內(nèi)蒙古楊樹林剖面斷層泥特征及其對(duì)斷層活動(dòng)的指示意義

李耀宗，李本仙，孟杰, ，朱彤，王曉峰，劉曉旸,3，施偉光

1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061；2.哈爾濱師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150025；3.吉林大學(xué) 無機(jī)合成與制備化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130012；4.東北石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院石油與天然氣化工省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318

0 引言

地質(zhì)體受地應(yīng)力作用而發(fā)生破裂并沿破裂面滑動(dòng)形成斷層，這是在地殼中廣泛出現(xiàn)的一種重要的構(gòu)造類型。對(duì)于斷層的研究早已開展多年，隨著不同斷層類型的發(fā)現(xiàn)，研究方法的不斷創(chuàng)新，研究內(nèi)容的不斷深入，學(xué)者們也不斷提出新的斷層理論，與此同時(shí)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)斷層的研究開始走向宏觀更宏、微觀更微的道路[1]。斷層研究在區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)演化，探索地震、滑坡和火山等自然災(zāi)害，區(qū)域成礦與控礦和工程地質(zhì)等領(lǐng)域意義重大。斷層泥是斷層活動(dòng)的重要信息載體，是斷層研究的重要部分。通過對(duì)斷層泥的研究可以了解斷層的活動(dòng)方式和斷層內(nèi)部物理化學(xué)環(huán)境等信息[2-5]。

在斷層活動(dòng)過程中，斷層兩盤相對(duì)滑動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱量造成斷層內(nèi)部溫度的升高[6]，這種現(xiàn)象通常被稱為同震摩擦升溫效應(yīng)。同震摩擦升溫會(huì)造成斷層的熱增壓，改變斷層的物理化學(xué)條件，從而導(dǎo)致斷層摩擦性質(zhì)的變化進(jìn)而影響斷層活動(dòng)方式。同震摩擦升溫在斷層年代學(xué)研究中也有著舉足輕重的地位[7]。同震升溫是斷層同震滑動(dòng)研究中的一個(gè)重要方面，對(duì)于了解斷層活動(dòng)機(jī)制十分重要。在斷層年代學(xué)研究中，常利用熱釋光(TL)、電子自旋共振(ESR)、裂變徑跡法(FT)、K/Ar測(cè)年等方法對(duì)活動(dòng)斷層的斷層泥進(jìn)行測(cè)年分析。其基本原理是斷層物質(zhì)中的一些信號(hào)或物質(zhì)可以隨時(shí)間積累，但是斷層活動(dòng)引起的構(gòu)造熱可使已經(jīng)積累的信號(hào)或物質(zhì)釋放回零(即退火)，通過測(cè)量重新積累的信號(hào)或物質(zhì)可以推算構(gòu)造事件發(fā)生的時(shí)間。可見退火程度決定了利用不同方法進(jìn)行斷層泥測(cè)年的準(zhǔn)確性。同震摩擦升溫研究可以對(duì)斷層物質(zhì)退火程度進(jìn)行估測(cè)，從而判斷斷層泥測(cè)年結(jié)果的可信程度。

同震摩擦升溫通常會(huì)在斷層滑動(dòng)帶附近留下2類證據(jù)：一類是斷層物質(zhì)熔融形成的?；瘞r石；另一類是同震化學(xué)反應(yīng)殘留，如碳酸鹽的熱分解、含水硅酸鹽破壞分解以及順磁性礦物熱分解[8-11]等。前人采用多種方法利用斷層物質(zhì)對(duì)同震摩擦升溫進(jìn)行了研究，如鏡質(zhì)體反射率、磁性分析、微量元素分析和方解石拉長狀流體包裹體[12-15]等。但是，除去方解石中拉長狀流體包裹體測(cè)溫以外，其他方法均只能用于溫度升高超過350℃的熱事件。方解石中拉長狀流體包裹體測(cè)溫法雖可解釋50℃～150℃內(nèi)溫度的小幅升高[15]，但是這種方法是否可行完全取決于能否得到方解石包裹體樣品，局限性比較大。因此，尋找應(yīng)用更為廣泛的可以記錄由于同震摩擦造成的斷層帶內(nèi)溫度小幅升高的方法變得尤為重要。

近年來，學(xué)者們將目光轉(zhuǎn)移到黏土礦物上，因?yàn)轲ね恋V物分布廣泛且對(duì)外界環(huán)境十分敏感，地質(zhì)上通常利用黏土礦物作為地質(zhì)溫度計(jì)來反映沉積盆地古地溫情況，其中應(yīng)用最為廣泛的是伊蒙混層礦物。但是在前人的研究中，將黏土礦物應(yīng)用于度量斷層活動(dòng)溫度的研究較少，僅少量學(xué)者將其用于斷層同震摩擦升溫領(lǐng)域研究[15]。

斷層在運(yùn)動(dòng)過程中常伴隨著變質(zhì)作用的發(fā)生[16]，當(dāng)變質(zhì)程度較低時(shí)，會(huì)造成斷層泥中黏土礦物發(fā)生成分和結(jié)構(gòu)的變化，通過這些變化特征可以推測(cè)黏土礦物發(fā)生變化時(shí)的溫度。張秉良等[17]利用伊利石結(jié)構(gòu)多型推測(cè)了云南省小灣水電站斷層泥中伊利石形成的溫度環(huán)境； Kameda et al.[18]利用綠泥石成分溫度計(jì)獲得了Mugi Melange中的一個(gè)斷層同震摩擦升溫的溫度；孟杰等[19]利用綠泥石成分溫度計(jì)研究了大楊樹盆地泥盆系泥鰍河組斷層泥的摩擦溫度特征。但是與黏土礦物在沉積盆地內(nèi)的研究相比，斷層泥中黏土礦物特征方面的相關(guān)研究依然很匱乏。筆者以水泉子溝—天山口斷裂帶楊樹林剖面(圖1)為研究對(duì)象，利用斷層泥中伊蒙混層黏土礦物和石英微形貌特征，判斷楊樹林剖面斷層活動(dòng)特征并利用黏土礦物地質(zhì)溫度計(jì)，估算了該斷層同震摩擦過程中的溫度小幅升高的情況。

1 樣品采集與研究方法

杜龍等[20]利用遙感影像結(jié)合野外調(diào)查在研究2003年發(fā)生于內(nèi)蒙古巴林左旗的5.9級(jí)地震時(shí)，發(fā)現(xiàn)了水泉子溝—天山口斷裂帶的存在。對(duì)楊樹林剖面的斷層泥測(cè)年表明該剖面所在斷裂年齡為602±60 Ka，為一條中更新世早期活動(dòng)斷裂。水泉子溝—天山口斷裂帶分為兩段，分別是NWW向的水泉子溝—西山灣段和NW向的楊樹林—天山口段，楊樹林剖面位于阿魯科爾沁旗西北部，坐標(biāo)點(diǎn)為43°53′29″N， 119°59′38″E，歸屬于NW向的楊樹林—天山口段。筆者選取楊樹林剖面作為研究對(duì)象，經(jīng)野外實(shí)測(cè)得到該剖面的產(chǎn)狀為255°∠74°，上下盤斷層面上發(fā)現(xiàn)有碳質(zhì)薄膜，同時(shí)斷層周圍還發(fā)育有羽狀節(jié)理(如圖2a所示)，羽狀節(jié)理與斷層下盤交角為20°～40°，結(jié)合野外觀測(cè)判斷此斷層為逆斷層。楊樹林剖面斷層帶錯(cuò)斷晚侏羅世安山巖，形成了一條寬0.1～0.5 m不等的斷層泥帶。為排除樣品風(fēng)化等因素的影響，先去除10 cm±的風(fēng)化表層，然后在垂直斷層面方向上通過等間距采樣的方法采集斷層泥樣品，每個(gè)樣品規(guī)格為5 cm×5 cm，單個(gè)樣品至少200 g，并以這種方法采取8個(gè)斷層泥樣品，同時(shí)沿?cái)鄬用娌杉瘒鷰r樣品一塊，采樣位置如圖2b所示，斷層泥樣品從左到右分別命名為3.1-3.8，圍巖樣品命名為YY。

為方便后續(xù)研究，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將斷層泥樣品研磨至200目以下，采用懸浮法提取黏土礦物樣品，并利用X-射線衍射分析(XRD)和X-射線熒光光譜分析(XRF)對(duì)斷層泥和黏土礦物樣品進(jìn)行物相分析及主量元素分析，從原始斷層泥樣品中挑選石英顆粒，并利用掃描電鏡(SEM)對(duì)石英微形貌分析，測(cè)試工作均在吉林大學(xué)無機(jī)合成與制備化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

2 測(cè)試與分析

2.1 斷層泥礦物組合特征

前人[20]對(duì)楊樹林剖面做了一系列的研究工作，研究方向多集中在斷層地質(zhì)現(xiàn)象的基本描述以及斷層泥測(cè)年方面，而對(duì)剖面中斷層泥礦物組合特征缺少較為細(xì)致的研究。為進(jìn)一步探究楊樹林剖面中斷層泥礦物的含量及組合特征，本文對(duì)所采集的8個(gè)斷層泥樣品進(jìn)行X-射線粉末衍射分析(XRD)測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行定性與半定量分析。

樣品的X-射線粉末衍射譜圖如圖3所示，通過樣品X-射線粉末衍射譜圖顯示，斷層泥樣品中的礦物均以黏土礦物、石英、斜長石和褐鐵礦為主，樣品間僅含量略有差別。根據(jù)X-射線粉末衍射譜圖進(jìn)一步定量計(jì)算，得到斷層泥樣品中各礦物相對(duì)含量(表1)，結(jié)果顯示，斷層泥樣品中斜長石含量最高(24.66%～54.76%，平均為42.86%)，黏土礦物次之(20.17%～36.15%，平均為26.65%)，石英再次(10.85%～35.01%，平均為15.70%)，褐鐵礦最少(13.05%～16.79%，平均為14.79%)。

CM.黏土礦物；Q.石英；Pl.斜長石；Lm.褐鐵礦。圖3 楊樹林剖面斷層泥樣品(原巖)的X--射線粉末衍射圖譜Fig.3 X-ray powder diffraction patterns of fault gouge samples (protolith rocks) in Yangshulin profile

在垂直斷層面方向上斷層泥樣品中黏土礦物的含量趨勢(shì)表明，靠近斷層上盤樣品的黏土礦物含量(樣品3.2-3.5)為28%±，可以作為一個(gè)整體看待；在垂直斷層面方向上，黏土礦物含量特征表現(xiàn)為靠近斷層面上下盤樣品3.2附近和樣品3.7各有一個(gè)峰值點(diǎn)。

表1 楊樹林剖面斷層泥樣品(原巖)礦物組合及含量

Table 1 Mineral compositions and contents of fault gouge samples in Yangshulin profile

樣品編號(hào)黏土礦物/%石英/%斜長石/%褐鐵礦/%3.123.8135.0124.6616.523.227.4012.1444.7215.743.328.4911.4045.4314.673.427.4112.2646.5213.803.528.1811.4947.2813.053.620.1710.8554.7614.223.721.5615.6546.0016.793.836.1516.8333.5313.49平均26.6515.7042.8614.79

段慶寶等[21]對(duì)金河磷礦斷層帶的研究中發(fā)現(xiàn)，越靠近斷層滑動(dòng)帶時(shí)黏土礦物含量越高；楊曉松等[22]在研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的黏土礦物在斷層帶的分布現(xiàn)象。由此可見，黏土礦物的含量分布可以用來指示斷層滑動(dòng)帶的位置。袁仁茂等[23]對(duì)北川—映秀斷裂北段斷層泥的研究認(rèn)為，同震滑動(dòng)會(huì)局限在一個(gè)非常窄的地帶，而本文所研究的斷層在活動(dòng)時(shí)滑動(dòng)帶處于斷層泥中的某個(gè)窄帶里。綜上所述，本文中黏土礦物的含量峰值點(diǎn)可能指示了斷層泥中斷層滑動(dòng)帶所在的位置。

2.2 斷層泥中黏土礦物特征

為進(jìn)一步確定黏土礦物的物相及含量，分別制作黏土礦物自然定向片(N)、乙二醇飽和片(EG)和高溫片(H)。取0.02 g的斷層泥樣品，加入1 mL去離子水，在超聲波中將其分散10 min并靜置5 min，用滴管將黏土礦物懸浮液滴到載玻片上，自然風(fēng)干后制成自然定向片(N)；將自然定向片(N)置于60℃乙二醇飽和蒸汽氛圍下飽和8 h，制成乙二醇飽和片(EG)；將乙二醇飽和片(EG)置于550℃條件下加熱3 h，自然冷卻至室溫，獲得高溫片(H)。自然定向片(N)、乙二醇飽和片(EG)和高溫片(H)在制成后立即對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的X-射線粉末衍射分析(XRD)。

通過對(duì)黏土礦物樣品定向片的XRD測(cè)試發(fā)現(xiàn)(圖4)，所有樣品的自然定向片(N)均在1.0～1.54 nm之間出現(xiàn)了黏土礦物的特征峰；而經(jīng)過乙二醇飽和后，樣品在1.0～1.54 nm的特征峰消失，但在1.66～1.69 nm處出現(xiàn)了特征衍射峰；經(jīng)高溫處理后，之前乙二醇飽和片(EG)中出現(xiàn)的1.66～1.69 nm處的衍射峰消失，而在1.0 nm±處出現(xiàn)衍射峰。上述X-射線粉末衍射研究表明，斷層泥中黏土礦物樣品均以伊蒙混層礦物(I/S)為主。

自然界普遍存在蒙脫石(S)到伊利石(I)的一系列礦物變化，轉(zhuǎn)化序列通常為蒙脫石(S)-無序伊蒙混層礦物(S/I)-有序伊蒙混層礦物(I/S)-伊利石(I)[24]，伊蒙混層礦物(I/S)是蒙脫石(S)轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾?I)過程中的中間態(tài)。伊蒙混層礦物(I/S)中根據(jù)伊利石間層比(I%)含量的不同，又可以被劃分成為不同類型的間層礦物[25](表2)，這里R代表間層礦物序列中重復(fù)出現(xiàn)同種晶層所必須間隔的層數(shù)。

表2 伊蒙混層礦物中伊利石層含量與混層黏土礦物性質(zhì)關(guān)系

Table 2 Relationship between content of illite in illite-smectite mixed-layer and properties

間層類型伊利石層含量/%無序間層礦物(S/I)R=0型0～50有序間層礦物(I/S)R=1型(IS型)50～85R=3型(ISII型)>85

根據(jù)黏土礦物X-射線粉末衍射譜圖，并結(jié)合《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5163-6010》[26]計(jì)算樣品內(nèi)伊蒙混層礦物中伊利石間層比，所得結(jié)果如表3所示。由表3可知，伊蒙混層礦物里伊利石間層比為18%～27%，平均為21%，表現(xiàn)為無序伊蒙混層礦物。

表3 楊樹林剖面斷層泥樣品中伊蒙混層礦物中伊利石間層比

Table 3 Illite ratio in illite-smectite mixed-layers of fault gouge samples in Yangshulin profile

樣品號(hào)3.13.23.33.43.53.63.73.8伊利石間層比/%1823181824242719

a.3.1；b.3.2；c.3.3；d.3.4；e.3.5；f.3.6；g.3.7；h.3.8。圖4 楊樹林剖面斷層泥樣品中各黏土礦物X--射線粉末衍射譜圖Fig.4 X-ray powder diffraction patterns of clay minerals in fault gouge samples in Yangshulin profile

蒙脫石經(jīng)由伊蒙混層最終轉(zhuǎn)化為伊利石的影響因素很多，但最主要的因素是溫度[27]，很多學(xué)者據(jù)此建立了伊蒙混層的形成與溫度之間的關(guān)系。

本文采用Atsuyuki et al.[28]在2004年對(duì)安山巖區(qū)斷裂帶中的伊蒙混層礦物進(jìn)行研究時(shí)，建立的伊蒙混層礦物伊利石間層比-溫度圖解。獲得伊蒙混層礦物中伊利石間層百分含量，將其投影至伊蒙混層礦物伊利石間層比-溫度圖解中(圖5)，得到各伊蒙混層礦物的形成溫度(表4)，伊蒙混層礦物伊利石層間比最低的是18%，最高的是27%，分別對(duì)應(yīng)的形成溫度是140℃與160℃。

圖5 伊蒙混層中伊利石比例與溫度關(guān)系圖Fig.5 Cross plotting of illite ratio in illite-smectite mixed layers and temperature

表4 斷層泥樣品中伊蒙混層礦物的形成溫度

通過對(duì)楊樹林剖面斷層泥樣品中伊蒙混層礦物形成溫度的觀察，發(fā)現(xiàn)黏土礦物形成溫度在垂直斷層面方向上有兩個(gè)峰值(153℃和160℃)，分別在靠近上盤的樣品3.2和靠近下盤的樣品3.7。此趨勢(shì)與黏土礦物含量在垂直斷層面方向上的變化趨勢(shì)相似，這表明蒙脫石伊利石化程度與斷層活動(dòng)存在一定的相關(guān)性。

2.3 化學(xué)特征分析

為進(jìn)一步研究斷層活動(dòng)對(duì)斷層內(nèi)部礦物化學(xué)元素的影響，筆者利用X-射線熒光光譜對(duì)8個(gè)垂直斷層面的斷層泥及1個(gè)圍巖(YY)粉末樣品進(jìn)行了化學(xué)元素含量分析,其中樣品3.8測(cè)試結(jié)果只有SiO2，與XRD測(cè)試結(jié)果、顯微光學(xué)特征及野外觀察現(xiàn)象嚴(yán)重不符，視為測(cè)試失敗，不在文中討論。

X-射線熒光光譜分析結(jié)果如表5所示，斷層泥中的元素含量主要分為3個(gè)級(jí)別：第一個(gè)級(jí)別：含量50%±，為SiO2(48.923%～56.428%，平均51.991%)；第二個(gè)級(jí)別：含量在10%～20%，有Al2O3(15.882%～18.909%，平均17.705%)，F(xiàn)e2O3(11.325%～17.735%，平均14.746%)；第三個(gè)級(jí)別：含量在1%～10%，有CaO(3.481%～5.454%，平均4.847%)，Na2O(3.283%～3.880%，平均3.497%)，TiO2(2.552%～2.875%，平均2.753%)，MgO(1.980%～2.668%，平均2.341%)，K2O(1.959%～2.363%，平均2.124%)。斷層泥及圍巖樣品的SiO2含量特征表明斷層泥的原巖為中性巖，與圍巖安山巖對(duì)應(yīng)。

斷裂帶是流體活動(dòng)集中的場(chǎng)所，伴隨著強(qiáng)烈的水巖反應(yīng)，流體作用會(huì)導(dǎo)致斷裂帶中化學(xué)性質(zhì)活潑的元素被帶走，留下化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的元素[29-30]，可以利用斷裂帶內(nèi)化學(xué)元素的變化判斷水巖反應(yīng)程度。表5顯示，斷層泥與圍巖樣品中化學(xué)性質(zhì)活潑元素，與水巖反應(yīng)相關(guān)的元素(如K、Mg等)含量變化均在1%以內(nèi)，波動(dòng)不明顯，表明該剖面斷層帶內(nèi)水巖反應(yīng)程度較低。

2.4 石英微觀形貌觀察

斷層泥中石英微形貌通常有2種特征：①應(yīng)力微形貌，可以反映斷層的滑動(dòng)方式；②溶蝕微形貌，反映的是石英經(jīng)歷的溶蝕風(fēng)化條件，與斷層活動(dòng)年代相關(guān)[31-33]。斷層活動(dòng)在石英顆粒表面留下應(yīng)力微形貌，當(dāng)活動(dòng)終止，溶蝕作用會(huì)在應(yīng)力微形貌的基礎(chǔ)上與石英顆粒作用形成溶蝕微形貌[34-35]。石英性質(zhì)穩(wěn)定，抗溶蝕風(fēng)化能力強(qiáng)，其表面溶蝕程度與時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，可通過石英顆粒表面微形貌獲得斷層的相對(duì)活動(dòng)年代信息[36]。Kanaori et al.[33]將石英微形貌分為5類(圖6)，分別對(duì)應(yīng)不同斷層泥形成時(shí)間。

表5 斷層泥與圍巖樣品主量元素含量

圖6 斷層泥中石英微形貌與活動(dòng)時(shí)間關(guān)系圖(據(jù)文獻(xiàn)[33]修改)Fig.6 Relationship between micro-morphology of quartz in fault gouge and active ages

根據(jù)滑移方式的不同，前人將石英顆粒表面的應(yīng)力微形貌分為2種：①具貝殼狀、放射狀、階步狀斷口和撞擊楔形坑等碎裂痕微形貌，代表的是黏滑滑移[36-37]；②宏觀呈較高磨圓度，微觀表面可見勺狀擦痕、X形交錯(cuò)狀裂紋和丁字擦痕等形貌特征，代表的是蠕滑滑移[38-39]。

為分析楊樹林?jǐn)鄬悠拭娴臄鄬踊顒?dòng)特征，筆者對(duì)原始斷層泥樣品中分離出來的石英顆粒進(jìn)行掃描電鏡(SEM)形貌觀察(圖7a、b)。兩張圖像中均能看到溶蝕現(xiàn)象，礦物邊緣存在不同程度的圓化，圖7中白色箭頭1、3所示為桔皮狀溶蝕微形貌，表示斷層泥的形成時(shí)代為中更新世到早更新世，與杜龍[20]所確定的斷層為中更新世早期活動(dòng)斷層結(jié)論相符合，同時(shí)掃描電鏡圖像中沒有發(fā)現(xiàn)新

圖7 斷層泥樣品中石英顆粒掃描電鏡圖像Fig.7 Scanning electron microscopy images of quartz grains in fault gouge samples

生的應(yīng)力微形貌特征，表明斷層在更新世以后活動(dòng)較少。斷層泥中的石英顆粒磨圓度并不高，同時(shí)出現(xiàn)碎裂痕微形貌特征，如箭頭2、4所示階步狀碎裂痕跡及箭頭5所示的撞擊坑，表現(xiàn)出黏滑滑移的特點(diǎn)，這初步表明斷層活動(dòng)方式以黏滑為主。

3 討論

3.1 斷層活動(dòng)特征討論

斷層的活動(dòng)方式通常有2種：蠕滑和黏滑。通常蠕滑代表無震事件，而黏滑代表地震事件，研究斷層活動(dòng)方式對(duì)探討地震與斷層活動(dòng)行為之間的關(guān)系，以及對(duì)地震監(jiān)測(cè)與地震烈度的區(qū)劃等有著重要意義[40]。通過石英顆粒掃描電鏡(SEM)照片發(fā)現(xiàn)本斷層經(jīng)歷了以黏滑為主的事件，未表現(xiàn)出明顯的蠕滑特征；同時(shí)對(duì)斷層泥以及黏土礦物樣品的X-射線粉末衍射分析得知，斷層泥樣品中的黏土礦物都為伊利石化程度較低的伊蒙混層礦物。在前人的研究中，斷層泥中的蒙脫石為蠕滑產(chǎn)物，伊利石為黏滑產(chǎn)物[41-42]。由于伊利石是蒙脫石發(fā)生伊利石化的最終產(chǎn)物，造成其中差別的原因之一可能是因?yàn)轲せc蠕滑所造成的斷層溫度異常情況不同。黏滑事件使斷層快速錯(cuò)斷產(chǎn)生的溫度較高，能夠滿足伊利石的形成條件，而蠕滑事件不能造成顯著的熱事件[23]，不能使蒙脫石發(fā)生伊利石化。楊樹林剖面所在的斷層中的黏土礦物為伊蒙混層礦物，可能是斷層在該剖面處發(fā)生的斷裂活動(dòng)事件并不強(qiáng)烈，斷層摩擦產(chǎn)生的溫度不足以使蒙脫石全部發(fā)生伊利石化。

Slemmons et al.[43]在前人研究的基礎(chǔ)上指出，斷層活動(dòng)強(qiáng)度與斷層活動(dòng)速率、大地震重復(fù)時(shí)間間隔以及地表累計(jì)位移量有關(guān)。杜龍等[20]對(duì)楊樹林剖面的斷層泥測(cè)年研究表明該斷層為一條中更新世早期的活動(dòng)斷層。本文中石英微形貌特征研究表明更新世以后斷層活動(dòng)較少，可以判斷該斷層的活動(dòng)強(qiáng)度不高。前人通過研究發(fā)現(xiàn)斷裂活動(dòng)強(qiáng)度與斷裂中的水巖反應(yīng)程度有關(guān)[44-45]，斷層活動(dòng)強(qiáng)度不高指示斷裂中的水巖反應(yīng)程度不高，這與本文對(duì)斷層泥及圍巖樣品的化學(xué)成分分析得到的結(jié)論一致。同時(shí)，斷裂帶中的黏土礦物多是水巖反應(yīng)的產(chǎn)物[46]，斷層泥樣品中黏土礦物的含量偏低也指示斷層泥經(jīng)歷的水巖反應(yīng)程度不高。

3.2 黏土礦物轉(zhuǎn)化溫度討論

蒙脫石的伊利石化主要是指蒙脫石內(nèi)硅氧四面體發(fā)生部分鋁硅替代，同時(shí)層間脫水形成伊利石的反應(yīng)。影響該反應(yīng)的因素主要有溫度、時(shí)間、壓力、流體成分及含量、原蒙脫石成分及寄主巖巖性[27]和層間有機(jī)物[19, 47]等。其中，在多數(shù)情況下蒙脫石伊利石化進(jìn)程最重要的影響因素是溫度[27]。許多學(xué)者據(jù)此通過分析不同地質(zhì)背景下的伊蒙混層礦物建立了不同的地質(zhì)溫度計(jì)，這類溫度計(jì)主要有3種：①給出蒙脫石-無序伊蒙混層礦物-有序伊蒙混層礦物-伊利石轉(zhuǎn)化序列各變化節(jié)點(diǎn)的溫度[48]；②建立伊蒙混層礦物間層比-溫度圖解[49]；③建立動(dòng)力學(xué)公式[50]。蒙脫石的伊利石化不僅出現(xiàn)在埋藏條件下，還會(huì)出現(xiàn)在斷裂條件下，通常利用這些地質(zhì)溫度計(jì)來恢復(fù)沉積盆地古地溫[51]。基于前人對(duì)伊蒙混層礦物地質(zhì)溫度計(jì)的研究，可以分析斷層泥中伊蒙混層礦物的形成溫度，進(jìn)而研究斷層活動(dòng)時(shí)內(nèi)部溫度變化情況。

本文利用Atsuyuki et al.[28]建立的伊蒙混層礦物伊利石間層比-溫度圖解，對(duì)斷層泥中伊蒙混層礦物的形成溫度進(jìn)行投圖計(jì)算，得到斷層泥中伊蒙混層礦物的形成溫度為150℃±。

前人對(duì)蒙脫石伊利石化做了詳盡的研究，并給出了蒙脫石-伊利石轉(zhuǎn)化序列各轉(zhuǎn)化節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，Aoyagi和Kazama[52]指出蒙脫石轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾臏囟葹?37℃；汪輯安等[53]研究認(rèn)為，蒙脫石在125℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾５窃诒疚闹?，蒙脫石?50℃±時(shí)剛形成無序伊蒙混層礦物，明顯大于前兩者獲得的蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的溫度，本研究結(jié)果與季俊峰等在新西蘭發(fā)現(xiàn)的285℃下存在的無序伊蒙混層礦物相吻合[54]?？赡艿脑蛴?種：①與火山巖相關(guān)的地區(qū)巖石蝕變形成的蒙脫石多為蒙脫石亞族中的蒙脫石(種)，而對(duì)于蒙脫石(種)，由于其層間電荷偏低，不易固定K+，因而不易向伊利石轉(zhuǎn)化[55]；②斷層中水巖反應(yīng)程度較弱抑制了蒙脫石伊利石化的進(jìn)行。

3.3 同震摩擦升溫與黏土礦物轉(zhuǎn)化的關(guān)系

斷層活動(dòng)過程中由于同震摩擦溫度響應(yīng)而導(dǎo)致的斷層內(nèi)部溫度異常，通常會(huì)引起斷層帶內(nèi)礦物發(fā)生變化。蒙脫石會(huì)受斷層活動(dòng)的影響而脫去層間水分子，Ranson et al.[56]對(duì)懷俄明鈉蒙脫石的研究表明，每mol蒙脫石層間含有4.5 mol水分子，可以為蒙脫石發(fā)生伊利石化提供流體環(huán)境。斷層的活動(dòng)方式主要有4種：①在幾秒內(nèi)發(fā)生突然破裂釋放大量能量；②在100 s～3 h的時(shí)間內(nèi)以緩慢地震的形式活動(dòng)；③持續(xù)幾個(gè)小時(shí)至幾天進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)蠕動(dòng)；④以蠕滑方式活動(dòng)[57]。本文中楊樹林剖面所在的斷層除去伊蒙混層礦物無指示更高溫度的礦物形成，結(jié)合斷層活動(dòng)方式是黏滑滑移，可以推測(cè)斷層可能以緩慢地震的方式活動(dòng)。Hirono et al.[11]綜合前人研究成果繪制了黏土礦物反應(yīng)持續(xù)時(shí)間與溫度關(guān)系的圖像(圖8)，圖中可以看到在低溫(<200℃)情況下，蒙脫石可以在1 000 s以內(nèi)完成脫水作用，這意味著在緩慢地震的前提下，本斷層可以在地震過程中使蒙脫石完成脫水為蒙脫石伊利石化進(jìn)程提供反應(yīng)所需的流體環(huán)境。

實(shí)心符號(hào)代表實(shí)驗(yàn)結(jié)果；空心符號(hào)代表經(jīng)動(dòng)力學(xué)公式推算結(jié)果。圖8 黏土礦物反應(yīng)持續(xù)時(shí)間與溫度關(guān)系圖(據(jù)文獻(xiàn)[11]修改)Fig.8 Relationship between durations of clay mineral reactions and temperature

如圖8所示，在200℃和5.7 mol/L鉀離子濃度的條件下，蒙脫石的伊利石化反應(yīng)時(shí)間>108s；而當(dāng)鉀離子的含量更小時(shí)，反應(yīng)時(shí)間更慢。同震摩擦能夠引起斷層帶內(nèi)的溫度異常，但這種異常會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)向環(huán)境逸散，并伴隨著流體含量與鉀離子濃度等物理化學(xué)條件的變化；這樣營造的物理化學(xué)環(huán)境有利于蒙脫石發(fā)生伊利石化，卻不能使反應(yīng)充分進(jìn)行，這也是本文中蒙脫石伊利石化程度不高的原因。同時(shí)，如前所述該斷層水巖反應(yīng)程度不高，表明在斷層演化過程中流體活動(dòng)并不強(qiáng)烈，不利于蒙脫石伊利石化反應(yīng)的進(jìn)行，因而可以推測(cè)，本文中蒙脫石伊利石化的發(fā)生主要受斷層活動(dòng)的影響。

黏土礦物對(duì)環(huán)境變化十分敏感，可對(duì)十分微小的溫度變化做出反應(yīng)。因此，斷層活動(dòng)過程中，同震摩擦所造成的溫度升高可以被新生的伊蒙混層礦物記錄，那么黏土礦物形成溫度的峰值點(diǎn)可以指示斷層滑動(dòng)面所在的位置。在本文中，垂直斷層面方向上的伊蒙混層礦物的形成溫度變化規(guī)律與黏土礦物含量趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，表明伊蒙混層礦物形成溫度峰值所在的位置在斷層滑動(dòng)面附近。

斷層帶中伊蒙混層礦物的存在，同樣也表明斷層帶內(nèi)當(dāng)時(shí)的物理化學(xué)環(huán)境適合蒙脫石伊利石化反應(yīng)的進(jìn)行，而這個(gè)反應(yīng)最重要的影響因素是溫度[27]。斷層帶內(nèi)的溫度在蒙脫石伊利石化反應(yīng)發(fā)生時(shí)可能受到不同因素的影響，如環(huán)境溫度、熱液和同震摩擦升溫等。由于楊樹林剖面所在的斷層是一條中更新世早期活動(dòng)斷裂，本區(qū)自更新世以后很少有關(guān)于巖漿活動(dòng)的記載，可以排除高溫?zé)嵋簩?duì)斷層物質(zhì)的影響。

研究表明，同震摩擦升溫效應(yīng)影響的范圍十分有限，往往只分布在很薄的滑移帶內(nèi)，形成以斷裂帶為中心的高溫條帶[58-59]，這會(huì)造成垂直斷層面方向上的溫度變化，最終被新生礦物記錄。本文中伊蒙混層礦物形成溫度在垂直斷層面方向上有明顯的起伏變化，且伊蒙混層礦物形成溫度峰值所在的位置在斷層滑動(dòng)面附近，表明蒙脫石伊利石化過程中可能經(jīng)歷了同震摩擦升溫作用的影響。

綜上分析，黏土礦物轉(zhuǎn)化可能受到了同震摩擦升溫作用的影響。前人已經(jīng)證明同震摩擦升溫作用可以影響?zhàn)ね恋V物的轉(zhuǎn)化，如Bos[16]的摩擦實(shí)驗(yàn)表明同震摩擦升溫可以改變黏土礦物的成分；黨嘉祥[60]及袁仁茂[23]對(duì)汶川地震斷層泥野外實(shí)例的研究也證明了同震升溫可導(dǎo)致黏土礦物發(fā)生轉(zhuǎn)化，都與本文得出的結(jié)論一致。

因此，本文中伊蒙混層礦物的形成溫度可以反應(yīng)同震摩擦升溫情況。伊蒙混層形成溫度的研究表明，伊蒙混層礦物的形成溫度為140℃～160℃，最高溫度與最低溫度相差20℃，該溫度值代表了同震摩擦造成斷層內(nèi)部溫度小幅升高的情況。

4 結(jié)論

(1)水泉子溝—天山口斷裂帶楊樹林剖面所在的位置經(jīng)歷了黏滑滑移，其斷層活動(dòng)強(qiáng)度較弱，水巖反應(yīng)程度不高。

(2)楊樹林剖面斷層泥中黏土礦物主要為伊蒙混層礦物，其形成溫度為140℃～160℃。

(3)垂直于斷層面方向上蒙脫石伊利石化趨勢(shì)與斷層泥中黏土礦物含量趨勢(shì)的相似性表明蒙脫石伊利石化可能受到了同震摩擦升溫的影響，蒙脫石伊利石化形成溫度可以反應(yīng)同震摩擦升溫情況。

(4)伊蒙混層礦物形成溫度上下限的差值為20℃，這代表了同震摩擦造成的斷層內(nèi)部溫度小幅升高情況。

致謝感謝吉林大學(xué)無機(jī)合成與制備化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在本文測(cè)試工作中給予的幫助，感謝張俊程碩士在文章撰寫過程中提出的寶貴意見。