中地殼斷層帶內(nèi)微裂隙愈合與高壓流體形成條件的模擬實(shí)驗(yàn)研究

韓 亮，周永勝，姚文明

1 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，大陸構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037

1 引 言

2008年5月12日，中國(guó)四川省發(fā)生了汶川MS8.0級(jí)大地震.地質(zhì)和地球物理資料［1－4］、震后地表破裂帶考察［5－13］、地震破裂過程和余震分布［14－19］等研究顯示，汶川地震主震震源深度為13～19km，主震震源區(qū)巖石為與彭灌雜巖巖性類似的花崗質(zhì)巖石，發(fā)震斷層具有右旋走滑分量的高角度逆斷層特征.根據(jù)龍門山地區(qū)的地溫梯度和流變結(jié)構(gòu)［20］推斷，震源深度處于斷層脆塑性轉(zhuǎn)化帶（15～20km）附近.

高角度逆斷層通常難以滑動(dòng)，存在接近或超過靜巖壓力流體壓力［21－23］可以觸發(fā)斷層突然滑動(dòng)，有利于地震成核.對(duì)西阿爾卑斯Sesia地區(qū)的逆沖型韌性剪切帶［24］和猶他州Sevier造山帶中逆斷層［25］中變形石英內(nèi)的流體包裹體的研究，發(fā)現(xiàn)了在脆塑性轉(zhuǎn)化帶附近存在接近靜巖壓力的高壓流體的證據(jù)，認(rèn)為流體的壓力變化、滲透擴(kuò)散及其與圍巖的相互作用與震源深度在中地殼的強(qiáng)震事件緊密聯(lián)系.對(duì)代表地質(zhì)歷史映秀—北川斷裂帶深部變形的雞冠山韌性剪切帶露頭內(nèi)變形花崗巖里流體包裹體研究［26］同樣表明，在接近汶川地震主震震源深度附近的中地殼斷層帶內(nèi)曾存在流體壓力系數(shù)約0.9的高壓流體，因此研究中地殼斷層帶的裂隙愈合機(jī)制對(duì)于理解高壓流體的形成條件，解釋高角度逆斷層滑動(dòng)和汶川地震的強(qiáng)震孕育機(jī)理具有重要意義.

斷層帶不同的變形域（不同深度），其斷層愈合的機(jī)制有所差別，對(duì)斷層帶構(gòu)造巖研究表明，中地殼深度條件下的斷層帶愈合主要通過水巖反應(yīng)、石英重結(jié)晶作用、壓溶—沉淀作用［22－23，27－30］實(shí)現(xiàn).然而經(jīng)過長(zhǎng)期地質(zhì)演化，深部斷層帶不同階段的愈合機(jī)制可能出現(xiàn)疊加，難以直接觀察斷層的愈合細(xì)節(jié)，因此，微裂隙愈合的模擬實(shí)驗(yàn)是研究斷層帶愈合機(jī)制的重要手段之一.Trepmann等［31］利用改進(jìn)型Griggs型固體介質(zhì)高溫高三軸變形設(shè)備，在接近自然條件下開展了非穩(wěn)態(tài)變形條件下石英微裂隙愈合實(shí)驗(yàn)，揭示了動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用和靜態(tài)重結(jié)晶作用能夠愈合地震復(fù)發(fā)周期不同階段形成的裂隙，并找到了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)重結(jié)晶作用愈合裂隙的地質(zhì)證據(jù).然而在同震破裂和震后破裂愈合過程中，斷層帶內(nèi)流體含量會(huì)發(fā)生變化，這一因素對(duì)斷層帶愈合的影響以及高壓流體的形成條件與過程并不清楚.本文采用含水和烘干的樣品，在塑性變形條件下開展了微裂隙愈合的模擬實(shí)驗(yàn)，研究微裂隙愈合機(jī)制以及水對(duì)微裂隙愈合速度的影響，探索中地殼斷層帶內(nèi)高壓流體的形成條件.

2 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研制的Griggs型3GPa熔融鹽固體介質(zhì)三軸高溫高壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，圍壓和軸壓加載系統(tǒng)通過液壓伺服油缸控制加載，實(shí)驗(yàn)儀器控制和數(shù)據(jù)采集通過自主開發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)控制軟件不僅能夠?qū)崟r(shí)顯示并記錄實(shí)驗(yàn)位移、壓力和溫度信息，而且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)中位移控制方式和應(yīng)力控制方式的平穩(wěn)切換.溫度控制系統(tǒng)采用 Yamatake－Honeywell DCP－30型控溫儀，控制精度為0.1%.實(shí)驗(yàn)前后通過氣墊底座方便的移動(dòng)壓力容器，實(shí)驗(yàn)中使用水冷系統(tǒng)對(duì)壓力容器外部降溫.在設(shè)備投入使用前進(jìn)行了系統(tǒng)的圍壓和溫度標(biāo)定研究［32－33］.

實(shí)驗(yàn)設(shè)備與壓力容器的裝樣方式參見“熔融鹽固體介質(zhì)高溫高壓三軸壓力容器的溫度標(biāo)定”［32－33］一文，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)中的技術(shù)積累，再次對(duì)裝樣方式進(jìn)行了多處關(guān)鍵修改（圖1），一方面增加石墨帽高度充填附近的空隙，另一方面將樣品底部的帶孔碳化鎢修改為三部分（圖中的外部帶孔碳化鎢壓柱、中間空心鋁套和下部碳化鎢壓柱），提高了裝樣的密封性，減少了熱電偶在實(shí)驗(yàn)中脫落和壓斷的幾率.

實(shí)驗(yàn)樣品為圓柱形（尺寸Ф3mm×6mm），根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求可以把樣品密封于金套、鎳套或葉蠟石套中，使用低共熔點(diǎn)的KCl／LiCl混合鹽套包裹樣品，以降低系統(tǒng)摩擦力和樣品周圍的壓力梯度.實(shí)驗(yàn)中采用兩根K型熱電偶（NiCr－NiSi）平行于樣品放置在內(nèi)葉蠟石套C內(nèi)，位于樣品外側(cè)相對(duì)于樣品中心的上1／3和下1／3位置.其中上1／3位置的熱電偶的測(cè)量溫度作為反饋信號(hào)，用來控制自動(dòng)加溫系統(tǒng)，溫度加載速率2℃／min.實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力加載速率0.5MPa／s或0.001mm／s，通過軸壓桿擠壓上剛玉柱A來實(shí)現(xiàn)樣品軸壓加載.在實(shí)驗(yàn)圍壓加載階段，軸壓桿與上剛玉柱接觸后，通過保持軸壓活塞位移不變，繼續(xù)加載圍壓，通過鉛墊被動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)軸壓被動(dòng)加載，在樣品周圍產(chǎn)生接近靜巖壓力的條件.

圖1 裝樣結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sample assembly

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)樣品為Carrara大理巖，其主要礦物方解石的溶解度隨溫度的升高而減?。?4］，在600℃的實(shí)驗(yàn)條件下即可發(fā)生位錯(cuò)蠕變［35］，熱電偶在相對(duì)較低的實(shí)驗(yàn)溫度下工作壽命更長(zhǎng)，能夠保持足夠的愈合時(shí)間，有利于觀察到微裂隙的愈合細(xì)節(jié).

實(shí)驗(yàn)前采用三種方法準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)樣品，嘗試模擬不同的流體環(huán)境：（1）用純凈水浸泡樣品約120h，增加樣品中孔隙水含量，采用0.05mm厚鎳箔包裹樣品，模擬水含量高的封閉流體環(huán)境；（2）在200℃下烘干樣品約24h，采用0.05mm厚的鎳箔包裹，在實(shí)驗(yàn)前快速裝樣，盡量減少空氣中水的吸附，模擬水含量最低的封閉流體環(huán)境；（3）樣品未經(jīng)鎳箔包裹密封，直接采用未脫水的葉蠟石套包裹，在加溫過程中葉臘石能夠脫水，模擬一個(gè)水含量高且開放的流體環(huán)境.實(shí)驗(yàn)后的樣品制備成雙面剖光的FTIR片，利用傅里葉變換紅外吸收光譜儀（FTIR）測(cè)試樣品的水含量，確認(rèn)樣品在實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)際水含量.

實(shí)驗(yàn)分為三種類型：A類實(shí)驗(yàn)采用被動(dòng)方式加載軸壓（接近靜巖壓力條件），在視在圍壓300MPa和室溫的條件下，以1.6×10－5的應(yīng)變速率壓碎樣品，模擬斷層帶在同震過程中產(chǎn)生的脆性破裂；A＋B類實(shí)驗(yàn)在A類實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上繼續(xù)加載視在圍壓至800MPa，加溫樣品至600℃后，以10－6s－1的應(yīng)變速率長(zhǎng)時(shí)間緩慢加載樣品，模擬震后快速蠕變時(shí)期塑性變形機(jī)制愈合斷層帶裂縫；A＋B＋C類實(shí)驗(yàn)在A＋B類實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)樣品屈服（應(yīng)力－位移曲線完全走平，約48h）后，以10－2s－1的應(yīng)變速率后退軸壓活塞，通過快速卸載樣品來模擬一個(gè)擴(kuò)容過程，再以與B階段相同的應(yīng)變速率重新加載樣品.如果樣品中微裂隙的愈合程度低，未完全愈合的微裂隙在快速卸載過程中將會(huì)擴(kuò)展，重新加載可能會(huì)導(dǎo)致樣品沿微裂隙發(fā)生破裂，從而在應(yīng)力－位移曲線上出現(xiàn)明顯的應(yīng)力降.如果樣品中微裂隙的愈合程度高，在重新加載過程中樣品可能不會(huì)出現(xiàn)破裂與應(yīng)力降.

實(shí)驗(yàn)樣品的顯微結(jié)構(gòu)是確定愈合機(jī)制和比較微裂隙愈合程度的直接證據(jù)，為了保留愈合過程中的顯微結(jié)構(gòu)，減少卸樣產(chǎn)生的后期變形，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)快速關(guān)閉加溫系統(tǒng)同時(shí)迅速降低軸壓至相對(duì)靜壓條件，再以相同應(yīng)力缷載速率同時(shí)降低圍壓和軸壓.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文給出四個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中A類實(shí)驗(yàn)S10－29樣品未經(jīng)烘干和浸泡處理，A＋B類實(shí)驗(yàn)S10－42樣品采用未烘干葉臘石包裹，實(shí)驗(yàn)A＋B＋C類S10－45樣品經(jīng)烘干處理后用鎳箔密封，A＋B＋C類實(shí)驗(yàn)S10－48樣品采用純凈水浸泡后用鎳箔密封.實(shí)驗(yàn)類型、樣品水含量和加載條件等信息列于表1.

3.1 實(shí)驗(yàn)力學(xué)數(shù)據(jù)

為了便于對(duì)比，首先進(jìn)行了簡(jiǎn)單加載條件下的A類實(shí)驗(yàn)S10－29.未經(jīng)摩擦力校正的應(yīng)力－位移曲線如圖2a所示，其中，曲線AB段為克服靜摩擦力過程，B點(diǎn)為最大靜摩擦力；曲線CD段為軸壓桿擠出軟介質(zhì)（鉛和鹽）并與上剛玉柱A（見圖1）接觸過程；曲線DE段為樣品彈性變形階段；曲線EF段為樣品發(fā)生脆性變形階段，直到發(fā)生脆性破裂.

經(jīng)過軸壓摩擦力校正和面積校正后的A＋B類實(shí)驗(yàn)S10－42的力學(xué)曲線（見圖2b）給出含水較多的樣品在實(shí)驗(yàn)B階段內(nèi)的力學(xué)特征，表現(xiàn)為從硬化逐漸向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，同時(shí)曲線出現(xiàn)一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，這代表了樣品內(nèi)出現(xiàn)一次微破裂.

經(jīng)過軸壓摩擦力校正和面積校正后的A＋B＋C類實(shí)驗(yàn)S10－45的力學(xué)曲線（見圖2c）給出了含水較少的樣品在實(shí)驗(yàn)B和C階段內(nèi)樣品的力學(xué)特征.在B階段實(shí)驗(yàn)過程中，樣品的力學(xué)特征表現(xiàn)為先硬化后軟化；在C階段實(shí)驗(yàn)過程中，樣品重新加載后發(fā)生了一次微破裂，應(yīng)力－位移曲線上表現(xiàn)為約40MPa的應(yīng)力降，隨著應(yīng)變的增加，樣品的力學(xué)特征表現(xiàn)為持續(xù)的軟化.

表1 實(shí)驗(yàn)加載條件Table 1 Loading conditions of experiments

圖2 實(shí)驗(yàn)的力學(xué)曲線Fig.2 Stress－strain curves of the experiments

經(jīng)過軸壓摩擦力校正和面積校正后的A＋B＋C類實(shí)驗(yàn)S10－48力學(xué)曲線（見圖2d）給出了含水較多的樣品在實(shí)驗(yàn)B和C階段內(nèi)樣品的力學(xué)特征.在B階段實(shí)驗(yàn)過程中，樣品的力學(xué)特征以硬化為主，并逐漸向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，樣品發(fā)生了一次較大的微破裂（約40MPa），應(yīng)力－應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為明顯的應(yīng)力降；在C階段實(shí)驗(yàn)過程中，樣品重新加載后出現(xiàn)了一次微弱的微破裂事件，隨著應(yīng)變的增加，樣品的力學(xué)特征表現(xiàn)為持續(xù)的軟化.

3.2 樣品的顯微結(jié)構(gòu)

圖3 原巖樣品的顯微結(jié)構(gòu)（a）正交偏光下原巖（Carrara大理巖）的顯微照片，結(jié)構(gòu)均勻；（b）在掃面電鏡的BSE模式下，顆粒邊界接觸緊密，顆粒粒度約60～100μm；（c）顆粒邊界和三聯(lián)點(diǎn)上分布著孔隙；（d）在掃面電鏡的SE模式下，平整的方解石顆粒表面存在溶蝕坑和雙晶線；（e）測(cè)點(diǎn)e得到的能譜成分；（f）測(cè)點(diǎn)f得到的能譜成分.圖中黑色箭頭所指位置為顆粒邊界孔隙，白色箭頭所指位置為雙晶線.Fig.3 Microstructure of the starting rock sample（a）Micrograph of original sample （Carrara marble）under polarized light showing a uniform structure；（b）Image produced using backscatter electron mode shows a compacting grain contact.Grain size is from 60to 100μm；（c）Pores developed in the grain boundaries and triple junction；（d）Pits and twin lines developed on the smooth surfaces of calcite grains using secondary electron imaging；（e）The composition of the spectrum obtained by the measuring point e；（f）The composition of the spectrum obtained by the measuring point f.In the figure，the positions marked by black arrows are pores along grain boundaries，and the ones marked by white arrows are twin lines.

實(shí)驗(yàn)原始樣品Carrara大理巖結(jié)構(gòu)均勻，無各向異性，雙晶發(fā)育（圖3a）.方解石顆粒粒度范圍約60～100μm（圖3b），顆粒間緊密接觸，顆粒邊界較為平直.在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Hitachi H－8100型高分辨率掃描電子顯微鏡下，對(duì)經(jīng)過噴金（Au）處理的實(shí)驗(yàn)初始樣品和變形樣品進(jìn)行了分析.在BSE模式下，實(shí)驗(yàn)初始樣品顆粒邊界和三聯(lián)點(diǎn)部位存在孤立分布的微小孔隙（圖3c）；在掃描電鏡的SE模式下，顆粒表面非常平整，雙晶線（圖3d）清晰可見，顆粒表面存在一些較小的溶蝕坑和凸起物，這可能是天然樣品在地質(zhì)流體作用下出現(xiàn)的局部溶蝕和沉淀現(xiàn)象.能譜分析結(jié)果顯示（圖3（e，f）），大理巖的化學(xué)成分以CaCO3為主，含有少量的Mg元素，而圖像中黑色的部分包含了少量的Na元素，礦物的成分差異造成掃描電鏡下灰度的顯著差異.

A類實(shí)驗(yàn)S10－29樣品整體上發(fā)生破碎，礦物粒度大幅降低，產(chǎn)生了貫通樣品對(duì)角的主破裂面，破裂面與最大主應(yīng)力夾角約30°，礦物顆粒呈現(xiàn)菱形和尖角狀，極細(xì)粒的碎屑基質(zhì)分布在破裂面和破裂殘留的大顆粒間（圖4）.

圖4 A類實(shí)驗(yàn)S10－29樣品的顯微結(jié)構(gòu)正交偏光下主破裂面附近的顯微結(jié)構(gòu).圖中垂直方向?yàn)檩S壓方向，水平方向?yàn)閲鷫悍较?Fig.4 Microstructure of sample S10－29 after A type experimentThe microstructure around the major fracture surface was taken under polarized light.In the photo，the confining pressure is applied in the horizontal direction，and shortening compressive stress is in the vertical direction.

A＋B類實(shí)驗(yàn)S10－42樣品軸向壓縮形成鼓型（圖5a），在偏光顯微鏡下，樣品整體碎裂，礦物粒度非常低，仍能識(shí)別出共軛破裂面.在掃描電鏡BSE模式下，一系列線狀的破裂面被灰度呈現(xiàn)白色的礦物所部分充填（圖5b）.樣品整體碎裂細(xì)?；▓D5c），導(dǎo)致樣品中出現(xiàn)大量孔隙和裂隙.局部放大圖（圖5d）表明，礦物之間存在大量微裂隙與孔隙，白色部分的礦物呈現(xiàn)團(tuán)塊狀和薄膜狀出現(xiàn)在破碎嚴(yán)重的位置，是新產(chǎn)生的礦物.能譜分析（圖5（e，f））表明，白色部分礦物成分與周圍礦物和原巖礦物成分一致，這說明圖像中的襯度不同是由礦物內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化造成.由于本實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷了B階段差應(yīng)力條件下的塑性變形，顯然這是動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用生成的新礦物.那些局部出現(xiàn)的灰白色薄膜狀或團(tuán)塊狀新礦物就是動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用的產(chǎn)物，在局部愈合了微裂縫.

A＋B＋C類實(shí)驗(yàn)S10－45樣品在軸向壓縮過程中形成餅型（圖6a），在偏光顯微鏡下，礦物粒度顯著變細(xì)，發(fā)生了糜棱巖化，從樣品中心向樣品兩端產(chǎn)生了近似水平流動(dòng)組構(gòu).在掃描電鏡的BSE模式下，樣品內(nèi)存在大量未愈合的孔隙（圖6b）和主要分布在顆粒邊界附近的線狀裂隙（圖6c）.穿晶裂隙被完全愈合，接近于原巖的灰度；孔隙也因?yàn)椴粩嘤隙s小，在周圍形成灰白色新礦物（圖6c），出現(xiàn)在被愈合縮小的孔隙周圍呈現(xiàn)白色，而孔隙為黑色（圖6d）.能譜分析表明（圖6（e，f）），兩個(gè)位置的礦物成分與周圍巖和原巖一致，這說明灰白色部分礦物的內(nèi)部晶體發(fā)生塑性變形與周圍礦物的晶體結(jié)構(gòu)接近，而白色部分礦物是動(dòng)態(tài)重結(jié)晶正在生長(zhǎng)的新礦物.顯然，通過動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用，大部分裂隙和孔隙被愈合了.

A＋B＋C類實(shí)驗(yàn)S10－48樣品在軸向壓縮中形成了餅型（圖7a），在偏光顯微鏡下，粒度顯著降低，具有糜棱巖的結(jié)構(gòu)特征.在掃描電鏡BSE模式下，基本沒有發(fā)現(xiàn)微裂隙，主要存在一些尺寸較小的孔隙（圖7b），白色部分礦物分布范圍很小，只存在孔隙周圍很小的范圍內(nèi)（圖7c）.在局部放大的圖中，沒有任何裂隙，礦物顆粒接觸緊密，顆粒邊界只存在類似于原巖孤立分布的孔隙（圖7d）.能譜分析同樣表明，孔隙周圍白色、灰白色部分和周圍礦物及原巖的成分相同.顯然，通過動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用，幾乎所有裂隙和大部分孔隙被愈合了.

上述掃描電鏡分析結(jié)果表明，經(jīng)歷C階段的實(shí)驗(yàn)（樣品S10－45和S10－48），樣品內(nèi)的微裂隙與孔隙比B階段（樣品S10－42）明顯減少，說明C階段變形對(duì)裂隙的愈合作用顯著.其中含水樣品（樣品S10－48）比干樣品（樣品S10－45）的裂縫和孔隙更少，顯示水加速了愈合作用.

4 實(shí)驗(yàn)樣品的水含量

圖5 A＋B類實(shí)驗(yàn)S10－42樣品的顯微結(jié)構(gòu)（a）正交偏光下實(shí)驗(yàn)樣品的顯微照片，細(xì)?；臉悠穬?nèi)存在一系列共軛破裂（白色虛線）；（b）在掃描電鏡的BSE模式下，破裂面（白色虛線）被呈白色的新顆粒部分愈合；（c）樣品表現(xiàn)為碎裂變形的結(jié)構(gòu)特征，礦物間存在大量微裂隙與孔隙；（d）照片（c）的局部放大圖，礦物的表面凸凹不平，局部出現(xiàn)的灰白色薄膜狀或團(tuán)塊狀新礦物愈合了微裂縫；（e）測(cè)點(diǎn)e得到的能譜成分；（f）測(cè)點(diǎn)f得到的能譜成分.圖中垂直方向?yàn)檩S壓方向，水平方向?yàn)閲鷫簯?yīng)力方向.Fig.5 Microstructures of sample S10－42after A＋B type experiment（a）Micrograph of the sample taken under polarized light.A series of conjugate fractures developed in the fine－grained sample marked by dashed lines；（b）Backscattered electron image showing that some fractures marked by dashed lines were partly healed by white－colored new grains；（c）The sample were crushed by cataclastic deformation，forming large number of micro－cracks and pores；（d）Magnified area of the image（c）showing rough grain surfaces and some micro－cracks healed by white－colored grains；（e）The composition of the sample at point e measured by EDS；（f）The composition of the sample at point f measured by EDS.In the photo，confining pressure is in the horizontal direction，and shortening compressive stress is in the vertical direction.

用地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的傅里葉變換紅外吸收光譜儀（Bruker Vertex－70v）和Hyperio紅外顯微鏡，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品和原巖樣品進(jìn)行了水含量測(cè)試.測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)樣品和原巖樣品的紅外吸收光譜特征非常相近（圖8），最高吸收峰出現(xiàn)在2800～2900cm－1附近，波數(shù)3200cm－1和3600cm－1附近出現(xiàn)小的吸收尖峰主，在3400cm－1附近吸收峰不明顯.根據(jù) H 的分峰標(biāo)準(zhǔn)［36－55］，波數(shù)3600cm－1附近的吸收峰為顆粒邊界型液態(tài)水；波數(shù)3200cm－1附近的吸收峰可能為顆粒邊界冰型水或晶體缺陷OH，這幾種類型的水在實(shí)驗(yàn)前后變化不大.波數(shù)2800～2900cm－1的吸收峰代表了孔隙水，由于實(shí)驗(yàn)后樣品薄片進(jìn)行了烘干，測(cè)得的孔隙水代表了樣品內(nèi)部封閉孔隙和愈合裂隙中賦存的自由水.

計(jì)算水含量時(shí)，采用Paterson方法［56］，在2700～3800cm－1之間進(jìn)行計(jì)算.在進(jìn)行水含量測(cè)試前，所有實(shí)驗(yàn)后樣品和原巖在恒溫150℃下烘干12h，去除樣品表面的吸附水和磨片過程中浸入的孔隙水，獲得高溫高壓條件下低孔隙樣品的水含量.4次實(shí)驗(yàn)后樣品的水含量（表2，圖9）分別為：S10－42：0.12～0.14wt%H2O；S10－45：0.06～0.08wt%H2O；S10－48：0.12～0.15wt%H2O；原巖：0.10～0.12wt%H2O.從以上數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)前烘干的樣品水含量最低，其余樣品的水含量相差不大.

圖6 A＋B＋C類實(shí)驗(yàn)S10－45樣品的顯微結(jié)構(gòu)（a）實(shí)驗(yàn)樣品在正交偏光下的顯微照片，應(yīng)變約62%，發(fā)育了水平方向的流動(dòng)組構(gòu)；（b）在掃描電鏡的BSE模式下，樣品內(nèi)存在大量孔隙；（c）部分愈合的微裂隙主要存在于顆粒邊界；（d）照片（c）局部放大圖顯示充分愈合穿晶裂隙的礦物呈灰色，新生成的礦物呈白色；（e）測(cè)點(diǎn)e得到的能譜成分；（f）測(cè)點(diǎn)f得到的能譜成分.圖中垂直方向?yàn)檩S壓方向，水平方向?yàn)閲鷫簯?yīng)力方向.Fig.6 Microstructures of sample S10－45after A＋B＋C type experiment（a）Micrograph of the sample taken under polarized light.The strain is about 62%and structures of horizontal flow developed in the sample；（b）Backscattered electron image showing porous structure；（c）Most of the partly－h(huán)ealed microcracks lie around grain boundaries；（d）Magnified area of image（c）showing the grains which fully healed transgranular microcracks in gray color，and the new growing grains in white color；（e）The composition of the sample at point e measured by EDS；（f）The composition of the sample at point f measured by EDS.In the photo，confining pressure is in the horizontal direction，and shortening compressive stress is in the vertical direction.

實(shí)驗(yàn)樣品和原巖樣品的水含量測(cè)試表明，實(shí)驗(yàn)前烘干的樣品水含量最低，實(shí)驗(yàn)S10－42和S10－48樣品的水含量略高，根據(jù)Rybacki等［57］給出的實(shí)驗(yàn)中“干”和“濕”的水含量標(biāo)準(zhǔn)0.05wt%H2O判斷，所有實(shí)驗(yàn)樣品都是“濕”的.存在深部高壓流體的中地殼斷層帶內(nèi)都存在流體和水巖反應(yīng)［24－26］，推斷其處于“濕”的條件下，因此在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用不同水含量的“濕”樣品用來模擬自然條件下水對(duì)斷層帶裂隙愈合的影響是合理的.

表2 利用FTIR測(cè)試獲得的原巖和實(shí)驗(yàn)樣品的水含量Table 2 Water content of the original sample and samples after deformation measured using FTIR

圖7 A＋B＋C類實(shí)驗(yàn)S10－48樣品的顯微結(jié)構(gòu)（a）實(shí)驗(yàn)樣品在正交偏光下的顯微照片，應(yīng)變約55%；（b）在掃描電鏡的BSE模式下，樣品內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的破裂面；（c）樣品內(nèi)未見微裂隙，只存在少量孔隙；（d）圖像（c）局部放大圖像顯示礦物顆粒邊界緊密連接；（e）測(cè)點(diǎn)e得到的能譜成分；（f）測(cè)點(diǎn)f得到的能譜成分.圖中垂直方向?yàn)檩S壓方向，水平方向?yàn)閲鷫簯?yīng)力方向.Fig.7 Microstructures of sample S10－48after A＋B＋C type experiment（a）Micrograph of the sample taken under polarized light.The total strain is about 55%；（b）Backscattered electron image showing no significant fractures in the sample；（c）Few pores exist in the sample，and there are no microcracks；（d）Magnified area of image（c）showing close contact between grains；（e）The composition of the sample at point e measured by EDS，（f）The composition of the sample at point f measured by EDS.In the photo，confining pressure is in the horizontal direction，and shortening compressive stress is in the vertical direction.

5 討 論

5.1 實(shí)驗(yàn)樣品在不同類型實(shí)驗(yàn)中的變形機(jī)制

A類實(shí)驗(yàn)處于較快的應(yīng)變速率和室溫條件下，實(shí)驗(yàn)后樣品（S10－29）的顯微結(jié)構(gòu)（圖4）顯示，樣品內(nèi)礦物整體破碎，細(xì)粒化的礦物顆粒呈棱角狀，并產(chǎn)生了破裂面，此外，A＋B類實(shí)驗(yàn)后樣品內(nèi)仍能識(shí)別出共軛破裂面的痕跡，雖然A類實(shí)驗(yàn)力學(xué)曲線（圖2a）并未出現(xiàn)應(yīng)力降，但上述證據(jù)都表明，實(shí)驗(yàn)A階段內(nèi)樣品的變形機(jī)制以脆性變形為主.

A＋B類實(shí)驗(yàn)的B階段處于發(fā)生塑性變形的條件下，實(shí)驗(yàn)后樣品（S10－42）的顯微結(jié)構(gòu)（圖5）顯示，樣品內(nèi)礦物的粒度進(jìn)一步降低，礦物顆粒內(nèi)出現(xiàn)了波狀消光，樣品包含大量的微裂隙和孔隙，部分被動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的新生礦物充填愈合.實(shí)驗(yàn)B階段的力學(xué)曲線（圖2b）前半段表現(xiàn)為硬化特征，這指示了樣品內(nèi)發(fā)生了礦物粒度的降低，由于經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)A階段的樣品內(nèi)存在大量微裂隙和破裂面，礦物的變形以機(jī)械破碎為主，同時(shí)伴隨著礦物晶體的塑性變形，因此變形機(jī)制以碎裂變形為主.實(shí)驗(yàn)B階段力學(xué)曲線（圖2b）的后半段表現(xiàn)為逐漸向穩(wěn)態(tài)過渡，這指示了樣品內(nèi)礦物顆粒的生長(zhǎng)（動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用的生長(zhǎng)階段）和顆粒細(xì)?；C(jī)械破碎或亞顆?；┲饾u向平顆粒開始重結(jié)晶生長(zhǎng)愈合微裂隙，因而實(shí)驗(yàn)C階段后期的應(yīng)力－應(yīng)變曲線（圖2c）表現(xiàn)為持續(xù)的軟化.在含水較多的樣品（S10－48）內(nèi)，整個(gè)樣品充分愈合并形成顆粒表面平整的緊密結(jié)構(gòu)，這說明該樣品在實(shí)

驗(yàn)B階段過程中愈合程度較高，樣品的應(yīng)力－應(yīng)變曲線（圖2d）逐漸表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)，而快速卸載軸壓對(duì)樣品的影響很小，重新加載樣品后未出現(xiàn)明顯的微破裂，重新加載的應(yīng)力－應(yīng)變曲線初期仍表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài).隨著應(yīng)變的增加，含水較多的樣品（S10－48）頂部和底部都出現(xiàn)了一些粒度較大的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶顆粒，這能夠解釋該次實(shí)驗(yàn)C階段的力學(xué)曲線（圖2d）從穩(wěn)態(tài)向弱化的轉(zhuǎn)變.

圖8 實(shí)驗(yàn)樣品薄片厚度歸一化后的紅外吸收光譜Fig.8 Absorbance spectra normalized by thickness of thin sections

圖9 原巖和實(shí)驗(yàn)后樣品的水含量對(duì)比Fig.9 Comparison of water content between the original sample and the samples after deformation

5.2 水和應(yīng)變促進(jìn)了孔隙和裂隙的愈合

對(duì)比含水較少樣品的實(shí)驗(yàn)S10－45和含水較多樣品的實(shí)驗(yàn)S10－48的力學(xué)曲線（圖2（c，d））發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)C階段過程中，實(shí)驗(yàn)S10－45樣品出現(xiàn)了約40MPa的應(yīng)力降，這代表樣品內(nèi)部發(fā)生破裂，而實(shí)驗(yàn)S10－48樣品只出現(xiàn)了一次很微弱的應(yīng)力降.兩次實(shí)驗(yàn)條件相似，這表明含水較多的樣品內(nèi)未愈合的微裂隙相比含水較少樣品更少，經(jīng)過軸壓快速卸載模擬的擴(kuò)容作用后，樣品內(nèi)主破裂面和微裂隙可能未發(fā)生顯著的擴(kuò)展，這指示了水促進(jìn)了礦物的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用，加速了微裂隙的愈合.

對(duì)比含水較多的實(shí)驗(yàn)S10－48樣品和含水較少的實(shí)驗(yàn)S10－45樣品的顯微結(jié)構(gòu)（圖6，7）發(fā)現(xiàn)，含水較多樣品內(nèi)動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的礦物顆粒緊密接觸，顆粒表面平整，與原巖的緊密結(jié)構(gòu)類似，而含水較少樣品內(nèi)仍存在大量未愈合的微裂隙，這些顯微結(jié)構(gòu)的證據(jù)同樣證明水促進(jìn)了礦物的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用，加速了微裂隙的愈合.

對(duì)比樣品應(yīng)變不同而水含量近似的實(shí)驗(yàn)S10－48樣品和S10－42樣品的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)（圖5，7），大應(yīng)變的樣品內(nèi)礦物顆粒粒度雖然沒有明顯區(qū)別，但顆粒間的接觸更為緊密，一些礦物的顆粒邊界甚至難以識(shí)別.對(duì)比含水較少的實(shí)驗(yàn)S10－45樣品的顯微結(jié)構(gòu)（圖6），雖然因樣品含水少，水對(duì)裂隙愈合作用不充分，但樣品內(nèi)的裂隙和孔隙尺寸也顯著小于S10－42樣品，這表明大的應(yīng)變（強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用）能夠促進(jìn)了微裂隙的愈合，有效減少孔隙和裂隙尺寸.

因此，在含水或大應(yīng)變條件下，能夠促進(jìn)礦物的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用，有效地愈合了微裂隙與孔隙，這應(yīng)該是中地殼斷層帶內(nèi)裂隙愈合與高壓流體形成的機(jī)制之一.

5.3 脆塑性轉(zhuǎn)化帶內(nèi)斷層的愈合機(jī)制

對(duì)斷層帶構(gòu)造巖研究表明，斷層帶不同的變形域（不同深度），斷層愈合的機(jī)制有差別.地震后，脆性域的斷層及其周圍巖石裂隙張開，地震前積累的高流體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殪o水壓，隨著流體高壓消失，流體向上排出，原先溶解于高壓流體中的礦物質(zhì)（巖鹽、方解石、石英等）在裂隙中析出結(jié)晶，形成脈體，愈合了斷層帶中 的 裂 隙［21－23，27，58－60］；而 在 脆 塑 性 轉(zhuǎn) 化 域，斷層帶中的碎裂的長(zhǎng)石發(fā)生水解反應(yīng)，生成的含水礦物綠泥石、綠簾石、云母等逐漸愈合了斷層［25，27－28，58，60］.在塑性變形域，斷層帶愈合主要通過變形引起石英的壓溶、沉淀作用、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)重結(jié)晶作用［22－23，27－31，61－63］實(shí)現(xiàn).上述的斷層愈合機(jī)制分類只強(qiáng)調(diào)了空間上的不同，但忽視了時(shí)間上的差別.在地震循環(huán)的周期中，脆塑性轉(zhuǎn)化帶內(nèi)斷層的應(yīng)變速率和滲透率會(huì)發(fā)生變化［61－63］，這可能會(huì)引起斷層愈合的主要機(jī)制的改變.

本文采用大理巖樣品開展的裂隙愈合實(shí)驗(yàn)表明，方解石的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用能夠愈合微裂隙和孔隙，這種機(jī)制有利于高壓流體的形成.在脆塑性轉(zhuǎn)化帶附近，石英能夠發(fā)生動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用，這與方解石的變形機(jī)制相似.在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，Carrara大理巖在600℃的溫度下即可發(fā)生動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用［35］，較低溫度需要較長(zhǎng)愈合時(shí)間.此外，在600℃的實(shí)驗(yàn)溫度下，方解石的溶解度很低，不易發(fā)生壓溶蠕變［34］，有利于研究水對(duì)單一動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用的影響.如果直接采用石英作為實(shí)驗(yàn)樣品，實(shí)驗(yàn)需要更高的溫度和更長(zhǎng)的時(shí)間，而且石英動(dòng)態(tài)重結(jié)晶對(duì)微裂隙愈合沒有方解石顯著.綜上所述，大理巖樣品在本文開展的實(shí)驗(yàn)中屬于相似材料，研究水和應(yīng)變對(duì)方解石的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用的影響，目的在于來推斷脆塑性轉(zhuǎn)化帶內(nèi)石英的愈合作用.

在實(shí)驗(yàn)室的條件下，礦物內(nèi)裂隙和孔隙尺寸微小，它們的愈合具有充足的物質(zhì)來源.在野外斷層帶中，裂隙尺寸較大，裂縫愈合比較緩慢，破碎的斷層帶內(nèi)存在流體－巖石相互作用，加速了物質(zhì)成分的遷移與擴(kuò)散，流體攜帶的大量容易溶解的礦物，容易在裂隙（流體運(yùn)移通道）周圍發(fā)生沉淀，而流體本身又能夠促進(jìn)沉淀礦物發(fā)生壓溶或動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用，這種綜合作用可以加速斷層帶內(nèi)裂隙愈合.在脆塑性轉(zhuǎn)化帶中，滿足上述條件的理想礦物是石英，能夠引起震后裂縫被不斷愈合.在龍門山地區(qū)的映秀—北川斷裂帶南段雞冠山附近出露的韌性剪切帶露頭，找到以動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用變形的石英脈充填愈合了脆性裂縫，這可能指示了溶解在流體中的石英在沉淀和動(dòng)態(tài)重結(jié)晶共同的作用下逐步愈合了斷層帶內(nèi)的脆性裂縫（圖10）.

圖10 雞冠山韌性剪切帶內(nèi)存在裂縫愈合現(xiàn)象的剖面（a）花崗片麻巖中脆性裂縫被石英脈愈合；（b）在正交偏光下，石英脈內(nèi)的石英顆粒表現(xiàn)為膨突方式動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的變形特征.Fig.10 The profile in Jiguanshan ductile shear zone showing crack healing（a）The crack in granitic gneiss healed by quartz veins；（b）Quartz in the horizontal veins deformed by dynamic recrystallization.

當(dāng)強(qiáng)震發(fā)生后，震后滑動(dòng)使得脆塑性轉(zhuǎn)化帶底部處于高強(qiáng)度和高應(yīng)變速率狀態(tài)［64－66］，能夠發(fā)生脆性破裂，斷層帶滲透率增加.在震后快速蠕變時(shí)期，斷層帶內(nèi)裂縫存在流體活動(dòng)，這對(duì)應(yīng)著本文實(shí)驗(yàn)中的含水條件，而較高的應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)著本文實(shí)驗(yàn)中的較大應(yīng)變條件，這兩種條件都能促進(jìn)石英的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用，使其成為主導(dǎo)的愈合機(jī)制.此外，在動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用愈合斷層裂隙的過程中，斷層核部積累的應(yīng)變比斷層邊緣更大，更加有利于高壓流體的形成.本文的實(shí)驗(yàn)表明，動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用可能成為震后快速蠕變時(shí)期脆塑性轉(zhuǎn)化帶內(nèi)斷層愈合的主要機(jī)制，斷層核部相比斷層邊緣更有利于形成高壓流體.在間震期，脆塑性轉(zhuǎn)化帶的斷層強(qiáng)度和應(yīng)變速率恢復(fù)到較低水平，壓溶作用［67－70］和靜態(tài)重結(jié)晶作用［31］相比動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用更易發(fā)生，可能成為該時(shí)期斷層愈合的主要機(jī)制.

6 結(jié) 論

為了研究中地殼斷層帶內(nèi)存在的接近靜巖壓力的高壓流體的形成機(jī)制和有利條件，本文采用Carrara大理巖樣品開展了脆塑性轉(zhuǎn)化－塑性變形條件下微裂隙愈合的高溫高壓模擬實(shí)驗(yàn)，討論脆塑性轉(zhuǎn)化帶內(nèi)裂隙的愈合作用，取得如下主要結(jié)論：

（1）實(shí)驗(yàn)樣品在A類實(shí)驗(yàn)中發(fā)生脆性破裂，形成以破裂面為中心的破壞帶；實(shí)驗(yàn)樣品在A＋B類實(shí)驗(yàn)的B階段以碎裂變形為主，樣品整體破碎，包含大量孔隙和微裂隙，細(xì)粒礦物發(fā)生動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用；實(shí)驗(yàn)樣品在A＋B＋C類實(shí)驗(yàn)的C階段以塑性變形為主，形成糜棱組構(gòu)，包含少量微裂隙和孔隙，顆粒接觸緊密，發(fā)生重結(jié)晶生長(zhǎng).

（2）通過動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用，大量在脆性變形階段形成的裂隙與孔隙被全部或部分愈合的事實(shí)表明，動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用是斷層帶微裂隙和孔隙愈合的重要機(jī)制之一，這種愈合作用有利于斷層深部高壓流體形成.

（3）含水多的實(shí)驗(yàn)樣品內(nèi)微裂隙和孔隙的愈合程度顯著高于含水少的實(shí)驗(yàn)樣品，這表明水能夠促進(jìn)礦物的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用，從而加快微裂隙的愈合速度.

（4）較大應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)樣品內(nèi)微裂隙和孔隙的愈合程度顯著高于小應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)樣品，這表明較大的應(yīng)變有利于動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用對(duì)微裂隙的愈合，由此推測(cè)，在中地殼斷層帶內(nèi)應(yīng)變速率較高的位置或震后快速蠕變時(shí)期，其裂隙愈合速度更快.

（5）在映秀—北川斷裂帶南段出露的韌性剪切帶露頭發(fā)現(xiàn)，脆性裂縫被以動(dòng)態(tài)重結(jié)晶方式變形的石英脈愈合.這表明在有流體溶解、攜帶和沉淀的作用下，石英的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用是震后快速蠕變時(shí)期脆塑性轉(zhuǎn)化帶內(nèi)裂隙愈合的重要機(jī)制之一.

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