地震斷層帶流體作用的巖石物理和地球化學(xué)響應(yīng)：以龍門山斷裂花崗質(zhì)破裂帶為例

段慶寶

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京100029)

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中國地震局地質(zhì)研究所2015屆博士論文摘要(Ⅳ)

地震斷層帶流體作用的巖石物理和地球化學(xué)響應(yīng)：以龍門山斷裂花崗質(zhì)破裂帶為例

段慶寶

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京100029)

地殼斷層帶中存在大量流體。流體的存在會對斷層帶的物質(zhì)組成及力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。流體不僅會與斷層巖發(fā)生反應(yīng)生成摩擦系數(shù)低的粘土等層狀硅酸鹽礦物,而且流體也可能被封閉產(chǎn)生高壓導(dǎo)致斷層弱化。斷層巖記錄了斷層帶流體作用的相關(guān)信息。為了研究映秀—北川斷層帶內(nèi)流體的作用過程、 水-巖反應(yīng)與粘土礦物的富集規(guī)律以及流體對斷層演化和滑動過程的影響,我們在2008年汶川地震的發(fā)震斷層----映秀—北川斷層出露于金河磷礦附近的剖面處實(shí)施了兩孔淺鉆。對采自鉆孔和地表露頭的樣品進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)學(xué)、 礦物學(xué)、 地球化學(xué)及傳輸性質(zhì)等方面的實(shí)驗(yàn)研究。

金河磷礦斷層帶發(fā)育形成于相對淺部的松散角礫巖和斷層泥以及形成于相對較深部膠結(jié)的初碎裂巖和碎裂巖等。淺鉆巖芯所揭示的巖性分布與地表基本一致。斷層帶內(nèi)發(fā)育有3種顏色的斷層泥。這些斷層巖并不是在相同時間及深度下形成的,而是由多期次的地震活動及震后長時間的斷層蠕動并伴隨著持續(xù)的隆升和剝露等效應(yīng)而堆積在一起。2008年汶川地震在此剖面處穿過黃綠色斷層泥。對斷層巖的結(jié)構(gòu)觀察表明,靠近斷層核部,斷層巖除了表現(xiàn)出破碎程度逐漸增加、 粒度下降的趨勢外,還表現(xiàn)出逐漸增強(qiáng)的礦物蝕變與流體活動特征。基性巖與花崗質(zhì)碎裂巖中的鎂鐵質(zhì)礦物發(fā)生了顯著的綠泥石化蝕變。顯微結(jié)構(gòu)觀察、 礦物成分分析、 元素相關(guān)性分析及稀土配分結(jié)果均顯示,斷層巖的物質(zhì)來源極其復(fù)雜,其中黑色斷層泥的原巖是花崗巖,并且混入了少量的碳酸鹽巖成分； 黃綠色和灰綠色斷層泥是在花崗巖和基性巖的混合作用下形成的,其中殘留有基性巖碎屑顆粒。

跨斷層的礦物與化學(xué)成分分析顯示,斷層帶的礦物和地球化學(xué)成分與原巖相比發(fā)生了明顯變化。廣泛的流體淋濾及水-巖相互作用使得長石類礦物發(fā)生蝕變、 分解,生成粘土礦物。根據(jù)礦物蝕變特征及熱液流體礦物的鑒別,推斷流體中富含Mg和Fe,且為中酸性還原環(huán)境。推斷其主要的水-巖反應(yīng)為： ① 鎂鐵質(zhì)礦物反應(yīng)生成綠泥石； ②長石(鉀長石和斜長石)反應(yīng)生成粘土礦物。Isocon分析顯示,斷層帶經(jīng)歷了大量物質(zhì)流失,主要?dú)w因于流體活動伴隨的可溶性元素溶解、 遷移以及斷層帶壓實(shí)作用。溶解-沉淀及壓溶作用是斷層帶物質(zhì)流失的主要機(jī)制。斷層核部較破碎帶相對偏高的物質(zhì)流失量及水-巖比值主要是由于核部具有較低的粒度并經(jīng)歷了同震摩擦升溫等作用的影響。因此,同震機(jī)械破碎與間震期強(qiáng)烈的水-巖相互作用改變并控制著斷層帶的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)演化。

滲透率是控制斷層帶流體活動及水-巖相互作用的重要參數(shù),并且關(guān)系到高壓流體積累等關(guān)鍵問題。本文首先采用不同測量介質(zhì)(氣體和水)對斷層巖的滲透性展開了對比研究。結(jié)果顯示,斷層巖氣體滲透率存在明顯的Klinkenberg效應(yīng),并且斷層巖的氣體滲透率經(jīng)Klinkenberg效應(yīng)校正后不能近似為液體滲透率。采用水作為測量流體對金河磷礦斷層帶的傳輸性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究顯示,映秀—北川斷層帶金河磷礦剖面主要由極低滲的斷層核部,高滲的破碎帶和相對完整且低滲的圍巖所組成。在165 MPa有效壓力下,圍巖與斷層核部的滲透率介于10-20～10-22m2之間,破碎帶滲透率介于10-17～10-20m2之間。橫跨斷層帶,滲透性整體呈現(xiàn)為“通道/障礙體”的二元結(jié)構(gòu)。流體活動主要集中在斷層核部與破碎帶內(nèi),而且更傾向于向平行斷層面方向遷移?？鐢鄬拥臐B透性結(jié)構(gòu)與斷層帶的成分與粒度分布具有一致性。

斷層核部較高的孔隙度和較低的滲透性為積累高壓流體提供了物質(zhì)與物理基礎(chǔ)?；趥鬏斝再|(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,討論了汶川地震同震熱壓作用。結(jié)果表明,在深度1.8 km以下,汶川地震斷層主滑動帶具備熱壓作用發(fā)生的條件。顯微結(jié)構(gòu)觀察也顯示,黃綠色和黑色斷層泥中存在指示熱壓作用的CCAs構(gòu)造及斷層泥高壓注入到裂隙中的結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)特征表明,斷層核部經(jīng)歷了高壓流體的作用過程。因此,熱壓作用可能是汶川地震滑動弱化的重要機(jī)制。

龍門山斷裂帶； 汶川地震； 水-巖相互作用； 斷層巖； 粘土礦物； 滲透率； 斷層弱化； 高壓流體； 熱壓作用

(作者電子信箱,段慶寶： duan_qingbao@126.com)

P315.1；文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.08.010