龙门山构造带wfsd-2钻孔岩心磁化率特征及其对500

龙门山构造带wfsd-2钻孔岩心磁化率特征及其对500

1龙门山构造带的磁化率特征2008年川洛伊木马地震后，位于青藏高原东缘的龙门山构造带成为国际地学界最受关注的研究热点地区之一。然而，龙门山构造带的形成机制一直有争议。地壳水平压缩和变形机制的形成(。岩石磁化率是岩石重要的磁性参数,是物质受磁化的难易程度,其大小主要取决于岩石的矿物成分、岩石结构、矿物颗粒大小和形状等因素,其数值变化可用于指示不同岩性特征和构造环境的改变(本研究通过对WFSD-2钻孔岩心高分辨率的磁化率测试,结合岩性特征和显微结构观察,第一次较全面展示龙门山构造带连续的不同岩石单元的物性特征,为认识龙门山构造带变形作用及其大地震活动提供重要的岩石磁学证据.2逆冲断裂带龙门山构造带位于青藏高原东缘与四川盆地接壤的地带,长约500km,宽约30km,具有显著的地形高差.由一系列大致平行的NE-SW向逆冲断裂带组成(图1),自西向东为:汶川—茂县断裂、映秀—北川断裂和安县一灌县断裂(3配置德生岩及工岩地层WFSD～2钻孔岩心是龙门山构造带中深度最大的岩性剖面,较完整地获得了龙门山中段的主要岩石单元.WFSD-2钻孔岩心由彭灌杂岩体和上三叠统须家河组组成(图2),由上至下依次为:彭灌杂岩(500～599.31m)、须家河组(599.31～1211.49m)、彭灌杂岩(1211.49～1679.51m)、须家河组(1679.51～1715.48m)、彭灌杂岩(1715.48～2081.47m)和须家河组(2081.47～2283.56m).彭灌杂岩的岩性主要为花岗岩、闪长岩和火山碎屑岩,其中彭灌杂岩体一段(499.03～599.31m)主要是花岗岩、花岗闪长岩;彭灌杂岩体二段(1211.49～1360.25m)主要是花岗岩和闪长岩;彭灌杂岩体三段(1361.26～1679.51m)主要是花岗岩和凝灰岩,含有花岗闪长岩、闪长岩、火山角砾岩等;彭灌杂岩体四段(1715.48～2081.47m)主要为花岗岩、闪长岩和凝灰岩,夹有花岗闪长岩、安山岩、火山角砾岩等.须家河组的岩性主要是砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、煤层(线)和砾岩.其中,须家河组上段(599.31～1211.49m)以灰色、灰白色厚层砂岩、粉砂岩为主,另外含有碳质页岩、片理化碳质泥岩、无机碳和断层岩;须家河组中段(1679.51～1715.48m)主要为碳质页岩、碳质泥质砂岩夹有煤层;须家河组下段(2081.47～2283.56m)以粉砂岩和页岩为主,含有部分细砂岩.WFSD-2钻孔岩心中发育了大小规模不一的断层带,每一条断层带由不同的断层岩组成,断层岩遵循Sibson分类(4磁化率试验和结果4.1岩心磁化率测试岩心从钻孔中取出之后,在WFSD-2号孔钻探现场用高压水枪冲洗,清除因钻探过程中混入的泥浆、铁屑等表面污染物.之后装入无磁性的塑料岩心盒中,避免外界铁磁污染.完成现场岩心高分辨率图像扫描工作后,将岩心运至成都郫县的汶川地震断裂科学钻探实验中心岩心库保存.WFSD-2钻孔岩心的磁化率测试工作在汶川地震断裂科学钻探实验中心完成.磁化率测试仪器为BartingtonMS2K磁化率仪,灵敏度为1×104.2数据统计描述WFSD-2钻孔岩心不同岩性的磁化率测试结果可见表1和图2.表1中用于结果统计的数据总数为123828个,并对每组统计样本做标准偏差计算.彭灌杂岩一段的磁化率相对最低,花岗岩和花岗闪长岩的磁化率平均值均为9×105讨论5.1龙门山构造带不同构造带岩石磁化率的性质与比较(1)磁化率值对比从WFSD-2钻孔岩心磁化率测试结果可以看出,彭灌杂岩的磁化率值总体比上三叠统须家河组沉积岩的磁化率值高,且不同彭灌杂岩体段的磁化率值具有不同的特征(表1,图2).火山碎屑岩类中的凝灰岩和火山碎屑岩的磁化率值最高,其平均值为(49～53)×10根据WFSD-2钻孔岩心磁化率-深度曲线和岩性柱状图,大部分磁化率异常与断层岩相关(图2),其中假玄武玻璃和断层泥磁化率值高于围岩,而碎裂岩和断层角砾岩的磁化率值并没有明显异常(表1).下面以彭灌杂岩体一段中的FZ600断层带和须家河组中段中的FZ1681断层带为例予以说明.FZ600断层带的围岩为花岗闪长岩,断层岩组合为碎裂岩、超碎裂岩和假玄武玻璃.图3(a-1)花岗闪长岩岩心深度为579.05～579.50m.图3(a-2)岩心深度为585.93～586.70m,由碎裂岩、超碎裂岩和假玄武玻璃组成.碎裂岩呈灰色、灰白色,具有碎裂结构,磨圆度较好.超碎裂岩在扫描照片中与碎裂岩很难区别,假玄武玻璃颜色为灰白色和黑色,呈脉状注入到碎裂岩带中,分为单体脉和网状脉两类.网状脉由细小的脉体组成,单体脉中含有大小不一的碎屑,碎屑磨圆度较好.FZ600断层带的磁化率-深度曲线(图3a)中可识别出约10组磁化率异常值,分别对应不同深度的假玄武玻璃,最大磁化率值的范围为(15～62)×10FZ1681断层带的围岩为砂岩、页岩和粉砂岩,图3(b-4)岩心的深度为1699.23～1699.73m,岩性为深灰色的砂岩,裂隙较发育.断层岩组合为断层泥和断层角砾岩.FZ1681是多核对称型断层带,含有5层断层泥,以断层泥为核部,对称地分布着断层角砾岩(构造成因的假玄武玻璃被认为是断层带内地震发生的直接证据,形成于快速地震断层活动所产生的摩擦热和强烈磨蚀作用((2)不同构造岩片的特征磁化率的变化特征被广泛地应用在地质、环境过程的研究中(彭灌杂岩体和须家河组之间均为断层接触,假玄武玻璃和断层泥的出现表明彭灌杂岩体为上盘而须家河组为下盘的断层活动更加强烈.结合磁化率特征,将七段不同的岩性单元划分成5套构造岩片(图2c),构造岩片Ⅰ的深度为0～599.31m,构造岩片Ⅱ的深度为599.31～1360.25m,构造岩片Ⅲ的深度为1360.25～1679.75m,构造岩片Ⅳ的深度为1679.75～2081.54m,构造岩片Ⅴ的深度为2081.54～2283.56m.构造岩片Ⅰ和构造岩片Ⅴ只有同一种岩石单元组成,分别是彭灌杂岩体和须家河组沉积岩.其他构造岩片由须家河组沉积岩和时代较老的彭灌杂岩体组成.WFSD-2钻孔岩心由一系列逆冲岩片叠置而成,与龙门山隆升的隧道流机制(5.2光学显微特征地震断裂活动过程中产生的摩擦热可以在物理上和化学上改变断层岩中的磁性矿物,增加铁磁性矿物的种类和数量(顺磁性矿物转变成铁磁性矿物,如黄铁矿、菱铁矿等转变为磁铁矿和磁黄铁矿等),或者改变其颗粒大小(光学显微镜下,WFSD-2钻孔岩心中断层角砾岩的碎块之间几乎无旋转或位移,不规则的角砾相互接触,部分被细粒岩粉包围(图5a).而碎裂岩的基质含量>50%,被细粉包围,具有定向流动构造,基本难以识别原岩结构(图5b,5c).超碎裂岩的细粒基质含量多,包含较小的棱角状-次棱角状的碎块,肉眼可见岩石碎块体积分数不超过20%,碎粒之间基本无相互接触(图5c).断层泥在光学显微镜下呈深褐色,主要由粘土矿物及原岩碎粉、碎粒组成,裂隙定向分布,可见面理方向(图5d).假玄武玻璃颜色在正交偏光下为黑色,单偏光下呈浅褐色-深褐色,由显示玻璃光学性质的细粒基质组成,石英和长石碎块散布其中,与碎裂岩之间具有清晰的接触界面,次棱角状碎块呈定向排列(图5b,5c).显微结构观察结果表明假玄武玻璃和断层泥具有强烈剪切特征(图5b,5c,5d),表明磁性矿物颗粒粒度的减小可能是磁化率异常的原因.而碎裂岩和超碎裂岩同样经历了强烈的剪切研磨,颗粒减小,而磁化率值与围岩并无明显异常.因此,磁性矿物粒度的变化并不能很好地解释WFSD-2钻孔岩心中断层泥和假玄武玻璃的高磁化率异常.前人研究表明断层泥磁化率增高的原因可能是断裂过程中,摩擦热和流体作用导致了顺磁性矿物(铁的硫化物或含铁的粘土矿物)热解,形成铁磁性矿物(例如磁铁矿或者磁黄铁矿)(映秀—北川断裂带八角庙探槽的断层岩的热磁分析表明,汶川地震地表破裂带的断层泥的磁性矿物主要为磁铁矿,而随着与破裂带距离的增加逐渐含有铁的硫化物,断层角砾岩和断层泥脉主要以铁的硫化物为主;在靠近破裂带的断层泥具有磁铁矿的磁滞回线特征,而其他的断层角砾岩和断层泥的磁滞回线表现为一条直线特征的顺磁性物质,这一结果与热磁分析一致(映秀—北川断裂带地表露头的假玄武玻璃是断裂摩擦熔融成因,其局部温度可达1730℃(可见石英熔融)(综上所述,断裂作用导致的磁性矿物粒度的变化可能并非断层泥和假玄武玻璃磁化率异常的主要因素.受流体影响最大的碎裂岩和断层角砾岩的磁化率值无异常表明流体作用并非导致断层岩中磁化率高异常的主要因素.因此,WFSD-2岩心中断层泥和假玄武玻璃磁化率增高的原因主要是断裂过程中,摩擦热导致了顺磁性矿物(铁的硫化物或含铁的粘土矿物)热解,形成了铁磁性矿物(例如磁铁矿或者磁黄铁矿).只有大地震断裂带主滑移带位置才能产生较高的摩擦热,表明WFSD-2岩心中断层岩的高磁化率值异常可以指示大地震断裂活动.5.3构造及地震活动特性映秀—北川断裂带在地表和WFSD-1钻孔岩心中出露宽度为100～240m,其断层岩特征表明其是一条长期活动的断裂带(大地震断裂带的主滑移带位置往往具有强烈的剪切摩擦作用,产生较高的摩擦热,从物理上和化学上改变断层泥和假玄武玻璃中的磁性特征(6不同岩性的磁化率本文通过对汶川地震断裂科学钻探工程2号钻孔岩心的高分辨率磁化率测试,并结合岩性特征和显微结构观察得出以下几点认识:(1)WFSD-2的岩性特征控制其磁化率的背景值,彭灌杂岩体的磁化率值比沉积岩高.彭灌杂岩体中火山碎屑岩的磁化率值较高,沉积岩中泥质含量较高或颗粒较细的岩性的磁化率值较高.磁化率值和岩性特征表明4段彭灌杂岩体可能属于不同的岩石单元,不同深度的须家河组沉积岩的地层归属可能不同,WFSD-2钻孔岩心可以划分成5套构造岩片,其构成叠瓦状构造.(2)WFSD-2钻孔岩心中碎裂岩和断层角砾岩的磁化率