映秀-川北断裂带北东段岩石结构与岩石组成研究

映秀-川北断裂带北东段岩石结构与岩石组成研究

2008年5月12日，青藏高原东缘龙门山断裂带发生m。本文以映秀-北川断裂带北东段(北川断裂带)南坝地区露头剖面为研究对象，通过野外观测以及样品采集、显微构造观察和地球化学分析等，来探讨北川断裂带的岩石组成和内部结构。虽然地表露头所获得的断裂带物质受到风化过程的影响，但是该研究仍然可以揭示断裂带的构造变形及其活动性，为认识龙门山断裂带地震破裂机制和断裂动力学提供科学依据。1基于构建背景和分析的分析1.1研究区地质背景龙门山断裂带地处青藏高原与四川盆地之间(图1a)，为中国东部和西部地形地貌的边界，也是我国重要的地震活动带之一(龙门山断裂带主要由三条近平行的逆冲断裂带组成(图1b)，由西向东分别为:汶川-茂县断裂(龙门山后山断裂)、映秀-北川断裂(龙门山中央断裂)和灌县-安县断裂(龙门山前山断裂)(映秀-北川断裂不仅是青藏高原东缘地形陡变带的边界(本文研究区位于四川省平武县南坝镇地区，属于映秀-北川断裂带北东段的北川断裂带。研究区内主要发育有震旦、寒武、志留及泥盆纪的砂板岩互层，且有少量碳质板岩(图2)。其中震旦纪地层为千枚岩、结晶灰岩、变砂岩和硅质白云岩;寒武纪地层为变砂岩、板岩和硅质岩;志留纪地层为千枚岩夹变砂岩、灰岩;泥盆纪地层为石英砂岩、粉砂岩和泥岩。研究剖面位于寒武纪砂板岩中(图2b)，并出露2008年汶川地震地表破裂带(图3)，破裂带伴随有～2m的垂直位移和～2.8m的右旋水平位移(1.2样品化学特征检测沿着南坝地区出露的北川段断裂带剖面，我们对断裂岩及其围岩进行了系统采样。为确保取样的连续性和完整性，断裂两盘断层角砾岩带和破碎带取样间距约0.5～2m，黑色断裂物质中间隔2～5cm连续取样，共采集24块样品，其中20块样品进行了XRD测试(表1)，中间黑色断裂物质选取NB-1～5、断层角砾岩带样品NB-12和破碎带样品岩石NB-14制成薄片。首先将岩石薄片在光学显微镜下观察，然后对代表性样品薄片在扫描电镜下进行详细观测，包括矿物组成、颗粒大小、结构构造等特征，分析其微观构造与断裂流体作用。利用粉末样品进行X射线衍射(XRD)仪器分析其物质成分及结构等信息，通过微区X射线荧光分析仪(μXRF)对重要样品薄片开展化学成分面扫描，分析元素分布特征。SEM和μXRF实验在自然资源部深地动力学重点实验室进行，XRD实验在北京北达智汇微构分析测试中心进行。2断裂体系及构造在南坝镇北东方向～500m处的省级公路(S105)被2008年汶川地震错断，破裂面产状为走向N44°E，倾向NW，倾角70°，被错断的公路产生～2.8m的右旋水平位移和～2m的垂直位移(图3)，显示出右旋走滑伴随由NW向SE方向逆冲的运动学特征。震后公路重新修复，路边断裂带明显呈现。从地表露头剖面来看，断裂带宽度约为30m，总体走向为N40°～45°E，以发育黑色断裂物质层为中心，两侧发育断层角砾岩和破碎带(图4)。汶川地震破裂面沿黑色断裂物质层上边界分布，断裂带上盘物质为断层角砾岩、破碎带和具弱破裂的围岩;断裂带下盘物质为黑色物质层、断层角砾岩、破碎带和具弱破裂的围岩(图4)，围岩主要为变质砂岩和板岩。断裂带上盘，与黑色物质层相邻的断层角砾岩层厚约4m，其北西侧破碎带厚度约10m。断裂带下盘，黑色物质层厚20～40cm，相邻断层角砾岩层厚约3m，其南东侧的破碎带厚度约12m，呈现出近对称的单核断裂结构。黑色物质层与断层角砾岩有明显的边界，其中北西边界平直，南东边界凹凸不平(图4)，破碎带与围岩之间没有明显的界限。黑色断裂物质和断层角砾岩均发育有弱面理(图5a,d)。宏观上看，黑色断裂物质固结较好且粒度较细(图5e)，较脆易破碎，内部未见明显的角砾，可略见两组面理构造(图5a,b)。在黑色物质层北西侧边界发育厚约10mm厚的狭窄的薄层(图5b)，从2008年汶川地震快速应急调查现场结果来看，地表破裂面发育在黑色物质层的上边界面(图3)，这狭窄的边界层是汶川地震的滑动带，贯穿整个黑色物质层北西边界，呈NW方向陡倾的面理。在黑色物质带中有一条厚约2～3cm的黄褐色条带(图5c)，它与旁边的黑色块体有较明显的边界(图5c);另外，在黑色物质层中可见SW向陡倾的面理(图5)，与NW方向陡倾的汶川地震滑动带呈～30°夹角。3断裂岩中的扩展物质性研究区中北川断裂带发育在寒武纪粉砂质板岩中，破碎带中岩石的显微构造基本与粉砂质板岩构造特征一致，断层角砾岩保留有围岩的部分构造特征，断裂带中黑色断裂物质几乎看不见围岩构造特征。破碎带中的岩石原岩结构仍然保留(图6a)，只是微破裂增多。断层角砾岩主要由具有原岩特征的、大小不一的、角砾状碎块组成，碎块之间不规则接触，无明显位移，断层角砾岩中次生面理构造明显(图6b)，面理产状与黑色断裂物质层近一致。黑色断裂物质在光学显微镜下主要呈黑色和棕灰色或灰褐色，呈块状和角砾状结构(图7)，其中黑色物质总体粒度均匀，薄片中可见规模不同的不规则次生裂隙，裂隙中有被黄棕色物质充填(图7e)。黑色断裂物质层的西边界与角砾岩接触部位，可见变粉砂岩中汶川地震的滑动带，同时在黑色断裂物质边界有厚约0.5mm的滑动带(图8a)。棕灰色物质基质较为均匀，可见不规则次生裂隙，其内部分布大小不一的黑色断裂物质碎块，碎块多为次棱角状到次圆状，可见浑圆块体(图7、图8)，还可见砂岩砾(图8b,c,e)，棕黄色物质围绕角砾边缘分布(图8c,d,f)。扫描电镜(SEM)观察显示黑色断裂物质由很多粒径大小不一(2～30μm)的石英颗粒和细小的黏土矿物组成(图9)。其中可见水滴状、球状、环带和孔洞状构造(图10),EDS成分分析显示其主要为含Si质成分物质(图10g,h)。4断裂岩中矿物成分的特征断裂带样品的XRD图谱显示(图11)，破碎带岩石、断层角砾岩和黑色断裂物质主要矿物成分为:石英、微斜长石、斜长石以及黏土矿物，在黑色物质层中除上述矿物外，还有黄钾铁矾和重晶石等矿物。黏土矿物主要为:伊利石、绿泥石、伊蒙混层，仅两个黑色断裂物质样品中含有蒙脱石。对20个断裂带样品进行了矿物含量的分析(表1)。总体来看，黑色断裂物质(NB-1、NB-4、NB-5、NB-6、NB-7、NB-8、NB-9、NB-10)中石英含量31%～50%，长石含量18%～26%，黏土矿物成分含量24%～36%;断层角砾岩(NB-11、NB-13、NB-14、NB-19、NB-20、NB-21)中石英含量35%～45%，长石含量24%～36%，黏土矿物成分含量18%～34%;破碎带(NB-15～18、NB-22～24)中石英含量31%～47%，长石含量24%～45%，黏土矿物成分含量15%～45%。从破碎带到断层角砾岩再到黑色断裂物质，石英含量变化不大，但是长石含量逐渐降低，黏土矿物含量明显增加。此外，对黑色断裂物质标本进行切割及表面抛光后，采用μXRF无损检测技术对其切面进行元素扫描。测试结果(图12)表明，深黑色角砾的Fe、K元素含量低于棕灰色的部分，深黑色角砾中的Ba、Ti、V含量高于浅色部分的，其中黑色角砾裂隙中的Ba、Ti、V含量明显偏高。5讨论5.1断裂带结构特点根据变形程度的不同，断裂带可分为断层核部和破碎带。断层核部通常是作为一个滑移面或滑动带，由断裂岩(断层泥、断层角砾岩、碎裂岩或假玄武玻璃)组成，破碎带通常是由具有破裂分布较宽的围岩组成。断裂核部宽度一般较窄，小断裂可能仅有1～3mm宽，大断裂也就10～30cm宽。断裂带核部宽度虽然很窄但却容纳了断裂带的大部分变形。断裂带可分为单核结构和多核结构这两种典型类型(在研究区，北川断裂带中断裂岩和破碎带的呈规律分布，以陡倾的黑色断裂物质为中心，两侧分别为断层角砾岩和破碎带，并且它们的厚度基本一致，汶川地震滑动面沿黑色断裂物质层北西边界分布，并有～10mm的滑动带(图3、图5)，从显微镜下观察到的滑动带则更窄。该黑色断裂物质是早期断裂滑动所产生的直接或间接物质，是断裂带的高应变带。因此，北川断裂带具有典型的单核结构特征，宽度～30m。在映秀-北川断裂带南西段虹口地区，映秀断裂带宽约240m，由五个次级不同的断裂岩带组成:碎裂岩带(具有假玄武玻璃)、黑色断层泥和角砾岩带、灰色断层角砾岩带、深灰色断层角砾岩带以及断层泥和角砾岩带，断裂岩组合显示映秀断裂带具有多核断裂结构特征(5.2断裂带南分段从XRD分析结果(表1、图11)来看，研究区内的黑色断裂物质中黏土矿物含量较高(24%～36%)，从SEM图像可见，黏土矿物颗粒细小呈无方向性分布，局部可见细小的伊利石围绕石英颗粒边部生长(图9b)，为后期形成的黏土矿物。以上表明黑色物质可能是断层泥，但其质地脆且易碎、为相对均质的块状结构，不同于普通断层泥呈松软状和映秀-北川断裂带南西段虹口地区具有棱角状大小不一的碎块及带状构造的断层泥(部分黑色断裂物质(NB-6,-7)的局部XRD图谱显示，在16°～34°的低衍射角(2θ)范围具有宽的非晶质物质衍射波谱的峰带特征(图13)，在SEM图像中发现有水滴状、球状、环带和似气孔状构造的熔融结构(图10)，这些特征都明显指示了断裂核部黑色物质具有熔融形成的假玄武玻璃的特征，表明该黑色断裂物质是假玄武玻璃断层脉，是古地震的产物。此外，黑色物质的Fe、Ba、Ti元素含量相对较高(图12)，这与映秀-北川断裂带虹口地区出露的假玄武玻璃具有高Fe、Ba、Ti含量的特征(显微结构观察显示，黑色物质中只发现了类似气孔和球粒构造，没有看到由于熔融而产生的明显的流动构造、不同类型微晶和不规则港湾状构造等，可能是后期蚀变作用造成熔融特征被覆盖。断裂带是流体的通道(5.3滑动川断裂带的机制5.3.1滑动面为断裂带底部大量的研究发现断裂带的地震滑动过程中，滑动面通常分布在断裂带底部，如映秀-北川断裂带南部虹口露头中，2018年汶川地震破裂面发育在映秀断裂带底部(5.3.2断裂润滑是断裂带的弱化机制断裂滑移过程可分为速度弱化和速度强化(我们的研究认为南坝露头中黑色断裂物质是蚀变的假玄武玻璃，其中保存有少量熔融特征，指示了断裂滑移过程中存在摩擦熔融润滑的弱化机制，表明摩擦熔融润滑是北川断裂带重要的弱化机制。目前研究认为假玄武玻璃断层脉的厚度随断层滑移量的增大而增加(6含假玄武玻璃带的断裂发育本文通过对映秀-北川断裂带北东段南坝地区地表露头调查，结合显微构造、XRD、μXRF等手段对断裂带内部岩石进行综合分析，得出以下几点结论:(1)北川断裂带宽度约30m，由假玄武玻璃、断裂角砾岩和破碎带组成。以含假玄武玻璃带为核部，两侧均发育厚度不等的断层角砾岩带和破碎带，构成近对称的单核断裂结构，暗示其构造演化历史与南西段虹口地区～240m宽的映秀断裂带相比较短。(