浮來山斷裂帶流體活動期次分析
——斷裂帶內(nèi)方解石脈的陰極發(fā)光證據(jù)

李 月，劉 錚

（山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590）

浮來山斷裂帶流體活動期次分析
——斷裂帶內(nèi)方解石脈的陰極發(fā)光證據(jù)

李 月，劉 錚

（山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590）

浮來山斷裂帶為郯廬斷裂帶在山東境內(nèi)沂沭斷裂帶的一條分支斷裂，經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動。通過對取自浮來山斷裂帶內(nèi)方解石樣品的陰極發(fā)光分析，探討斷裂帶流體活動期次以及構(gòu)造運(yùn)動與流體活動的相關(guān)性。研究表明：斷裂帶內(nèi)方解石表現(xiàn)為3期不同的陰極光，說明不同期次流體所含有的微量元素種類不同，斷裂帶內(nèi)方解石脈受到的影響不同；浮來山斷裂帶流體活動分為3個期次，說明浮來山斷裂帶經(jīng)歷了3次大規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動，與沂沭斷裂帶的活動期次相一致。

浮來山斷裂；沂沭斷裂帶；流體活動期次；陰極發(fā)光技術(shù)

浮來山斷裂是沂沭斷裂帶東部安丘-莒縣斷裂右旋走滑派生的一條次級斷裂[1]（圖1），其活動過程受到沂沭斷裂帶活動的影響，經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造活動。關(guān)于沂沭斷裂帶的活動期次研究，前人開展過大量的研究工作，其認(rèn)識主要集中在以下幾個方面：①在野外露頭調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合地球物理、地球化學(xué)特征，將沂沭斷裂帶劃分為4個演化階段[1]；②通過對沂沭斷裂帶活斷層的結(jié)構(gòu)特征、運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)特征分析，認(rèn)為沂沭斷裂帶第四紀(jì)以來呈現(xiàn)為逆右行平移的活動性，且總體表現(xiàn)為東強(qiáng)西弱、南強(qiáng)北弱[2]；③應(yīng)用重力勘探方法，對斷裂帶由淺部到深部多層次研究，揭示該區(qū)具有強(qiáng)震發(fā)育的孕震環(huán)境[3]。關(guān)于浮來山斷裂帶的研究，主要描述了幾何展布特征及最新活動時代為晚更新世[4]。

斷層大規(guī)模“幕式”活動導(dǎo)致斷裂帶內(nèi)的流體活動具有期次性，不同期次活動流體的性質(zhì)、溫度和壓力存在差異，這些信息會以成巖作用保存在斷裂帶內(nèi)充填的礦物中。斷裂帶的礦物巖石學(xué)、流體活動熱力學(xué)特征以及流體改造巖石的地球化學(xué)特征是研究斷裂活動時間、規(guī)模和斷裂帶流體性質(zhì)、成分、期次、方式和規(guī)模的有效信息。斷裂帶中方解石脈的形成和發(fā)育表明流體沿斷裂和裂縫的大規(guī)模運(yùn)移，其化學(xué)特征可以反映成巖流體性質(zhì)、沉積環(huán)境等，還可以記錄多期成巖流體作用過程。由于碳酸鹽巖礦物的陰極發(fā)光特征主要受活化劑Mn2+和猝滅劑Fe2+的控制，因此通過對方解石脈陰極發(fā)光特性的分析，可以推斷形成脈體的流體性質(zhì)，確定流體的活動期次。目前國內(nèi)外學(xué)者已將陰極發(fā)光技術(shù)應(yīng)用到成巖成礦規(guī)律研究中[5]，主要用于分析母巖性質(zhì)，推斷物源方向及成巖環(huán)境，較少用于探討碳酸鹽巖成巖作用及其受外界條件的影響因素。

浮來山斷裂帶兩盤均為碳酸鹽巖，斷裂帶內(nèi)發(fā)育大量被方解石脈充填的裂縫，本文以浮來山斷裂帶為研究對象，主要利用陰極發(fā)光技術(shù)研究碳酸鹽巖成巖過程中流體的作用，并以此推斷斷裂帶內(nèi)流體活動期次，為探討浮來山斷裂帶的構(gòu)造演化提供新的佐證。

1 地質(zhì)背景

浮來山斷裂帶位于S336道界碑南側(cè)，出露較好，整體走向呈北北東向，傾向45°～50°。發(fā)育兩條斷裂帶，其中1號斷裂帶（圖1（b））內(nèi)部為一寬約20 m的灰白色正長巖侵入體，斷裂帶兩盤均為寒武系朱砂洞組灰黑色灰?guī)r，兩側(cè)灰?guī)r中裂縫發(fā)育且多被方解石脈充填，上盤距侵入體3 m處發(fā)育一次級斷裂，且斷層核部被斷層泥充填。2號斷裂帶（圖1（c））位于正長巖侵入體東側(cè)200 m處，斷層核部被一寬約1 m的方解石脈充填（圖1（g）），斷層面上可見清晰的擦痕和階步（圖1（f）），兩側(cè)亦為寒武系朱砂洞組灰黑色灰?guī)r，灰?guī)r中發(fā)育不同走向的裂縫（320°、40°），均與斷面（走向280°）斜交。野外露頭觀察發(fā)現(xiàn)，方解石脈體主要表現(xiàn)為以下特征：部分脈體被后期地質(zhì)作用錯斷；產(chǎn)狀不穩(wěn)定，延伸距離較短且自行消失；距斷層核越遠(yuǎn)，數(shù)量越少，寬度越窄。

圖1 浮來山斷裂帶宏觀剖面及取樣圖Figure 1 Macroscopic section of Fulaishan fault zone and sampling points

2 浮來山斷裂帶內(nèi)方解石脈陰極發(fā)光特征

2.1 方解石陰極發(fā)光實驗原理

實驗采用山東科技大學(xué)陰極發(fā)光實驗室RE?LIOTRON陰極發(fā)光儀配以偏光顯微鏡，將束流調(diào)至0.15～1 mA（當(dāng)束流較小時，視域較暗；束流大于1 mA時陰極光亮度隨束流的增大變化不明顯），觀察樣品的陰極發(fā)光情況（圖2（a）、圖3）。研究表明，碳酸鹽巖礦物的陰極發(fā)光性受控于晶格中Fe2+、Mn2+的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Mn2+為重要激活劑，F(xiàn)e2+為猝滅劑，根據(jù)方解石脈體中Mn2+/Fe2+比值的不同，脈體在鏡下呈現(xiàn)不同強(qiáng)度的陰極光[5]。早期形成的方解石脈陰極發(fā)光較弱，呈紅色到暗紅色，可能是因為脈體中Mn2+/ Fe2+比值較低，陰極光被猝滅；晚期形成的方解石脈發(fā)光較強(qiáng)，Mn2+/Fe2+比值相對較大，呈鮮紅色到橙紅色。根據(jù)陰極發(fā)光下方解石脈表現(xiàn)出的發(fā)光特性不同，可區(qū)分不同期次的流體特征。取自浮來山斷裂帶的樣品共22個，均來自斷裂帶東盤（圖1）。選取其中5個進(jìn)行流體期次分析，樣品可見3期發(fā)光，對反映流體活動情況具有一定代表性。

2.2 實驗結(jié)果分析

單偏光下，樣品中方解石脈的形態(tài)較為單一，僅能識別出脈體輪廓、裂隙位置及形態(tài)，而脈體的形成期次則難以確定；但脈體中的方解石呈現(xiàn)不同顏色的陰極光，脈體與圍巖的陰極光也會存在明顯的差異，利用這種差異性就可以明確地分析脈體的形態(tài)、確定脈體的形成期次（圖2，圖3）。5塊樣品的陰極光表明，方解石脈的寬度為1 mm～5 cm，陰極光存在明顯差異，其中方解石的大部分區(qū)域陰極光顏色較暗，為暗紅色，發(fā)暗紅色陰極光的方解石脈被發(fā)橙黃色陰極光的方解石脈穿插，或者方解石顆粒呈現(xiàn)為橙黃色與亮紅色的環(huán)帶狀，或者方解石顆粒從邊緣向中心由暗紅色變?yōu)榱良t色，陰極光為暗色的脈體多與早期注入的流體有關(guān)，而亮色的脈體則為后期流體沿早期脈體中的裂縫進(jìn)入形成的。

圖2 方解石脈陰極發(fā)光（a）單偏光下（b）特征對比圖(50×)Figure 2 Calcite vein cathodoluminescence(a)under plane-polarized light;(b)features comparison chart(50×)

圖3 浮來山斷裂帶樣品陰極發(fā)光照片(50×)Figure 3 Photos of cathodoluminescence samples from Fulaishan fault zone(50×)

樣品Fls-w-9（圖2a）中的方解石脈陰極光下呈紅褐色、暗紅色及亮紅色，其中除a1外，其余均為方解石的陰極光，a4處為整個樣品中陰極光最亮的區(qū)域，為亮紅色，表明該區(qū)方解石脈體形成時，流體中Mn2+的含量最高，a2、a3處陰極光為暗紅色、紅褐色，說明該區(qū)方解石脈體形成時，流體中Mn2+含量較低，形成的方解石為低鎂方解石，激發(fā)的陰極光也較弱，3種不同顏色陰極光表明，樣品中方解石脈的形成與3期流體活動有關(guān)。樣品Fls-w-3（圖3a）方解石脈中發(fā)育一條寬約10 um的裂隙，裂隙兩側(cè)方解石的陰極光呈亮紅色，明顯比靠近圍巖方解石的陰極光（暗紅色）亮，其原因為流體沿裂縫注入，方解石首先沿圍巖結(jié)晶析出，由裂縫兩側(cè)逐漸向裂縫中心生長，靠近圍巖的方解石陰極光顏色較暗，原因是該時期注入的流體中含有少量激活劑Mn2+或過量猝滅劑Fe2+，致使陰極光被猝滅，也體現(xiàn)了晚期流體對早期沉淀形成的方解石具有進(jìn)一步的浸染作用[6-7]。裂隙中心不發(fā)光，說明裂隙尚未閉合，該樣品中方解石脈形成于兩期流體活動。樣品Fls-w-16（圖3b）中方解石脈的陰極光主要呈暗紅色，僅在方解石顆粒邊緣為紅色，陰極光下表明，該樣品中方解石呈菱形（b3）或不規(guī)則六邊形（b1、b2），環(huán)帶寬度較小，在1～5 μm，環(huán)帶亮度均較大。方解石的形態(tài)與結(jié)晶空間有密切關(guān)系，在生長空間充足時方解石環(huán)帶呈規(guī)則自形，在與周圍晶體競爭生長環(huán)境時發(fā)生變形[7]。樣品Fls-w-20（圖3c）方解石脈中明顯存在由暗紅色到亮紅色的環(huán)帶，表明有兩期流體活動。樣品Fls-w-14（圖3d）方解石脈的陰極光較復(fù)雜，緊鄰圍巖的方解石脈陰極光呈紅色，向脈體中心變?yōu)榘导t色，上述兩部分方解石晶形不明顯，脈體中心為橙黃色與紅色相間的條帶狀，方解石結(jié)晶好，自形程度高，反映了晶體生長空間充足。陰極光的差異反映不同期次流體的差異，發(fā)光強(qiáng)度大的方解石，代表流體中Mn2+/Fe2+值更大，發(fā)光強(qiáng)度低的方解石，說明Mn2+/Fe2+值較小[8]。從形成環(huán)境方面分析，亮暗相間環(huán)帶的出現(xiàn)可能是由于外界條件發(fā)生改變導(dǎo)致流體成分的變化[9]。因此，樣品Fls-w-14中方解石脈的形成與3期流體活動有關(guān)，d1部分中含有許多相似的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，環(huán)帶發(fā)光強(qiáng)度大致相同，推斷該區(qū)可能為一方解石晶洞，由于晶洞中空間充足，方解石晶體表現(xiàn)為規(guī)則生長。d2貫穿于d3之間，可以推斷其形成時間晚于d3，因而表現(xiàn)出的陰極發(fā)光性也較d3強(qiáng)。

3 浮來山斷裂帶內(nèi)流體活動分析

3.1 流體活動影響范圍

對取自浮來山斷裂帶的22個樣品中方解石脈的陰極發(fā)光特征進(jìn)行統(tǒng)計（表1），可以反映流體活動期次及各個期次的流體所能影響的斷裂帶范圍?？傮w來看，方解石脈主要表現(xiàn)為2～3種陰極光區(qū)域，且隨著與斷層核距離的增大，發(fā)光區(qū)域減少。具有2種發(fā)光強(qiáng)度的方解石脈相較于3種發(fā)光強(qiáng)度的方解石脈來說，主要缺乏最強(qiáng)發(fā)光強(qiáng)度的黃色（圖3），反映具有高M(jìn)n2+/Fe2+值的流體對斷裂帶的影響范圍有限，主要涉及到距斷層核1～10 m。而且根據(jù)不同發(fā)光強(qiáng)度脈體之間的相互關(guān)系，發(fā)黃色光的方解石脈應(yīng)為最晚期流體活動形成的，說明最后一次流體活動并未影響整個斷裂帶，在0～1 m及＞10 m內(nèi)均已波及。

表1 浮來山斷裂帶方解石脈陰極發(fā)光特征表Table 1 Fulaishan fault zone calcite vein cathodoluminescence features

對于脆性斷層而言，斷層活動初期，首先產(chǎn)生微裂隙，且多為張裂隙，微裂隙逐漸擴(kuò)展聯(lián)合，最終形成宏觀破裂面。在后期的活動過程中破裂范圍不斷擴(kuò)大，先期形成的裂縫在水巖相互作用下逐漸閉合不利于后期流體的進(jìn)入，這就造成了在距斷層核0～1 m內(nèi)缺少最后一期流體活動。而隨著距斷層核距離的增大（＞10 m），斷層活動逐漸減弱，裂縫密度降低，也不利于流體的活動。因此，對于浮來山斷裂帶，3期流體活動的范圍主要集中于距斷層核1～10 m內(nèi)。

3.2 流體活動期次

碳酸鹽巖中方解石膠結(jié)物的結(jié)構(gòu)與微量元素構(gòu)成是碳酸鹽巖成巖作用研究中反應(yīng)成巖流體性質(zhì)的重要手段，原始沉積的碳酸鹽巖中Mn2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，因此在陰極光的照射下表現(xiàn)為不發(fā)光或發(fā)光較弱；而受含Mn2+較多的流體影響的碳酸鹽巖礦物，在陰極光的照射下，發(fā)光較強(qiáng)。

浮來山斷裂帶內(nèi)以脈體產(chǎn)出的碳酸鹽巖礦物陰極光的顏色不同，與以下兩方面因素有關(guān)：①多期構(gòu)造運(yùn)動的影響。浮來山斷裂內(nèi)流體活動頻繁，流體域碳酸鹽巖礦物發(fā)生元素交換形成了不同顏色相間的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，環(huán)帶數(shù)量代表熱液活動期次；②受構(gòu)造運(yùn)動影響，碳酸鹽巖破裂形成斷裂帶，后期流體沿開放斷裂帶注入，流體過飽和的碳酸鹽礦物結(jié)晶析出，由于每一期次流體中微量元素的含量存在差異，造成不同期次結(jié)晶析出的方解石對陰極光的激發(fā)能力也不同。詳細(xì)分析取自斷裂帶的22塊樣品發(fā)現(xiàn)，脈體中的方解石形態(tài)主要有兩類：①沿裂隙生長的方解石，沿裂隙兩側(cè)向中心生長，越靠近中心受流體影響越大，受流體中Mn2+影響，表現(xiàn)為較強(qiáng)的陰極光，距圍巖較近部分受流體影響小，表現(xiàn)為較弱的陰極光。部分樣品中的裂隙閉合程度較好，僅能觀察到裂隙的位置，部分樣品中裂隙未閉合，因此不發(fā)光；②呈環(huán)帶狀的方解石，自形程度較好，呈規(guī)則六邊形或菱形，不同環(huán)帶在陰極光的照射下發(fā)光特征不同，說明方解石生長空間充足以及環(huán)境變化導(dǎo)致流體成分的變化。兩種類型的方解石樣品中大多可以觀察到3種不同顏色的陰極光區(qū)域，部分可以觀察到2種，少數(shù)有1種，但這兩類方解石均能說明該斷裂帶內(nèi)經(jīng)歷過3期流體活動。

4 流體活動期次與構(gòu)造運(yùn)動之間的耦合關(guān)系討論

斷層是一個具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)體，可以是流體運(yùn)移的通道，也可以起封堵流體的作用，導(dǎo)致每一期流體活動的影響范圍存在差異。斷裂帶內(nèi)的方解石脈體是由流體沿斷裂帶活動、流體中過飽和的碳酸鹽礦物結(jié)晶析出而成，而斷裂帶內(nèi)的流體活動與斷裂的活動期次密切相關(guān)，在斷裂活動期，斷裂帶內(nèi)發(fā)育大量裂縫，這為流體活動提供了空間，流體的注入會對早期結(jié)晶析出的方解石產(chǎn)生影響[10-12]，斷裂的多期活動伴隨著多期次流體注入，在多期次流體與方解石的相互作用之下，斷裂帶內(nèi)充填的方解石脈在陰極光的照射下必然會呈現(xiàn)出不同的顏色；在兩次斷裂活動間歇期，斷裂帶逐漸閉合，流體無法注入，斷層內(nèi)部的方解石不受流體的影響，成分簡單，在鏡下表現(xiàn)的陰極發(fā)光特征也較為單一。

浮來山斷裂帶隸屬于沂沭斷裂帶的分支斷裂，其活動性受控于沂沭斷裂帶。沂沭斷裂帶位于郯廬斷裂帶中段，長330 km，寬20～60 km，南、北端被第四系所蓋，總體呈10°～25°方向展布，由北向南漸趨收斂變窄。通過前人對沂沭斷裂帶構(gòu)造運(yùn)動的研究[1]，認(rèn)為該斷裂帶經(jīng)歷了四個階段的構(gòu)造運(yùn)動：①誕生時期：晚侏羅世在蒙陰盆地出現(xiàn)坊子組含煤線建造，是沂沭斷裂帶活動導(dǎo)致，誕生于早侏羅世；②左行平移階段：沂沭斷裂帶在誕生期已開始了左行剪切運(yùn)動并逐漸增強(qiáng)，同時形成了四條剪切斷裂，晚期初具“塹壘”構(gòu)造。③張扭性裂谷階段：沂沭斷裂在萊陽期平移過程中持續(xù)下切，導(dǎo)致地幔隆起，驅(qū)動沂沭帶橫向擴(kuò)張，誘發(fā)大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)，使沂沭斷裂帶左行走滑受到影響，變?yōu)橐圆町惿禐橹鳎抒饠嗔褞虏康貧び捎诨鹕絿姲l(fā)產(chǎn)生斷陷，在火山巖臺地基礎(chǔ)上形成了地塹內(nèi)的拉分盆地，導(dǎo)致斷裂帶東西沉積條件發(fā)生差異。④擠壓斷塊運(yùn)動階段：新生代以來，沂沭斷裂帶進(jìn)入擠壓隆起階段，該期沂沭帶活動時伴隨微弱的左行平移，使斷裂帶兩側(cè)表現(xiàn)為不同沉積建造?？傊?，沂沭斷裂帶經(jīng)歷了燕山運(yùn)動和喜馬拉雅運(yùn)動的演化，最終在斷裂帶兩側(cè)表現(xiàn)為不同沉積特征以及活動強(qiáng)度、方式的縱向差異，南部區(qū)段以隆升為主，北部則形成斷陷-凹陷盆地。

沂沭斷裂帶的后三個運(yùn)動階段派生了大量的次級斷層，浮來山斷裂帶即為此時派生。浮來山斷裂帶在白堊紀(jì)青山期之前表現(xiàn)為壓扭性平移斷裂，在八畝地組沉積以后活動性減弱，并長期被改造，因此控制了斷裂帶內(nèi)的流體活動。受沂沭斷裂帶的影響，浮來山斷裂帶經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動大致分為3期，這與采用方解石脈的陰極發(fā)光特征判斷的流體活動期次相吻合，而部分樣品中只有1～2期陰極光，原因可能有：①取樣點距斷層核的距離：距離斷層核距離越遠(yuǎn)，斷層開放程度越差，流體活動范圍越小，甚至不受某些期次流體影響，表現(xiàn)為流體期次與構(gòu)造運(yùn)動期次不一致，另外，在靠近斷層核（0～1 m）處，受斷層后期活動的影響，早期裂縫被充填，導(dǎo)致后期流體不易進(jìn)入，與整體活動期次不一致；②流體中所含元素的差異：若兩期流體中含有等量的Mn2+、Fe2+，樣品將表現(xiàn)出相同的陰極光。

5 結(jié)論

通過對浮來山斷裂帶內(nèi)方解石樣品的陰極發(fā)光分析，結(jié)合沂沭斷裂帶的構(gòu)造演化歷史，得到如下結(jié)論：

①方解石晶體在陰極發(fā)光下表現(xiàn)的形態(tài)由其生長空間所決定，僅在生長空間充足時呈規(guī)則形態(tài)生長。斷裂帶中的方解石表現(xiàn)為3期不同的陰極光，反映斷裂帶內(nèi)流體活動分為3個期次，3期流體活動的范圍主要集中于距斷層核1～10 m內(nèi)。

②浮來山斷裂帶經(jīng)歷了3次大規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動，與沂沭斷裂帶的構(gòu)造演化期次基本一致。

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Fulaishan Fault Zone Fluid Activity Phase Analysis——Evidence from Calcite Vein Cathodouminescence within Fault Zone

Li Yue,Liu Zheng
(College of Earth Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590)

The Fulaishan fault zone is a branch of the Yishu faulted zone—Shandong segment of the Tancheng-Lujiang discordogenic fault,had experienced multiple tectonic movements.Through cathodoluminescence analysis of calcite samples from Fulaishan fault zone discussed fluid activity phase and interrelation between tectonic movement and fluid activity.The study has shown:the fault zone calcite has 3 different cathodoluminescence phases,illustrated different phases fluid contained different trace elements,and different impacts on calcite vein.The 3 phases of fluid activity can illustrate the fault zone has experienced 3 massive tectonic movements,con?sistent with activities in Yishu faulted zone.

Fulaishan fault;Yishu faulted zone;fluid activity phase;cathodoluminescence technology

P542

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.02

1674-1803(2017)03-0005-05

山東省高等學(xué)?？萍加媱濏椖俊按嘈哉龜鄬訑嗔褞?巖相互作用機(jī)理研究”（J13LH02）

李月（1979—），女，河北滄州人，博士，講師，主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的教學(xué)科研工作。

2016-11-23

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