該權(quán)重分配進行了實踐和驗證,都得到了較好的結(jié)果,因此,本文也沿用了的權(quán)重分配方法。將撞擦特征、破裂特征和碎礫形態(tài)特征綜合起來,得到每一個樣品的活動方式特點,如式(8)所示:

M=R·Q=[M1M2M3M4]

(8)

式中:M1表征蠕滑運動所占比例;M4為黏滑運動所占比例;M2和M3為過渡類型。由此得到5個樣品的運動方式,如式(9)～式(13)所示:

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

斷層的蠕滑、黏滑及過渡方式所占比例如圖10所示,總體來講,斷層的主要活動方式為黏滑和蠕滑之間的過渡型,黏滑表現(xiàn)較弱。說明晚更新世以來,斷層有一定的脆性變形,但脆性變形不活躍,總體以韌性變形為主。

圖10 斷層活動方式分析結(jié)果

4 結(jié)論

本次研究沿沂沭斷裂北段的安丘-莒縣斷裂與昌邑-大店斷裂選取了4個剖面,采集了5個斷層泥樣品,利用掃描電子顯微鏡觀測了斷層泥中石英顆粒的微形貌,對斷層的活動時代及活動方式進行了分析。得到了以下結(jié)論。

1)通過鑒別和統(tǒng)計石英表面9種不同的形貌特征,得出石英表面微形貌以橘皮狀和魚鱗狀為主,對應了Ⅱ類和Ib+Ic型微形貌,屬于淺度-中度溶蝕,反映出該斷裂最近一次較強的運動發(fā)生在早-中更新世。石英微形貌中出現(xiàn)了Ⅲ型、Ⅳ型、Ia型和Ru型,說明該斷裂具有多期活動的特征。其中Ru、Ia之和所占比例基本在15%左右,說明晚更新世以來活動不強烈。光釋光測年結(jié)果為中更新世晚期-晚更新世早期。因此,沂沭斷裂北段的安丘-莒縣斷裂和昌邑-大店斷裂都是活動斷層,晚更新世以來活動過,但不強烈。

2)根據(jù)斷層泥中石英顆粒表面撞擦特征、破裂特征和形態(tài)特征等機械作用特征,結(jié)合這3種特征對判斷斷層活動方式的貢獻,得到了該斷層晚更新世以來以蠕滑及過渡型為主,黏滑較弱。

本文所得結(jié)果可能為監(jiān)測研究區(qū)的斷層活動提供有力支持。