虹口八角廟-深溪溝炭質(zhì)泥巖同震斷層泥的X射線衍射分析結(jié)果

黨嘉祥 周永勝 韓 亮 何昌榮 陳建業(yè) 黨新增 楊曉松

(中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029)

虹口八角廟-深溪溝炭質(zhì)泥巖同震斷層泥的X射線衍射分析結(jié)果

黨嘉祥 周永勝 韓 亮 何昌榮 陳建業(yè) 黨新增 楊曉松

(中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029)

5.12汶川地震同震地表破裂帶在虹口八角—深溪溝一帶主要出露于三疊系須家河組的炭質(zhì)泥巖中，同震斷層泥在顏色、結(jié)構(gòu)上與老斷層泥和圍巖類似。通過開挖探槽，系統(tǒng)采樣，采用粉晶X射線衍射定量分析方法，研究了同震地表破裂帶的圍巖、斷層角礫巖、老斷層泥和新斷層泥的礦物成分特征。同震斷層泥的主要成分為石英和黏土礦物，含微量長石和白云石;斷層泥的顯著特征為高黏土礦物含量，從同震斷層泥、老斷層泥、角礫巖到圍巖黏土礦物含量依次降低，黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，含微量綠泥石和高嶺石，礦物組成明顯比地表破裂帶北段同震斷層泥簡單。不同顏色的同震斷層泥成分略有不同，黑色斷層泥中伊利石含量明顯高于白色斷層泥;老斷層泥中含有方解石和白云石，而同震斷層泥不含方解石，只含微量白云石。同震斷層泥中伊蒙混層高含量表明，在本次地震錯動中有富含K的流體參與。

汶川地震 同震斷層泥 粉晶X射線衍射定量分析 黏土礦物

0 引言

5.12汶川地震在虹口八角廟—深溪溝一帶的炭質(zhì)泥巖中形成明顯的地表破裂帶，對地表破裂的特點、同震位移等已有許多報道(Burchfiel et al.，2008;張培震，2008;Xu et al.，2008;徐錫偉等，2008;付碧宏等，2008;何宏林等，2008;Xu et al.，2009;韓亮等，2010)。同震地表破裂帶在虹口一帶主要沿三疊系須家河組炭質(zhì)泥巖出露，由于圍巖松軟，形成的同震斷層泥與北部相對較硬巖石形成的同震斷層泥在結(jié)構(gòu)和成分上(黨嘉祥等，2012)有很大區(qū)別。一方面同震斷層泥在顏色、結(jié)構(gòu)上與老斷層泥和圍巖類似(韓亮等，2010)，不易區(qū)分;另一方面，同震地表破裂形成的斷層陡坎容易垮塌，新鮮的同震斷層泥不易保留。為了研究同震斷層泥的成分特征，我們在地表破裂帶取樣的基礎(chǔ)上，開挖了探槽，進行系統(tǒng)取樣與分析。

1 樣品采集與成分分析方法

八角廟和深溪溝地表破裂帶均位于北川-映秀斷裂南端 (圖1)。結(jié)合前人研究(何宏林等，2008;王萍，2009;韓亮等，2010)，我們對北川-映秀斷裂同震地表破裂帶的八角廟和深溪溝基巖露頭進行了詳細的野外工作，由于露頭地表無同震斷層泥出露，因此進行了探槽觀測，采集了各露頭上不同類型的斷層泥和構(gòu)造巖進行粉晶X射線衍射研究。

圖1 龍門山地表破裂帶上探槽位置Fig.1 Locations of trenches in surface rupture zones of Longmenshan.

1.1 樣品采集

1.1.1 八角廟地表破裂帶

八角廟地表破裂帶發(fā)育于須家河組炭質(zhì)泥巖中，何宏林等(2008)在汶川地震之后的地震科考中對此露頭的研究表明，該處由本次地震形成了高約4.6m的斷層崖(NW盤抬升)，向SW方向切過河流形成跌水，在跌水的兩側(cè)出露此次地震的破裂面，出露的地層上部為近1m的河流相礫石層，下部為出露厚度接近4m的黑色含煤泥層(圖2a)，破裂面產(chǎn)狀為40°/NW∠76°，破裂面上部的擦痕(距地表2.3m以上)側(cè)伏角為S80°W，下部的擦痕(距地表2.3m以下)側(cè)伏角為S75°W(圖2b)。由于2008年夏天的泥石流把該處的斷層崖沖毀，因而本研究對該點的研究以探槽研究為主。探槽揭露的地層主要為斷層上盤的泥質(zhì)砂巖，發(fā)現(xiàn)新老斷層泥各一層 (圖3a，b)。按照構(gòu)造巖和斷層泥的顏色與結(jié)構(gòu)類型采集了成分分析樣品，采樣位置與編號詳見圖3。

1.1.2 深溪溝地表破裂帶

深溪溝地表破裂帶位于北川-映秀斷裂南端，斷層上盤為元古代彭灌雜巖，下盤為三疊系須家河組炭質(zhì)泥巖、頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r，地表破裂出露在須家河組炭質(zhì)泥巖中。探槽中出露的斷層帶，上盤為角礫巖，下盤為第四紀礫石沉積，在距主滑動面40cm內(nèi)，混合發(fā)育黑色和白色2種同震斷層泥。按照構(gòu)造巖和斷層泥的類型采集了成分分析樣品，采樣位置與編號詳見圖4。

1.2 分析測試方法

圖2 八角廟斷層崖和破裂面(何宏林等，2008)Fig.2 Fault scarp and fault plane at Bajiaomiao(HE Hong-lin et al.，2008).

圖3 八角廟探槽素描Fig.3 The trench log of Bajiaomiao.

圖4 深溪溝探槽素描Fig.4 The trench log of Shenxigou.

樣品分析均采用X射線衍射定量分析法，分析測試均在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所完成。分析儀器為日本Rigaku D/max2500轉(zhuǎn)靶衍射儀，測試使用銅靶，45KV/100mA帶單色器，樣品準備和數(shù)據(jù)處理均按照標準SY/T 6210-1996(沉積巖中黏土礦物總量和常見非黏土礦物X射線衍射定量分析方法)進行。樣品成分分析分主要造巖礦物分析和黏土礦物分析兩部分進行:首先對樣品進行黏土分離，計算出樣品中的黏土總含量;然后對非黏土礦物和黏土礦物分別進行衍射分析。非黏土礦物直接制作薄片進行衍射分析;黏土礦物在制作自然定向片的基礎(chǔ)上，制作了乙二醇飽和片(EG)和高溫片(550℃)，碳酸鹽含量較高的樣品進行了鹽酸處理，對3種不同的薄片進行衍射分析，最終計算得到各種礦物的含量。

2 基巖斷層帶組成與礦物成分

2.1 八角廟地表破裂帶

根據(jù)造巖礦物與黏土礦物粉晶X射線衍射譜圖 (圖5a，b)，確定分析樣品的礦物類型與含量(表1)。下面詳細介紹各樣品的成分特征:

圖5 粉晶X射線衍射譜圖Fig.5 X-ray powder diffraction spectra ofminerals.

(1)灰色角礫巖(BJ-1):采樣部位為本次地震中抬升到地表的上盤，由泥砂巖角礫組成。X射線衍射分析表明，角礫巖成分以石英(57.6%)和黏土礦物(30.9%)為主，黏土礦物以伊蒙混層(30.6%)為主，含少量斜長石和白云石，微量綠泥石。

(2)黑色新斷層泥(BJ-2):沿同震斷層主滑動面分布，厚度約3cm，不含角礫，松軟，為本次地震的同震斷層泥。X射線衍射分析表明，其成分以石英(30.6%)和黏土礦物(65.3%)為主，黏土礦物以伊蒙混層(43.8%)和伊利石(15.0%)為主，含少量鉀長石、斜長石和綠泥石。

(3)炭質(zhì)泥巖(BJ-3):位于下盤，黑色，含炭。X射線衍射分析表明，其成分以白云石(42.3%)和黏土礦物(28.1%)為主，黏土礦物以伊利石(22.8%)為主，含少量石英(16.0%)、鉀長石、斜長石、方解石、伊/蒙混層、綠泥石。

(4)灰黑色老斷層泥(BJ-4):夾在上盤角礫巖中，厚度約2cm，含少量小塊泥砂巖角礫，有一定程度壓實。X射線衍射分析表明，其成分以石英(32.6%)和黏土礦物(43.3%)為主，黏土礦物以伊蒙混層(41.1%)為主，含少量斜長石、方解石、白云石、綠泥石。

根據(jù)斷層巖的成分特征(圖6a)，斷層上下盤圍巖有所不同，斷層上盤泥砂巖成分以石英(57.6%)和伊蒙混層(30.6%)為主，不含伊利石;下盤炭質(zhì)泥巖成分以白云石(42.3%)和伊利石(22.8%)為主，石英(16.0%)和伊/蒙混層(上盤:30.6%;下盤:2.8%)含量明顯低于上盤。

圖6 地表破裂帶礦物成分分布圖Fig.6 Mineralogical distribution on co-seismic surface rupture zones.a八角廟破裂帶;b深溪溝破裂帶

夾在上下盤之間的同震斷層泥，以石英(30.6%)和黏土礦物(65.3%)為主，黏土礦物以伊蒙混層(43.8%)和伊利石(15.0%)為主，不含白云石和方解石;夾在上盤角礫巖中的老斷層泥，以石英(32.6%)和伊蒙混層(41.1%)為主，含白云石17.5%，微量方解石，不含伊利石。

與圍巖泥砂巖和炭質(zhì)泥巖相比(圖6a)，斷層泥中黏土礦物含量顯著增加，黏土礦物以伊/蒙混層為主，石英含量高于下盤炭質(zhì)泥巖，低于上盤泥砂巖;同震斷層泥中伊利石含量高于上盤泥砂巖，低于下盤炭質(zhì)泥巖;同震斷層泥中不含白云石和方解石，老斷層泥中不含伊利石。

2.2 深溪溝地表破裂帶

根據(jù)造巖礦物與泥土礦物粉晶X射線衍射譜圖 (圖5c，d)，確定分析樣品的礦物類型與含量 (表2)。

下面詳細介紹各樣品的成分特征:

(1)黑色新斷層泥(SX-1，SX-2):沿主滑動面與白色新斷層泥混合發(fā)育，厚度約35cm，不含角礫，松軟。X射線衍射分析表明，其成分以石英(26.2%～32.5%)和黏土礦物(61.6～65.2%)為主，黏土礦物以伊利石(19.6% ～40.0%)和伊/蒙混層(10.5% ～33.3%)為主，含少量白云石、斜長石、高嶺石、綠泥石，微量鉀長石。

(2)白色新斷層泥(SX-3，SX-4):沿主滑動面與黑色新斷層泥混合發(fā)育，厚度約5cm，不含角礫，松軟。X射線衍射分析表明，其成分以石英(45.5%～48.3%)和黏土礦物(33.5%～42.7%)為主，黏土礦物以伊利石(6.0% ～11.5%)和伊/蒙混層(26.9% ～25.8%)為主，含少量白云石和斜長石，微量高嶺石和綠泥石。

(3)灰白色角礫巖(SX-5):位于斷層泥邊緣，厚度約30cm，由灰色角礫和白色細?；|(zhì)組成，膠結(jié)不良，易碎。X射線衍射分析表明，其成分以石英(29.1%)和黏土礦物(52.8%)為主，黏土礦物為伊利石(24.8%)、伊/蒙混層(13.2%)和綠泥石(14.8%)，含少量白云石、方解石、斜長石和鉀長石。

(4)灰黑色角礫巖(SX-6):位于斷層上盤，由黑色角礫和灰色細?；|(zhì)組成，膠結(jié)良好。X射線衍射分析表明，其成分以石英(28.8%)和黏土礦物(54.2%)為主，黏土礦物以伊利石(30.9%)和伊/蒙混層(13.6%)為主，含少量白云石、斜長石和綠泥石。

根據(jù)斷層巖的成分特征，斷層巖具有分帶性 (圖6b)，斷層最外側(cè)斷層角礫巖，含石英28.8%，伊利石 30.9%，伊/蒙混層 13.6%，白云石 10.8%，斜長石 6.2%，綠泥石 9.8%。

分布在斷層泥邊緣的灰白色角礫巖，含石英29.1%，伊利石24.8%，伊/蒙混層13.2%，綠泥石 14.8%，白云石 10.1%，方解石 1.1%，斜長石 6.3%，鉀長石 0.6%。

沿主滑動面分布的白色和黑色2種斷層泥，其主要成分為石英、伊利石和伊/蒙混層，其中，石英含量黑色(26.2% ～32.5%)低于白色(45.5% ～48.3%)，黏土礦物總量黑色(61.6% ～65.2%)高于白色(33.5% ～ 42.7%)，伊利石含量黑色(19.6% ～ 40.0%)高于白色(6.0% ～11.5%)。

與斷層外側(cè)角礫巖相比(圖6b)，斷層泥中黏土礦物含量顯著增加，黏土礦物以伊/蒙混層和伊利石為主，石英含量高于角礫巖;斷層泥和斷層泥邊緣局部含有微量鉀長石;斷層泥中均含有微量高嶺石，角礫巖中不含高嶺石。

3 討論

3.1 與地表破裂帶北段同震斷層泥成分比較

同震斷層泥顏色以黑色為主(深溪溝發(fā)育少量白色斷層泥)，細粒，不含角礫，松散，孔隙發(fā)育，主要成分為石英和黏土礦物，含微量長石和白云石;斷層泥的顯著特征為高黏土礦物含量，高于圍巖和角礫巖，黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，含微量綠泥石和高嶺石。

本研究中的兩處地表同震破裂帶均發(fā)育于炭質(zhì)泥巖中，兩處探槽所揭露的斷層巖為斷層上盤的泥砂巖，其主要成分為石英和黏土礦物，而在八角廟下盤炭質(zhì)泥巖中含有約40%的白云石，及下盤圍巖為白云質(zhì);這一特征與映秀-北川破裂帶其他露頭有所不同，其他露頭上下盤圍巖在露頭處基本類似(黨嘉祥等，2012)。兩觀測點的黑色同震斷層泥成分接近，深溪溝斷層泥中含有微量白云石和高嶺石，黑色斷層泥和白色斷層泥相比，黑色斷層泥中伊利石含量明顯高于白色斷層泥;同震斷層泥的高黏土礦物和石英含量特征與地表破裂帶北段的同震斷層泥相似(黨嘉祥等，2012)，但是礦物組成明顯比北段簡單，本處老斷層泥中含有方解石和白云石，而同震斷層泥不含方解石，只含微量白云石;黏土礦物中不含綠蒙混層和蒙皂石。

3.2 與其他地區(qū)同震斷層泥成分比較

車輪鋪斷層鉆探巖心研究表明，在南孔110～182m處，斷層泥的主要黏土礦物成分是高嶺石和伊利石，從弱變形圍巖到破壞了的斷層巖再到斷層泥高嶺石含量逐漸增加(Chen et al.，2007);在北孔223～450m和南孔122～182m處，斷層泥黏土礦物主要由蒙脫石、伊利石和綠泥石組成，出現(xiàn)伊蒙混層，其中伊利石含量較高。Nojima斷層的斷層泥成分主要由沸石、菱鐵礦、方解石、石英、斜長石、黑云母組成，其花崗質(zhì)圍巖主要成分為石英、斜長石、鉀長石和云母(Lin et al.，2007)。San Andreas斷層的斷層泥含石英和長石總量40%～57%，其余部分由黏土礦物組成，主要黏土礦物為蒙脫石，含量30%～35%，綠泥石含量約15%，含微量伊利石(Logan et al.，1981)，僅在一個樣品中有高嶺石，破碎帶填充物中含有沸石;Liechti等(1979)對該斷層的斷層泥細粒部分研究表明，黏土礦物含量約80%，黏土礦物成分以高嶺石為主。

本研究中，黏土礦物主要由伊蒙混層、伊利石、綠泥石組成，這與San Andreas斷層、車輪鋪斷層類似，但本研究的樣品中高嶺石含量極低，僅在個別露頭的部分樣品中出現(xiàn)微量。所有樣品中均未發(fā)現(xiàn)沸石和蒙皂石，這與其他地震斷層帶中的斷層泥存在差別。

3.3 斷層帶流體活動特征

黏土礦物含量在同震新斷層泥中最高，從老斷層泥、斷層角礫巖到圍巖，黏土礦物含量逐漸降低。黏土礦物作為斷層泥的重要組成部分，其不同類型形成條件也各不相同。以往研究(Wu et al.，1975;Wu et al.，1978;Vrolijk et al.，1999;Tanaka et al.，2001)表明:綠泥石主要由黑云母、角閃石、輝石等在低溫?zé)崴饔孟滦纬?高嶺石為云母、長石等在酸性流體條件下水解的最后產(chǎn)物;伊利石主要由長石、云母等分化而來;蒙脫石形成于富Na、Ca的堿性介質(zhì)中。高嶺石、蒙脫石、伊利石等黏土礦物在特定的條件下可以轉(zhuǎn)化:在水的作用下蒙脫石容易轉(zhuǎn)化為高嶺石，但蒙脫石在100～250℃，絕大部分層間水被脫出，形成伊利石。伊利石沒有層間水，因此，在潮濕的環(huán)境中可以轉(zhuǎn)化為蒙脫石。

伊蒙混層為伊利石和蒙皂石相互轉(zhuǎn)化的中間態(tài)，伊蒙混層根據(jù)膨脹層含量的不同分為3種類型(周張健，1994):1)100%～50%，R0型無序結(jié)構(gòu);2)50%～35%，R1型無序到有序的中間狀態(tài);3)35%～0%:R2型有序結(jié)構(gòu)。流體和溫度是影響其轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素(Buatier et al.，1992;Pollastro，1993;Hashimoto et al.，2007)，隨著溫度升高蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化，含鉀流體是蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的必要條件，富含Ca、Mg的流體將阻礙蒙皂石向伊利石的轉(zhuǎn)化，同樣動力學(xué)也是影響該轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素(黃思靜，1990;Velde et al.，1992;Pusch et al.，1996;Hashimoto et al.，2007)。

八角廟和深溪溝同震斷層泥中黏土礦物以伊蒙混層為主，與圍巖中的伊蒙混層均為R2型，但膨脹層含量斷層泥高于圍巖，我們認為在本次地震錯動中由于富含K的流體的參與，使得蒙皂石轉(zhuǎn)化為伊蒙混層。此外，各露頭斷層巖和斷層泥中均含伊利石和綠泥石，深溪溝露頭含有微量高嶺石，我們認為這些均為圍巖礦物在低溫?zé)嵋鹤饔孟滦纬傻摹?/p>

4 結(jié)論

(1)同震斷層泥在顏色、結(jié)構(gòu)上與老斷層泥和圍巖類似;X粉晶衍射定量分析顯示，同震新斷層泥在主要造巖礦物和黏土礦物類型方面與老斷層泥類似，但含量有所差別。這表明，同震新斷層泥是在老斷層泥基礎(chǔ)上發(fā)育而成。

(2)斷層泥主要造巖礦物成分取決于圍巖與角礫巖成分，以石英為主，含微量長石、方解石、白云石;從圍巖、角礫巖、老斷層泥到新斷層泥，主要造巖礦物含量逐漸降低，黏土礦物含量增加。

(3)新斷層泥黏土礦物成分在各露頭有所不同，但黏土礦物含量顯著高于老斷層泥和斷層角礫巖，同震斷層泥中均含伊利石、伊蒙混層、綠泥石，深溪溝斷層泥中含微量高嶺石。黏土礦物成分主要由伊蒙混層、伊利石、綠泥石組成，不含蒙皂石，表明本次地震錯動中有富K流體的參與;這與San Andreas斷層、車輪鋪斷層類似，但本研究中，黏土礦物顯著特點是高嶺石含量極少，只有深溪溝含有微量。

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X-RAY DIFFRACTION ANALYSIS RESULT OF CO-SEISM IC FAULT GOUGE IN CARBON MUDSTONE AT OUTCROPS OF BAJIAOM IAO AND SHENXIGOU IN HONGKOU

DANG Jia-xiang ZHOU Yong-sheng HAN Liang HE Chang-rong CHEN Jian-ye DANG Xin-zeng YANG Xiao-song
(State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

The co-seismic surface ruptures of the May 12，2008 Wenchuan earthquake in Bajiaomiao and Shengxigou were developed mainly at the outcrops of carbon mudstones of Xujiahe formation of Triassic system.The black color and textures of co-seismic gouge are similar to old gouge and bed rock.We excavated trenches along the surface ruptures and collected samples of wall rock，fault breccia，old fault gouge and co-seismic gouge.All samples were analyzed quantitatively by X-ray diffraction.The main rock-formingminerals and clay minerals of co-seismic gouge are similar to old gouge，but their content is different，which shows the co-seismic gouge was formed based on old gouge.

The wall rock and fault breccias adjacent to co-seismic gouge are carbonmudstones.Themineral composition and texture of the fault zone are obviously simpler than thatof the northern partof the surface ruptures of Yinxiu-Beichuan Fault.The major minerals of co-seismic gouge are quartz and clay minerals，containing a few amountof feldspar，without calcite;a small amountof dolomite was found in co-seismic gouge at Shenxigou，and the content of dolomite ismuch lower than that in bed rock and old gouge.Themarked character of new gouge is abundant in clay minerals，and the content of clay minerals decreases in turn from co-seismic gouge to old fault gouge，fault breccia and wall rock.The main clayminerals are illite and illite/smectite(I/S)mixed layer，containing a few amount of chlorite;a few kaolinite was found in co-seismic gouge of Shenxigou，the bed rock and gouge of Bjiaomiao did not contain kaolinite.Mineral characters of co-seismic gouge are different from old gouge.The old gouge contains calcite and dolomite，and the co-seismic gouge contains a few amount of dolomite and without calcite;the old gouge does not contain illite.However，for co-seismic gouge，mineral characters are different between black and white gouges，the content of illite in black gouge is higher than that in white gouge.

In this study，themain clayminerals are I/Smixed layer，illite and chlorite，which is similarwith San Andreas Fault and Chelunpu Fault.However，kaolinite content is extremely low in this fault，only trace kaolinite was found in the co-seismic gouge of Shenxigou.The high content of I/S in co-seismic gouge shows that the rich K+fluid participated in the seismic fault slip.All of these characters show thatminerals of co-seismic fault gouge in this study are somewhat different with that of San Andreas Fault and Chelunpu Fault.

Wenchuan earthquake，co-seismic gouge，X-ray diffraction quantitative analysis，clay mineral

P315.2

A

0253-4967(2012)01-0017-11

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.003

2011-08-25收稿，2011-12-11改回。

國家自然科學(xué)基金(40972146)與中國地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(IGCEA0906)共同資助。

黨嘉祥，男，1981年生，2007年畢業(yè)于中國地震局地質(zhì)研究所，獲得碩士學(xué)位，主要從事巖石流變實驗研究，電話:010-62009030，E-mail:dangjiaxiang@ies.ac.cn。