應(yīng)用石英微形貌特征測(cè)定斷層活動(dòng)年齡

陳 艷

確定活斷層最新一期的活動(dòng)時(shí)代，對(duì)大型工程選址、建/構(gòu)筑物的地震安全性評(píng)價(jià)等具有重要意義。如地層出露或揭露情況良好，可以通過地質(zhì)學(xué)方法進(jìn)行確定(最老未錯(cuò)斷地層的形成時(shí)代即為斷層最后一次活動(dòng)時(shí)代)。但是，對(duì)隱伏于第四系之下或發(fā)生殲滅的活動(dòng)性斷層，通常很難發(fā)現(xiàn)其地層切割關(guān)系，因此需要對(duì)斷層產(chǎn)物(斷層泥、斷層角礫等)進(jìn)行形成時(shí)代判定。利用斷層泥中的穩(wěn)定礦物如石英、長(zhǎng)石、磷灰石等的熱力學(xué)、形貌特征等反演斷層的最新活動(dòng)時(shí)代，是主要工作方法。其中，電子自旋共振法(ESR)、熱釋光法(TL)和礦物微形貌法是三種最主要的測(cè)年手段。通過這些測(cè)試手段，不僅可以查明地質(zhì)方法無法探明的隱伏斷層的活動(dòng)年齡，而且測(cè)定的年齡可以比地質(zhì)方法更精確(如TL法可測(cè)定距今幾百年的活動(dòng)性斷層)，因此得到廣泛應(yīng)用。

值得注意的是，ESR法和TL法均有其不足之處。如在應(yīng)用TL測(cè)年時(shí)，如果最新一期斷層的活動(dòng)強(qiáng)度較小(溫度壓力不足)，會(huì)導(dǎo)致該方法測(cè)定的年齡偏老?；诖?，20世紀(jì)80年代由Kanaori等[1]發(fā)明了通過礦物微形貌特征判定斷層活動(dòng)年代的方法，通過30年的發(fā)展，該方法盡管還存在較多的不足，但業(yè)已成為ESR法和TL法測(cè)年的重要驗(yàn)證方法。由于石英是地球表層巖/地層中廣泛分布的礦物(占地殼含量的12.6%)[2]，同時(shí)其具有很難風(fēng)化分解的特征，因此被廣泛用作形貌測(cè)年。

應(yīng)用斷層泥中石英的微形貌特征進(jìn)行活動(dòng)性斷層測(cè)年業(yè)已在理論和工程應(yīng)用方面獲得了許多進(jìn)展，然而，該方法尚存在一些理論和應(yīng)用方面的問題，因此值得做進(jìn)一步研究。本文的目的是通過總結(jié)石英形貌測(cè)年的基本原理、應(yīng)用情況和存在的問題，探討解決問題的主要方法和手段，為發(fā)展和完善該測(cè)年方法提供一些工作思路。

1 基本原理

通常認(rèn)為，石英是表生環(huán)境中最穩(wěn)定的礦物。與其他硅酸鹽礦物相比，石英具有簡(jiǎn)單的元素組成(Si和O)，同時(shí)其結(jié)構(gòu)中的Si-O鍵均為橋氧鍵，在(近)地表的溫度和壓力條件下，橋氧鍵不易斷裂，因此石英不易分解。根據(jù)前人的研究，25℃條件下硅的溶解度為11 ppm[3];pH=7.5，溫度25℃條件下石英的溶解速率很慢，約為 10－16.1mol·cm－2·s－1，并且其溶解速率在 pH ＜ 9 時(shí)受溫度壓力的影響較小[4]。由此，可假設(shè)地球表生環(huán)境中的石英具有相同的溶解度和溶解速率。斷層形成或再活動(dòng)過程中，會(huì)導(dǎo)致斷層帶內(nèi)的石英顆粒破碎，產(chǎn)生新鮮面，這些新鮮面會(huì)在隨后的地質(zhì)歷史中經(jīng)歷風(fēng)化作用;由于石英的風(fēng)化速率與所處環(huán)境條件無關(guān)，因此，可以認(rèn)為，斷層帶內(nèi)石英顆粒表面形貌和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，僅僅為時(shí)間的函數(shù)，即新形成的表面經(jīng)歷的時(shí)間越久，其溶蝕微形貌和結(jié)構(gòu)越復(fù)雜;相應(yīng)地測(cè)定了石英顆粒的表面微形貌和結(jié)構(gòu)特征，即可反推其形成的時(shí)間。此即應(yīng)用石英形貌學(xué)進(jìn)行斷層測(cè)年的基本原理。Kanaori等[1]依據(jù)掃描電鏡的結(jié)果，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的方法，將石英表面形貌特征分為四組共九種，按溶蝕形貌由簡(jiǎn)單到復(fù)雜依次分為:貝殼狀、次貝殼狀、桔皮狀;魚鱗狀、苔蘚狀;鐘乳狀、蛀蝕狀;洞穴狀、珊瑚狀。不同的溶蝕形貌對(duì)應(yīng)不同的形成年齡，其中洞穴狀和珊瑚狀形貌代表的年齡可達(dá)上百萬年，因此，根據(jù)石英表面溶蝕微形貌可以反映中新世以來的斷層活動(dòng)。值得注意的是，一個(gè)斷層可能經(jīng)歷多期活動(dòng)，因此斷層泥中的石英會(huì)經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造，每一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)均會(huì)造成其形貌發(fā)生改變或形成新的破碎面。因此，斷層泥中石英的復(fù)雜微形貌通常與多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加有關(guān)，其顯微形貌特征通常反映了最后或最強(qiáng)一次斷裂活動(dòng)[5]。

除了溶蝕形貌，斷層泥中的石英顆粒表面還可能殘留部分?jǐn)鄬踊顒?dòng)過程中因機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的特殊形貌如擦痕、斷口等，利用這些形貌特征，可以判定斷層的滑動(dòng)方式(蠕滑和粘滑)[5-8]，如彎曲擦痕、研磨坑、晶內(nèi)微裂隙、階步狀刻痕等通常代表蠕滑運(yùn)動(dòng)，而撞擊碎裂痕、平直擦線等代表粘滑運(yùn)動(dòng)。

2 應(yīng)用進(jìn)展

Kanaori等[1]于1980年首先提出應(yīng)用石英形貌學(xué)測(cè)定斷層活動(dòng)時(shí)代這一思路，經(jīng)過30余年的發(fā)展，該方法已發(fā)展為成熟的測(cè)年方法。盡管不能確定斷層活動(dòng)的絕對(duì)年齡，但該方法已成為ESR法和TL法的重要補(bǔ)充方法。在確定活動(dòng)性斷層的最新活動(dòng)時(shí)代研究中，利用這幾種方法的組合開展研究，獲得了許多重要進(jìn)展。

國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)80年代初即利用該方法開展了許多斷層活動(dòng)時(shí)代的研究，如楊主恩等[9]率先研究了紅河斷裂帶和曲江斷裂帶活動(dòng)時(shí)代與斷層泥中石英微形貌的關(guān)系，同時(shí)通過模擬實(shí)驗(yàn)開展了采用石英微形貌特征判定斷層活動(dòng)方式的研究[10];隨后王華林、張秉良、尹功明、張瑛杰、林傳勇等[11-15]在90年代開展了大量的相關(guān)研究，不僅發(fā)展和完善了該方法，而且實(shí)現(xiàn)了其在地震研究中的廣泛應(yīng)用。21世紀(jì)以后，該方法得到進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，如汪明武等[16]利用該方法對(duì)潤(rùn)揚(yáng)大橋的橋基斷裂活動(dòng)性進(jìn)行了評(píng)價(jià);申俊峰等[8]應(yīng)用該方法對(duì)西藏那林卡斷裂的活動(dòng)期次、各期次的活動(dòng)類型和最新活動(dòng)時(shí)代進(jìn)行了綜合研究。該方法業(yè)已廣泛應(yīng)用到構(gòu)造、地震、工程地質(zhì)等諸多研究領(lǐng)域。

3 存在的問題

石英風(fēng)化速率問題:通常認(rèn)為，表生條件下影響礦物風(fēng)化的因素有溫度，pH，Eh，鹽度，氧逸度等，近年的研究發(fā)現(xiàn)生物也是影響風(fēng)化速率和風(fēng)化程度的重要因素。如微生物代謝可以產(chǎn)生酸、有機(jī)絡(luò)合物等，這些物質(zhì)可以與礦物作用，顯著加速礦物的分解;微生物還可以形成生物膜，改變礦物表面的微環(huán)境，影響礦物的分解;此外，微生物的氧化還原作用，也會(huì)影響礦物的形成和分解。研究表明[17]，雖然石英是表生環(huán)境中穩(wěn)定性很好的礦物，但在微生物的作用下，其分解速率仍然會(huì)有數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。在地表以下不太深、溫度不太高的位置，往往會(huì)存在較大數(shù)量的微生物[18]，這些微生物會(huì)顯著加速圍巖中礦物的分解速率。由此可見，石英的風(fēng)化速率并非一成不變，而是受環(huán)境條件(尤其是微生物)的影響較大。

當(dāng)斷層泥由多期斷層活動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，在通過石英形貌學(xué)判定最新一期斷層活動(dòng)的研究中，需特別注意樣品的采集方式。在斷層泥厚度較大的情況下，需區(qū)分?jǐn)鄬幽嗟男纬身樞?，采集最新活?dòng)形成的斷層泥;在斷層泥厚度較小的情況下，則可以進(jìn)行全序列采樣。但是，兩種采樣方法均存在較多的問題，如很難確定哪個(gè)層位的斷層泥是最新斷層活動(dòng)的產(chǎn)物，盡管前人業(yè)已提供了不少判定方法，但這些方法均有其適用的條件[11，13，14];而進(jìn)行全序列采樣時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致分析和統(tǒng)計(jì)的工作量增大。

4 展望

石英形貌學(xué)測(cè)年方法業(yè)已成為活動(dòng)性斷層定年的有效手段，通過該方法可以彌補(bǔ)ESR和TL法測(cè)年的不足，然而，如前所述，該方法尚存在較多的科學(xué)問題，因此需要開展進(jìn)一步的工作將該方法從理論和應(yīng)用方面加以完善。

目前對(duì)石英形貌的分類還存在較多的問題，其中一個(gè)重要的問題是對(duì)石英形貌僅僅進(jìn)行了定性分類，因此通過形貌比對(duì)獲得的構(gòu)造年齡也是定性的，即很難精確定年。除了形貌觀察外，有必要應(yīng)用其他先進(jìn)的現(xiàn)代分析技術(shù)如X射線光電子能譜(XPS)、俄歇電子譜(AES)等，對(duì)具有特殊形貌的石英表面進(jìn)行成分分析，發(fā)展石英形貌學(xué)定年的定量化標(biāo)準(zhǔn)。

“石英溶解速率不變”這一假設(shè)受到了近年相關(guān)研究的挑戰(zhàn)，有必要進(jìn)一步開展石英溶解速率的研究，以修正石英溶解速率同其表面形貌特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

樣品的采集方法通常會(huì)對(duì)石英形貌特征研究產(chǎn)生較大影響，在科研過程中，很有必要發(fā)展更方便快捷且準(zhǔn)確的采樣方法。

[1]Kanaori Y，Miyakosbi K，Kakuta T.Dating fault activity by surface textures of quartz grains from fault gouges[J].Eng Geol，1980，16(3):243-262.

[2]趙俊香.斷層最新活動(dòng)年齡測(cè)定方法的探討[A].地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集[C].2006:62-71.

[3]Rimstidt J D.Quartz solubility at low temperatures[J].Geochim Cosmochim Acta，1997，61(13):2553-2558.

[4]Brady P V，Walther J V.Kinetics of quartz dissolution at low temperatures[J].Chem Geol，1990(82):253-264.

[5]張秉良，方仲景，段端濤，等.程各莊斷裂斷層泥顯微結(jié)構(gòu)特征及其斷裂活動(dòng)性探討[J].華北地震科學(xué)，1996，14(4):31-38.

[6]Kanaori Y.Further studies on the use quartz grain from fault gouges establish the age of faulting[J].Eng Geol，1985，2(1):175-194.

[7]楊一沖，高維明.沂沭活斷層北段F1斷層滑動(dòng)方式的討論[J].地震地質(zhì)，1994，16(1):12-19.

[8]申俊峰，申旭輝，曹忠全，等.斷層泥石英微形貌特征在斷層活動(dòng)性研究中的意義[J].礦物巖石，2007，27(1):90-96.

[9]楊主恩，胡碧茹，洪漢凈.活斷層中斷層泥的石英碎礫的顯微特征及其意義[J].科學(xué)通報(bào)，1984(8):484-486.

[10]楊主恩，張 流，石桂梅.粘滑和穩(wěn)滑實(shí)驗(yàn)條件下石英巖的某些顯微形貌特征及其地震地質(zhì)意義[J].地震地質(zhì)，1986，8(2):21-25.

[11]王華林，耿 杰.有關(guān)斷層泥采樣與斷層位移測(cè)量的野外工作方法問題[J].地震研究，1993，16(1):67-72.

[12]張秉良，方仲景，向宏發(fā)，等.斷層泥顯微結(jié)構(gòu)特征與斷層滑動(dòng)習(xí)性的研究[J].華南地震，1996，16(4):68-72.

[13]尹功明.電子自旋共振測(cè)年法測(cè)定斷層泥中石英年齡的現(xiàn)狀[J].地震地質(zhì)，1996，18(2):1-6.

[14]孫瑛杰，盧演儔，尹功明.沂沭斷裂帶大水場(chǎng)剖面斷層泥的ESR 年代學(xué)研究[J].地震地質(zhì)，1999，21(4):346-350.

[15]林傳勇，史蘭斌，劉行松，等.斷層泥在基巖區(qū)斷層新活動(dòng)研究中的意義[J].中國(guó)地震，1995，11(1):26-32.

[16]汪明武，章楊松，李 麗，等.應(yīng)用斷層泥石英形貌測(cè)齡評(píng)價(jià)橋基斷裂活動(dòng)性[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，25(3):335-339.

[17]Braham U，Gorbushina A，Mottershead D.The role of microorganisms and biofilms in the breakdown and dissolution of quartz and glass[J].Palaeogeogr，Palaeoclimat，Palaeoecol，2005(219):117-129.

[18]Pedersen K.Microbial life in deep granitic rock[J].FEMS Microbiol.Rev，1997(20):399-414.