三峽庫(kù)首區(qū)高橋斷裂帶斷層泥分形特征研究

高紅亮 姚運(yùn)生，2 王秋良，2 張麗芬，2 陳星星

1 中國(guó)地震局地震研究所（地震與大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

2 中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

在長(zhǎng)江三峽工程前期論證、施工及后期蓄水過(guò)程中，近庫(kù)壩區(qū)斷裂活動(dòng)性一直是研究的重點(diǎn)課題之一。對(duì)于三峽這樣一個(gè)少震區(qū)，進(jìn)行斷裂活動(dòng)性和活動(dòng)方式等的分析，對(duì)庫(kù)區(qū)未來(lái)地震活動(dòng)趨勢(shì)的判斷有著重要意義。高橋斷裂作為庫(kù)首區(qū)巴東庫(kù)段的一條重要斷裂，其活動(dòng)性備受關(guān)注。研究斷裂活動(dòng)性的方法很多，利用斷層泥進(jìn)行斷裂活動(dòng)的研究是近年來(lái)的發(fā)展方向［1］。斷層泥指發(fā)育在斷層帶中的未固結(jié)或弱固結(jié)泥狀巖石，是斷層反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)兩側(cè)巖石破碎形成的。斷層泥是斷裂活動(dòng)的重要信息載體，它蘊(yùn)含著斷裂活動(dòng)時(shí)代、方式和物理環(huán)境等大量信息［2］。Sammis等［3］對(duì)斷層泥的研究表明，斷層泥具有自相似特征，并首先將分維理論應(yīng)用于斷層泥研究領(lǐng)域。而后，我國(guó)學(xué)者將分形理論應(yīng)用于斷層泥分維值與斷裂活動(dòng)關(guān)系的研究中，為斷裂活動(dòng)的定量研究開辟了新途徑。

前人對(duì)高橋斷裂的形成機(jī)制、構(gòu)造活動(dòng)期次、動(dòng)力學(xué)特征及地震活動(dòng)性等方面進(jìn)行了大量研究［4－5］。本文在此基礎(chǔ)上，以高橋斷裂帶上的斷層泥為研究對(duì)象，結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查，探討斷層泥分形特征與斷裂活動(dòng)性之間的關(guān)系。

1 高橋斷裂帶基本特征

高橋斷裂帶位于秭歸盆地西北緣，北起興山古夫，向西南經(jīng)南陽(yáng)河、伍家埡、龔家橋、巴東白灣、曾家?guī)X和炮臺(tái)山西坡，止于西穰口神農(nóng)溪，全長(zhǎng)近40 km。斷裂總體走向?yàn)楸睎|50°，傾向或南東或北西，傾角50°～65°，切割上古生界－三疊系地層。該斷裂經(jīng)歷了多期構(gòu)造變動(dòng)，燕山早期以正斷為主，晚期強(qiáng)烈擠壓，發(fā)育碳化構(gòu)造片巖及碳化糜棱巖；喜山期伴隨著三峽地區(qū)整體抬升而發(fā)生張性正斷活動(dòng)；由方解石的雙晶紋、自由位錯(cuò)密度推導(dǎo)，該斷裂帶喜山期、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)早期和晚期差異應(yīng)力分別為145、76～100和30～43mPa，說(shuō)明喜山期以來(lái)斷裂的活動(dòng)性逐漸減弱，但喜山期活動(dòng)強(qiáng)度要高于三峽地區(qū)的平均值（100mPa）［6］。

斷裂破碎帶一般寬30～100m，局部可達(dá)650 m，由主斷面和多條分支斷面組成，破碎帶內(nèi)部主要為次級(jí)褶皺、碎裂巖帶、斷層角礫巖帶及斷層泥，斷裂在縱向和橫向上均具有明顯的分帶分段現(xiàn)象，可大致分為北東段和南西段。

1）茶園坡一帶剖面

剖面位于高橋鄉(xiāng)茶園坡附近，斷層發(fā)育在三疊系巴東組（T2b）灰?guī)r與泥盆系寫經(jīng)寺組（D3x）黃褐色砂巖、砂質(zhì)泥巖之間，斷層產(chǎn)狀為130°∠65°。斷層上盤為灰?guī)r；下盤為砂、泥巖互層。擠壓構(gòu)造帶寬約30m，帶內(nèi)發(fā)育不同方向的節(jié)理面。構(gòu)造巖帶堅(jiān)硬致密，斷面上發(fā)育擦痕和張性裂隙，根據(jù)擦痕和地層接觸關(guān)系判斷，斷裂活動(dòng)性質(zhì)以正斷為主。野外觀察判斷，該處斷層至少在第四紀(jì)中晚期沒有明顯活動(dòng)跡象。

2）溪丘灣鄉(xiāng)加油站剖面

在溪丘灣鄉(xiāng)加油站可見一發(fā)育在三疊系巴東組（T2b）泥巖和泥質(zhì)砂巖中的斷層，主要切割巴東組紫紅色砂巖、泥巖，斷層產(chǎn)狀為160°∠30°。斷層上盤為紫紅色砂巖，夾有泥巖；下盤的中下部以紫紅色泥巖為主，頂部為紫紅色砂巖。斷層構(gòu)造帶上寬下窄，寬度約2m。根據(jù)斷層上、下盤地層對(duì)比，斷層的最新活動(dòng)為逆斷性質(zhì)，垂直斷距約為3m。

3）涼風(fēng)埡一帶剖面

在涼風(fēng)埡一帶可見一斷層，發(fā)育在三疊系巴東組（T2b）灰?guī)r和灰黃色泥質(zhì)砂巖中。斷層上盤為有輕微變形的灰?guī)r，下盤的中下部以紫紅色泥巖為主，頂部為紫紅色砂巖，斷層產(chǎn)狀為350°∠50°。斷裂活動(dòng)表現(xiàn)為寬約20 m、變形強(qiáng)烈的破碎帶，內(nèi)部發(fā)育斷層構(gòu)造巖。斷層在地貌上形成高約50m、走向60°的斷層陡崖。斷面上發(fā)育斷層擦痕，側(cè)伏角近90°，根據(jù)擦痕和斷層上下盤地層的接觸關(guān)系，判斷該斷層為逆斷性質(zhì)。構(gòu)造帶內(nèi)物質(zhì)膠結(jié)良好，堅(jiān)硬致密。從剖面附近的宏觀地貌和斷層兩側(cè)的巖性分析，該處斷層陡崖的形成可能是由于兩側(cè)的巖性不同而有差異風(fēng)化侵蝕所造成的。

高橋斷裂帶在遙感圖像上線性影像清晰，沿溝谷、埡口、凹槽狀地形及陡崖展布；地貌上西北側(cè)高且坡陡，峰高一般1 700～2 300m，東南側(cè)相對(duì)低緩，峰高1 500～1 800m。

區(qū)域重力及航磁資料表明，高橋斷裂帶位于重力均衡正、負(fù)異常以及正、負(fù)磁異常交接地帶，尤其在古夫至龔家橋一線這種異常表現(xiàn)更為明顯。人工地震測(cè)探揭示，古夫一帶存在西升東降、斷距達(dá)1.5km 的斷裂，說(shuō)明高橋斷裂帶不僅走向延伸規(guī)模大，而且向地下也有一定的延伸深度。

2 樣品斷層泥的采集與實(shí)驗(yàn)

結(jié)構(gòu)與成分是表征斷層泥特征的兩個(gè)重要方面。結(jié)構(gòu)特征不僅反映了斷層活動(dòng)的類型和強(qiáng)度，而且也反映了斷層泥的形成和演化環(huán)境；斷層泥的物質(zhì)成分是斷層形成與演化的結(jié)果與記錄，反映著斷層的物質(zhì)組成和來(lái)源以及所經(jīng)歷的地質(zhì)變化和化學(xué)變化。為了解樣品斷層泥的結(jié)構(gòu)特征和物相，在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）材料與化學(xué)分析測(cè)試中心和地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行了樣品斷層泥的粒度分布測(cè)試和X 射線衍射分析。

2.1 樣品斷層泥的采集

嚴(yán)格按照地質(zhì)學(xué)采樣要求，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)樣品采集。首先分清斷層帶結(jié)構(gòu)，查明斷層帶、上盤和下盤，應(yīng)用手持GPS測(cè)定取樣點(diǎn)的位置。選好取樣剖面，放上皮尺或卷尺，準(zhǔn)確記錄所取樣品的地點(diǎn)。取樣時(shí)要清除外層風(fēng)化的巖土體，自下而上取新鮮巖土體大約1kg，裝在準(zhǔn)備好的樣品袋中避光保存，同時(shí)做好野外樣品采集記錄?；诖瞬蓸釉瓌t和流程，在目標(biāo)斷裂上共取得斷層泥樣品5個(gè)（表1）。

表1 樣品斷層泥描述Tab.1 The description of fault gouges

2.2 樣品制備

1）斷層泥的粒度分布測(cè)試是將斷層泥樣品溶于蒸餾水，加入適量分散劑（六偏磷酸鈉），在超聲波振蕩儀中振動(dòng)20min后進(jìn)行測(cè)試。

2）X 射線衍射分析則采用非定向全巖試樣，直接將樣品置于瑪瑙研缽中研磨成微米粒級(jí)細(xì)小顆粒，置于樣品架凹槽中，采用背壓法制備試樣。

2.3 測(cè)試方法

1）粒度分布測(cè)試。樣品的粒度分布測(cè)試采用美國(guó)LS230激光粒度分析儀，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度誤差＜1%，精確度誤差＜1%。

2）X 射線衍射分析。樣品的X 射線衍射分析采用荷蘭X’Pert PRO Dy2198型粉晶衍射儀完成。入射光源為Cu靶Kα線，Ni片濾波，X 光管工作管壓為40kV，管流為30mA；使用連續(xù)掃描方式，掃描速度10°／min。

3 斷層泥礦物組分分析

X 射線衍射分析結(jié)果表明，高橋斷裂大部分?jǐn)鄬幽鄻悠返牡哪笌r礦物組分主要為石英、方解石、長(zhǎng)石等，粘土礦物以層狀硅酸鹽，如綠泥石和伊利石等為主。部分樣品中含有較高含量的白云石及微量鐵礦物（主要是赤鐵礦，見表2）。

在X 射線衍射圖譜中，石英、方解石和白云石等多個(gè)標(biāo)志性反射峰清晰可辨；粘土礦物以伊利石和綠泥石為主，相對(duì)來(lái)說(shuō)其反射峰強(qiáng)度都不是很大（圖1）。研究斷層泥中粘土礦物成分有助于確定斷層的滑動(dòng)方式，前人實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)斷層泥粘土含量減少時(shí)，滑動(dòng)方式則由穩(wěn)滑變?yōu)檎郴?。一般?lái)說(shuō)，粘土礦物在斷層泥中的絕對(duì)含量，伊利石大于50%，蒙脫石大于15%，即可抑制斷層粘滑作用的發(fā)生［7］。而高橋斷裂樣品斷層泥礦物組分測(cè)定結(jié)果顯示，伊利石的絕對(duì)含量介于5%～20%之間，所以，對(duì)斷層的粘滑是有利的。

表2 斷層泥礦物組分Tab.2 The mineral composition of fault gouges

圖1 斷層泥X 射線衍射圖Fig.1 The X－Ray Diffraction phase of fault gouges

4 斷層泥粒度分維特征

4.1 樣品斷層泥的粒度分布

按照前述實(shí)驗(yàn)方法對(duì)高橋斷裂所采集樣品進(jìn)行粒度分析測(cè)試，根據(jù)易順民等［8］提出的斷層泥粒度分布取值區(qū)間，結(jié)合本文樣品斷層泥的粒度分布特征，得到結(jié)果如表3所示。粒度測(cè)試結(jié)果表明，樣品斷層泥顆粒大小主要集中在1～3.9、3.9～15.6和15.6～31.3μm 3個(gè)等級(jí)，平均粒徑（Dav）在7.2～13.977μm 之間，樣品中大于62.5 μm 的顆粒較少。高橋斷裂帶北東段（GQ－1，GQ－3，GQ－6）的樣品斷層泥粒徑比南西段（GQ－8，GQ－10）偏小，也說(shuō)明了該斷裂的分段性。

4.2 斷層泥粒度成分的分維計(jì)算方法

對(duì)斷層泥的分形研究表明，斷裂破裂過(guò)程具有統(tǒng)計(jì)自相似性，斷層泥粒度分布具有分形結(jié)構(gòu)特征［9］。自Sammis等［3］創(chuàng)立“粒徑法”確定碎裂巖的分維值D后，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)斷層巖分維法進(jìn)行了進(jìn)一步研究，形成了圖像分析法和篩選法等多種方法［10］，篩選法以簡(jiǎn)單易行、精度高、不受樣品膠結(jié)程度限制等被廣泛用于斷層泥分形研究中。

按照分形的定義，在分形集中，若某一集合關(guān)于標(biāo)度ε具有自相似性，且在標(biāo)度ε度量下的個(gè)數(shù)為N，則有：

式中，D即為分維值。設(shè)斷層泥顆粒的粒徑為r，M（r）為粒徑小于r的顆粒累計(jì)質(zhì)量，M為樣品總質(zhì)量，M（r）／M就是粒徑小于r的顆粒的累積百分含量。如果

即有：

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得［8］：

如果M（r）／M和r在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上具有很好的線性關(guān)系，則表明其粒度分布具有分形結(jié)構(gòu)。這樣，只要在M（r）／M與r的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上用最小二乘法擬合直線段的斜率b值，即可由上式求出斷層泥粒度成分的分維值D。

表3 斷層泥粒度分布／%Tab.3 The grain size distribution of fault gouges／%

4.3 斷層泥粒度分析結(jié)果與分維值

從斷層泥粒徑含量M（r）／M和相應(yīng)粒徑r的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖（圖2）可以看出，當(dāng)粒徑＜3.9 μm 時(shí)，斷層泥累計(jì)百分含量較為離散，整體線性關(guān)系不好，即在此粒徑范圍內(nèi)，分形不明顯。當(dāng)粒徑介于3.9～62.5μm 時(shí)，線性關(guān)系顯著，說(shuō)明高橋斷裂在此斷層泥粒徑范圍內(nèi)具有較好的分形結(jié)構(gòu)特征。

根據(jù)圖2中斷層泥分形特征和斷層泥存在分形結(jié)構(gòu)的標(biāo)度區(qū)間，按照前述斷層泥分維數(shù)D值的計(jì)算方法，對(duì)高橋斷裂帶的5個(gè)樣品斷層泥粒度分別進(jìn)行分維數(shù)D值的計(jì)算，其結(jié)果如表4。

圖2 斷層泥粒度在雙對(duì)數(shù)圖上的分布Fig.2 Diagrams showing the M（r）／M of fault gouges

表4 斷層泥分維值Tab.4 The fractal dimensions of fault gouges

從表4的結(jié)果分析，高橋斷裂帶的斷層泥粒度的分維值在2.20～2.67；相關(guān)系數(shù)（R）在0.91～0.93，平均相關(guān)系數(shù)達(dá)0.92。良好的線性關(guān)系表明，斷層泥粒度的分形結(jié)構(gòu)是客觀存在的。

5 斷層泥分維的地震地質(zhì)意義

綜合考慮高橋斷裂特征、地震活動(dòng)性以及斷層泥的組分和粒度分維值，以期進(jìn)一步探討、研究斷層泥分維的地震地質(zhì)意義。

1）由高橋斷裂斷層泥粒度分維值分析結(jié)果，對(duì)比前人對(duì)活動(dòng)斷層帶內(nèi)斷層泥分維值與斷層活動(dòng)關(guān)系的研究成果，對(duì)高橋斷裂的活動(dòng)性進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，斷層泥在一定的標(biāo)度內(nèi)不僅具有分形結(jié)構(gòu)特征，而且其粒度分維值的大小反映了斷裂活動(dòng)方式。以粘滑為主的斷裂，斷層泥由斷層快速運(yùn)動(dòng)形成，其粒度分維值小于2.7；以蠕滑為主的斷裂，斷層泥由斷層長(zhǎng)時(shí)間緩慢反復(fù)研磨形成，其粒度分維值大于2.8；若分維值在2.7～2.8，則認(rèn)為斷層的粘滑與蠕滑相當(dāng)［11］。因此我們可以認(rèn)為，高橋斷裂的運(yùn)動(dòng)方式是以粘滑為主。高橋斷裂帶北東段（GQ－1，GQ－3，GQ－6）樣品斷層泥的平均分維值為2.46，略大于南西段（GQ－8，GQ－10）的平均分維值2.35，說(shuō)明北東段活動(dòng)性較南西段弱，更為穩(wěn)定。

2）研究表明，粘土礦物的含量和組合反映了斷層活動(dòng)的物理化學(xué)環(huán)境和活動(dòng)方式，同時(shí)斷層泥中粘土礦物的存在對(duì)斷層帶的強(qiáng)度和滑動(dòng)特征有重要影響［12］。沿高橋斷裂帶由北向南5 個(gè)斷層泥樣品的粘土含量與斷層泥粒度成分分維值曲線（圖3）表明，斷層泥粒度成分分維值與粘土含量總體上具有一致的變化趨勢(shì)。高橋斷裂帶斷層泥的粘土礦物含量一般低于35%，并且主要礦物為不具膨脹性的綠泥石和伊利石，這樣的物質(zhì)組成有利于斷裂的粘滑運(yùn)動(dòng)。

圖3 高橋斷裂帶斷層泥中粘土含量與分維值變化曲線Fig.3 The change curves of the clay contents and fractal dimensions of fault gouges

3）在三峽水庫(kù)蓄水前的40多年中，高橋斷裂帶及鄰近地區(qū)共記錄到ML≥1.0地震26次，其中ML2.0以下地震占77%，表現(xiàn)出地震頻次低、強(qiáng)度弱的特點(diǎn)，說(shuō)明該地區(qū)屬于弱震活動(dòng)帶。自三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，由于庫(kù)水荷載和滲透等作用，沿高橋斷裂帶地震活動(dòng)有明顯增加，蓄水后地震活動(dòng)在空間分布上主要集中在高橋斷裂的南西段。

水庫(kù)地震按成因大致可分為構(gòu)造型和非構(gòu)造型2大類［13］。對(duì)于構(gòu)造型地震，先存的斷裂構(gòu)造是發(fā)震的主要原因。非構(gòu)造型地震又可分為巖溶塌陷型地震、巖溶氣爆型地震、礦塌型地震和層間滑動(dòng)型地震［14］，庫(kù)水在其中占據(jù)主導(dǎo)作用，這些地震的發(fā)生與斷裂構(gòu)造關(guān)系不大，是蓄水“誘發(fā)”了地震。三峽庫(kù)區(qū)巴東段的地層巖性主要為三疊系中厚層灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶十分發(fā)育，容易形成庫(kù)水向深部滲透的通道，為巖溶型水庫(kù)地震的發(fā)生提供了有利條件。在官渡口、東穰口等地區(qū)，除巖溶型地震外，地震還與裂隙帶的滑動(dòng)密切相關(guān)。而在巴東庫(kù)段的上三疊系和下侏羅系地層中有香溪煤系，前期采礦留有深埋的采空區(qū)，蓄水后在重力影響下巖體失穩(wěn)而誘發(fā)地震。綜合分析，三峽水庫(kù)蓄水后高橋斷裂下盤的地震活動(dòng)主要屬于巖溶型、層間滑動(dòng)型和礦塌型水庫(kù)地震，即非構(gòu)造型水庫(kù)地震?？紤]到高橋斷裂帶的活動(dòng)性，其上盤的地震活動(dòng)應(yīng)不排除構(gòu)造型水庫(kù)地震的可能。

6 結(jié) 語(yǔ)

高橋斷裂是三峽工程庫(kù)首區(qū)一條規(guī)模較大的斷裂，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來(lái)該斷裂活動(dòng)強(qiáng)度較弱。在一定的標(biāo)度區(qū)間內(nèi)對(duì)該斷裂帶不同地段的斷層泥樣品進(jìn)行分形研究得出，斷層泥分維值在2.20～2.67之間變化。根據(jù)前人研究成果，斷層泥分維值的大小可以反映出斷裂的活動(dòng)方式，據(jù)此我們認(rèn)為，高橋斷裂運(yùn)動(dòng)方式是以粘滑為主。斷層力學(xué)性質(zhì)和斷層泥分維計(jì)算均表明，該斷裂具有分段性，結(jié)合斷裂附近的地震活動(dòng)，北東段較南西段穩(wěn)定。根據(jù)樣品斷層泥的礦物組分分析結(jié)果，高橋斷裂帶斷層泥的粘土礦物含量一般低于35%，并且主要礦物為不具膨脹性的綠泥石和伊利石，這樣的物質(zhì)組成有利于斷裂的粘滑運(yùn)動(dòng)。

雖然歷史上秭歸盆地西部地震活動(dòng)性較弱，但1979年龍會(huì)觀5.1級(jí)地震以及2000年高橋3.6級(jí)地震等都與高橋斷裂帶有關(guān)，這說(shuō)明高橋斷裂具有一定的孕震能力。以粘滑為主的活動(dòng)方式利于應(yīng)力應(yīng)變能量的積累，而且三峽工程前期論證將該區(qū)域列為潛在的地震危險(xiǎn)區(qū)，給定的震級(jí)上限為5.0～5.5級(jí)。蓄水后該區(qū)域地震活動(dòng)明顯增強(qiáng)，2013－12－16巴東5.1級(jí)地震也發(fā)生在斷裂附近。綜合上述，在蓄水位周期漲落影響下，該區(qū)域不排除未來(lái)有發(fā)生中強(qiáng)地震的可能。

致謝：本文在野外地質(zhì)調(diào)查和成文過(guò)程中得到中國(guó)地質(zhì)大學(xué)周舟和曾廣乾、中國(guó)地震局地震研究所張?chǎng)魏托狭⑤x的幫助，在此一并致謝！

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