2008年汶川地震斷裂帶北東段南壩地區(qū)巖石特征與內(nèi)部結(jié)構(gòu)*

李成龍 李海兵 王煥 張蕾 孫知明 張佳佳 云錕 張進江

1. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，自然資源部深地動力學(xué)重點實驗室，北京 100037 2. 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871 3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州)，廣州 511458 4. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點實驗室，北京 100081 5. 中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，成都 611734 6. 成都理工大學(xué)，成都 610059

2008年5月12日，青藏高原東緣龍門山斷裂帶發(fā)生了Ms8.0級地震，這次地震造成龍門山映秀-北川和灌縣-安縣斷裂帶同時破裂，分別產(chǎn)生240～270km和～80km長的地表破裂帶(付碧宏等，2008a；李海兵等，2008；李勇等，2008；劉靜等，2008；徐錫偉等，2008)，并且破裂帶具有不同運動學(xué)性質(zhì)：沿映秀-北川斷裂帶產(chǎn)生的地表破裂具有斜向逆沖運動性質(zhì)，其中南西段(映秀斷裂帶)以由北西向南東逆沖為主伴隨右旋走滑性質(zhì)，北東段(北川斷裂帶)以右旋走滑為主伴隨逆沖性質(zhì)，而沿灌縣-安縣斷裂帶的地表破裂為純逆沖性質(zhì)(付碧宏等，2008a；李海兵等，2008；李勇等，2008；劉靜等，2008；徐錫偉等，2008;李傳友等，2008)。汶川地震余震分布顯示，余震群分布呈北東-南西走向，南西段余震分布寬度大且主要集中在破裂帶西北側(cè)，北東段余震分布寬度較窄，主要在破裂帶兩側(cè)(Zhangetal.，2010)。震后通過InSAR研究發(fā)現(xiàn)，映秀-北川斷裂帶深部滑動面的幾何形態(tài)在西南段向北西方向緩傾，在北東段變?yōu)榻绷⒍竷A(Shenetal.，2009)。因此，汶川地震沿映秀-北川斷裂帶破裂過程中南西與北東兩段具有不同的破裂行為。然而，造成同一破裂帶南西與北東段不同的破裂行為的原因目前尚不清楚，其破裂機制和發(fā)震機理也不明了。斷裂帶的巖石組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是了解斷裂性質(zhì)、破裂機制、力學(xué)狀態(tài)和流體行為的關(guān)鍵(Faulkneretal.，2008；Wibberleyetal.，2008)，也是認識斷裂帶地震活動性和演化過程的重要因素(Chesteretal.，1993；Scholz，2002)。因此，汶川地震后，許多學(xué)者通過地表露頭和汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探(WFSD)巖心對映秀-北川斷裂帶物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)以及摩擦行為進行了多方位的研究(Lietal.，2013，2014; Yaoetal.，2013a，b；Wangetal.，2014a，b；Liuetal.，2016; Togoetal.，2011a，b，2016)，并取得了一系列重要認識：在映秀-北川斷裂帶南西段(映秀斷裂帶)虹口地區(qū)，斷裂帶的寬度約240m，由碎裂巖、斷層泥、斷層角礫巖和多期次假玄武玻璃組成(Lietal.，2013；Wangetal.，2014a，2015)，表明映秀-北川斷裂帶是一條經(jīng)常發(fā)生大地震的斷裂帶(Wangetal.，2019a)。然而，這些研究主要集中在映秀-北川斷裂帶南西段，對北東段(北川斷裂帶)則少有報導(dǎo)，僅在地表斷層泥方面有少量研究(付碧宏等，2008b；韓亮等，2010；袁仁茂等，2013)。目前北川斷裂帶的物質(zhì)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然不清楚，這制約著對汶川地震機制的全面認識，尤其是制約著對北川斷裂帶的地震滑移行為和地震活動性的認識。

本文以映秀-北川斷裂帶北東段(北川斷裂帶)南壩地區(qū)露頭剖面為研究對象，通過野外觀測以及樣品采集、顯微構(gòu)造觀察和地球化學(xué)分析等，來探討北川斷裂帶的巖石組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。雖然地表露頭所獲得的斷裂帶物質(zhì)受到風化過程的影響，但是該研究仍然可以揭示斷裂帶的構(gòu)造變形及其活動性，為認識龍門山斷裂帶地震破裂機制和斷裂動力學(xué)提供科學(xué)依據(jù)。

1 構(gòu)造背景與分析方法

1.1 構(gòu)造背景

龍門山斷裂帶地處青藏高原與四川盆地之間(圖1a)，為中國東部和西部地形地貌的邊界，也是我國重要的地震活動帶之一(鄧起東等，1994)。龍門山斷裂帶總體以北東向南西延綿，全長約500km， 寬約30～50km， 斷裂帶可分為北段、中段和南段(劉樹根，1993)。該斷裂帶在新生代晚期沿中生代造山帶重新活化(Burchfieletal.，1995，2008；Kirbyetal.，2002，2008)。

龍門山斷裂帶主要由三條近平行的逆沖斷裂帶組成(圖1b)，由西向東分別為：汶川-茂縣斷裂(龍門山后山斷裂)、映秀-北川斷裂(龍門山中央斷裂)和灌縣-安縣斷裂(龍門山前山斷裂)(Jiaetal.，2006；李勇等，2006)?；诙喾N構(gòu)造特征及演化歷史，可將龍門山斷裂帶自北東向南西以高川-秀水一線和臥龍-懷遠一線(都江堰以南)為界劃分為三段，即龍門山斷裂帶北東段、中段和南西段(圖1b)；龍門山斷裂帶北東段位于高川-秀水一線之北東的部分，以出露轎子頂基底雜巖和發(fā)育唐王寨向斜為典型特征；龍門山斷裂帶中段位于高川-秀水一線與臥龍-懷遠一線之間的部分，以后山帶出露彭灌雜巖和前山帶發(fā)育飛來峰群為顯著特征， 同時這里也是汶川地震震中所在部位；龍門山斷裂帶南西段位于臥龍-懷遠一線之南西的部分，以出露五龍、寶興基底雜巖及其前緣發(fā)育飛來峰為典型特征(李智武等，2008；劉樹根等，2008)。

映秀-北川斷裂不僅是青藏高原東緣地形陡變帶的邊界(Kirbyetal.，2008)，控制著區(qū)域地貌的分布，而且是2008年汶川地震的發(fā)震斷裂，沿斷裂中段和北東段形成240～270km長地表破裂帶(李海兵等,2008；徐錫偉等,2008)。

本文研究區(qū)位于四川省平武縣南壩鎮(zhèn)地區(qū)，屬于映秀-北川斷裂帶北東段的北川斷裂帶。研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有震旦、寒武、志留及泥盆紀的砂板巖互層，且有少量碳質(zhì)板巖(圖2)。其中震旦紀地層為千枚巖、結(jié)晶灰?guī)r、變砂巖和硅質(zhì)白云巖；寒武紀地層為變砂巖、板巖和硅質(zhì)巖；志留紀地層為千枚巖夾變砂巖、灰?guī)r；泥盆紀地層為石英砂巖、粉砂巖和泥巖。研究剖面位于寒武紀砂板巖中(圖2b)，并出露2008年汶川地震地表破裂帶(圖3)，破裂帶伴隨有～2m的垂直位移和～2.8m的右旋水平位移(李海兵等，2008)，破裂面發(fā)育在斷裂巖中。

圖2 映秀-北川斷裂帶北東段構(gòu)造地質(zhì)圖(a，據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，中國地質(zhì)科學(xué)院，2008(4)中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，中國地質(zhì)科學(xué)院. 2008. 1/25萬汶川地震災(zāi)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖；四川省地質(zhì)調(diào)查院，2012(5)四川省地質(zhì)調(diào)查院. 2012. 1/5萬平武縣南壩鎮(zhèn)汶川地震科學(xué)鉆探四號孔(WFSD-4)施工區(qū)地形地質(zhì)圖修改)及地質(zhì)剖面(b)Fig.2 Tectonic and geological map (a) and cross section (b) of the NE segment of the Yingxiu-Beichuan fault belt

1.2 樣品采集與分析方法

沿著南壩地區(qū)出露的北川段斷裂帶剖面，我們對斷裂巖及其圍巖進行了系統(tǒng)采樣。為確保取樣的連續(xù)性和完整性，斷裂兩盤斷層角礫巖帶和破碎帶取樣間距約0.5～2m，黑色斷裂物質(zhì)中間隔2～5cm連續(xù)取樣，共采集24塊樣品，其中20塊樣品進行了XRD測試(表1)，中間黑色斷裂物質(zhì)選取NB-1～5、斷層角礫巖帶樣品NB-12和破碎帶樣品巖石NB-14制成薄片。

表1 北川斷裂帶南壩露頭斷裂巖礦物含量

首先將巖石薄片在光學(xué)顯微鏡下觀察，然后對代表性樣品薄片在掃描電鏡下進行詳細觀測，包括礦物組成、顆粒大小、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特征，分析其微觀構(gòu)造與斷裂流體作用。利用粉末樣品進行X射線衍射(XRD)儀器分析其物質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)等信息，通過微區(qū)X射線熒光分析儀(μXRF)對重要樣品薄片開展化學(xué)成分面掃描，分析元素分布特征。SEM和μXRF實驗在自然資源部深地動力學(xué)重點實驗室進行，XRD實驗在北京北達智匯微構(gòu)分析測試中心進行。

2 南壩地區(qū)北川斷裂帶宏觀構(gòu)造

在南壩鎮(zhèn)北東方向～500m處的省級公路(S105)被2008年汶川地震錯斷，破裂面產(chǎn)狀為走向N44°E，傾向NW，傾角70°，被錯斷的公路產(chǎn)生～2.8m的右旋水平位移和～2m的垂直位移(圖3)，顯示出右旋走滑伴隨由NW向SE方向逆沖的運動學(xué)特征。震后公路重新修復(fù)，路邊斷裂帶明顯呈現(xiàn)。

圖3 南壩地區(qū)汶川地震地表破裂帶特征(a)地表破裂帶特征，可見水平位移和垂直位移；(b)地表破裂面，破裂面發(fā)育在黑色物質(zhì)層上邊界面Fig.3 The Wenchuan co-seismic surface rupture near Nanba(a) surface rupture with horizontal displacement and vertical displacement; (b) co-seismic slipping surface. The black material mainly occurred within the footwall

從地表露頭剖面來看，斷裂帶寬度約為30m，總體走向為N40°～45°E，以發(fā)育黑色斷裂物質(zhì)層為中心，兩側(cè)發(fā)育斷層角礫巖和破碎帶(圖4)。汶川地震破裂面沿黑色斷裂物質(zhì)層上邊界分布，斷裂帶上盤物質(zhì)為斷層角礫巖、破碎帶和具弱破裂的圍巖；斷裂帶下盤物質(zhì)為黑色物質(zhì)層、斷層角礫巖、破碎帶和具弱破裂的圍巖(圖4)，圍巖主要為變質(zhì)砂巖和板巖。

圖4 南壩地區(qū)北川斷裂帶野外露頭及樣品位置(a)斷裂帶野外照片；(b)斷裂帶素描.紅色線為汶川地震地表破裂帶Fig.4 Field outcrop and sample locations in the Beichuan fault zone in Nanba area(a) photograph of the outcrop; (b) geological sketch of the fault zone. The red line is the surface co-seismic rupture of the Wenchuan earthquake

斷裂帶上盤，與黑色物質(zhì)層相鄰的斷層角礫巖層厚約4m，其北西側(cè)破碎帶厚度約10m。斷裂帶下盤，黑色物質(zhì)層厚20～40cm，相鄰斷層角礫巖層厚約3m，其南東側(cè)的破碎帶厚度約12m，呈現(xiàn)出近對稱的單核斷裂結(jié)構(gòu)。黑色物質(zhì)層與斷層角礫巖有明顯的邊界，其中北西邊界平直，南東邊界凹凸不平(圖4)，破碎帶與圍巖之間沒有明顯的界限。黑色斷裂物質(zhì)和斷層角礫巖均發(fā)育有弱面理(圖5a, d)。宏觀上看，黑色斷裂物質(zhì)固結(jié)較好且粒度較細(圖5e)，較脆易破碎，內(nèi)部未見明顯的角礫，可略見兩組面理構(gòu)造(圖5a, b)。在黑色物質(zhì)層北西側(cè)邊界發(fā)育厚約10mm厚的狹窄的薄層(圖5b)，從2008年汶川地震快速應(yīng)急調(diào)查現(xiàn)場結(jié)果來看，地表破裂面發(fā)育在黑色物質(zhì)層的上邊界面(圖3)，這狹窄的邊界層是汶川地震的滑動帶，貫穿整個黑色物質(zhì)層北西邊界，呈NW方向陡傾的面理。在黑色物質(zhì)帶中有一條厚約2～3cm的黃褐色條帶(圖5c)，它與旁邊的黑色塊體有較明顯的邊界(圖5c)；另外，在黑色物質(zhì)層中可見SW向陡傾的面理(圖5)，與NW方向陡傾的汶川地震滑動帶呈～30°夾角。

3 斷裂巖的顯微構(gòu)造

研究區(qū)中北川斷裂帶發(fā)育在寒武紀粉砂質(zhì)板巖中，破碎帶中巖石的顯微構(gòu)造基本與粉砂質(zhì)板巖構(gòu)造特征一致，斷層角礫巖保留有圍巖的部分構(gòu)造特征，斷裂帶中黑色斷裂物質(zhì)幾乎看不見圍巖構(gòu)造特征。

破碎帶中的巖石原巖結(jié)構(gòu)仍然保留(圖6a)，只是微破裂增多。斷層角礫巖主要由具有原巖特征的、大小不一的、角礫狀碎塊組成，碎塊之間不規(guī)則接觸,無明顯位移，斷層角礫巖中次生面理構(gòu)造明顯(圖6b)，面理產(chǎn)狀與黑色斷裂物質(zhì)層近一致。

圖6 南壩地區(qū)斷裂巖光學(xué)顯微照片(a)斷裂巖巖石特征；(b)面理化的斷層角礫巖Fig.6 Microstructural features of the fault rocks at Nanba(a) general characteristics of fault rocks; (b) foliated fault breccia

黑色斷裂物質(zhì)在光學(xué)顯微鏡下主要呈黑色和棕灰色或灰褐色，呈塊狀和角礫狀結(jié)構(gòu)(圖7)，其中黑色物質(zhì)總體粒度均勻，薄片中可見規(guī)模不同的不規(guī)則次生裂隙，裂隙中有被黃棕色物質(zhì)充填(圖7e)。黑色斷裂物質(zhì)層的西邊界與角礫巖接觸部位，可見變粉砂巖中汶川地震的滑動帶，同時在黑色斷裂物質(zhì)邊界有厚約0.5mm的滑動帶(圖8a)。棕灰色物質(zhì)基質(zhì)較為均勻，可見不規(guī)則次生裂隙，其內(nèi)部分布大小不一的黑色斷裂物質(zhì)碎塊，碎塊多為次棱角狀到次圓狀，可見渾圓塊體(圖7、圖8)，還可見砂巖礫(圖8b，c，e)，棕黃色物質(zhì)圍繞角礫邊緣分布(圖8c，d，f)。

圖8 南壩地區(qū)黑色斷裂物質(zhì)單偏光下顯微特征(a)黑色斷裂物質(zhì)與角礫巖接觸邊界，可見滑動帶；(b)褐色基質(zhì)中間有黑色角礫，可見砂巖礫；(c)樣品NB-3特征，灰褐色基質(zhì)中間有少量的黑色角礫，還可見砂巖礫，棕黃色條帶圍繞角礫邊緣生長；(d)樣品NB-3特征，有殘留的黑色角礫，可見綠泥石和重結(jié)晶后的礦物；(e)樣品NB-2特征，灰褐色基質(zhì)中有黑色角礫和砂巖礫；(f)樣品NB-3特征，可見石英和殘留的黑色角礫，在裂隙中可見棕黃色物質(zhì)，顯示流體作用特征Fig.8 Microstructural features of the black fault materials in Nanba area under polarized light(a) boundary between black fault material and breccia, and the co-seismic slipping zone; (b) black breccia in the brown matrix material, and the sandstone breccia; (c) sample NB-3 showing occurrence of the black breccia in the gray-brown matrix material, the sandstone breccia, and the brown-yellow stripping materials growing around the edge of the breccia; (d) residual black breccia, chlorite and recrystallized minerals in sample NB-3; (e) black breccia and sandstone clasts in the gray-brown matrix material in sample NB-2; (f) sample NB-3 showing occurrence of quartz and residual black breccia, and brown-yellow materials, indicating previous fluid action

掃描電鏡(SEM)觀察顯示黑色斷裂物質(zhì)由很多粒徑大小不一(2～30μm)的石英顆粒和細小的黏土礦物組成(圖9)。其中可見水滴狀、球狀、環(huán)帶和孔洞狀構(gòu)造(圖10)，EDS成分分析顯示其主要為含Si質(zhì)成分物質(zhì)(圖10g，h)。

圖9 南壩地區(qū)黑色斷裂物質(zhì)掃描電鏡特征(a)黑色斷裂物質(zhì)BSE圖像，可見大塊的石英顆粒；(b)黑色斷裂物質(zhì)BSE圖像，可見石英顆粒和黏土礦物Fig.9 SEM features of the black fault materials in Nanba area(a) BSE image of the black fault material showing big-size quartz grains; (b) BSE image of black fault material showing occurrences of quartz and clay minerals

圖10 黑色斷裂物質(zhì)(樣品NB-3)SEM圖像及能譜曲線(a、b)水滴狀的構(gòu)造；(c)似氣孔構(gòu)造；(d)熔融體環(huán)帶構(gòu)造；(e、f)球粒構(gòu)造；(g)圖10d中點1的能譜圖；(h)圖10f中點2的能譜圖Fig.10 SEM images of black fault material and the SEM-EDS spectrum analysis(a, b) droplet structures; (c) vesicles; (d) melt flow structures; (e, f) spherulites; (g) the energy spectrum of point 1 in Fig.10d; (h) the energy spectrum of point 2 in Fig.10f

4 斷裂巖的XRD和μXRF分析

斷裂帶樣品的XRD圖譜顯示(圖11)，破碎帶巖石、斷層角礫巖和黑色斷裂物質(zhì)主要礦物成分為：石英、微斜長石、斜長石以及黏土礦物，在黑色物質(zhì)層中除上述礦物外，還有黃鉀鐵礬和重晶石等礦物。黏土礦物主要為：伊利石、綠泥石、伊蒙混層，僅兩個黑色斷裂物質(zhì)樣品中含有蒙脫石。

圖11 南壩地區(qū)北川斷裂帶斷裂巖的XRD圖譜Qz-石英；Ab-斜長石；Mc-微斜長石；Il-伊利石；Chl-綠泥石；I/S-伊蒙混層；Bar-重晶石；Jar-黃鉀鐵礬；Sme-蒙脫石；Atg-蛇紋石Fig.11 XRD patterns of fault rocks in the Beichuan fault zone in Nanba are Qz-quartz; Ab-albite; Mc-microcline; Il-illite; Chl-clinochlore; I/S-illite/smectite; Bar-barite; Jar-jarosite; Sme-smectite; Atg-antigorite

對20個斷裂帶樣品進行了礦物含量的分析(表1)?？傮w來看，黑色斷裂物質(zhì)(NB-1、NB-4、NB-5、NB-6、NB-7、NB-8、NB-9、NB-10)中石英含量31%～50%，長石含量18%～26%，黏土礦物成分含量24%～36%；斷層角礫巖(NB-11、NB-13、NB-14、NB-19、NB-20、NB-21)中石英含量35%～45%，長石含量24%～36%，黏土礦物成分含量18%～34%；破碎帶(NB-15～18、NB-22～24)中石英含量31%～47%，長石含量24%～45%，黏土礦物成分含量15%～45%。從破碎帶到斷層角礫巖再到黑色斷裂物質(zhì)，石英含量變化不大，但是長石含量逐漸降低，黏土礦物含量明顯增加。

此外，對黑色斷裂物質(zhì)標本進行切割及表面拋光后，采用μXRF無損檢測技術(shù)對其切面進行元素掃描。測試結(jié)果(圖12)表明，深黑色角礫的Fe、K元素含量低于棕灰色的部分，深黑色角礫中的Ba、Ti、V含量高于淺色部分的，其中黑色角礫裂隙中的Ba、Ti、V含量明顯偏高。

圖12 黑色物質(zhì)樣品表面μXRF測試元素分布特征(a)黑色斷裂物質(zhì)掃描圖；(b-f)Fe, K, Ca, Ba,Ti和V的單元素分布圖，彩色條代表XRF的強度，紅色區(qū)域表示高豐度，可見Ba、Ti和V之間有明顯的正相關(guān)性，和K、Fe有反相關(guān)性Fig.12 μXRF mapping of the elements distribution of the black materials(a) scanned image of the fractured black material; (b-f) single element distribution diagrams of Fe, K, Ca, Ba, Ti and V. Color bars represent the strength of XRF. The red color indicates high abundance. There is a positive correlation between Ba, Ti and V, and a negative correlation with K and Fe

5 討論

5.1 北川斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)

根據(jù)變形程度的不同，斷裂帶可分為斷層核部和破碎帶。斷層核部通常是作為一個滑移面或滑動帶，由斷裂巖(斷層泥、斷層角礫巖、碎裂巖或假玄武玻璃)組成，破碎帶通常是由具有破裂分布較寬的圍巖組成。斷裂核部寬度一般較窄，小斷裂可能僅有1～3mm寬，大斷裂也就10～30cm寬。斷裂帶核部寬度雖然很窄但卻容納了斷裂帶的大部分變形。斷裂帶可分為單核結(jié)構(gòu)和多核結(jié)構(gòu)這兩種典型類型(Faulkneretal.，2010)。單核結(jié)構(gòu)為有一個高應(yīng)變斷層核部的斷裂帶(Chester and Logan，1986)，多核結(jié)構(gòu)是有多個高應(yīng)變斷層核部的斷裂帶(Faulkner and Rutter，2003)。

在研究區(qū)，北川斷裂帶中斷裂巖和破碎帶的呈規(guī)律分布，以陡傾的黑色斷裂物質(zhì)為中心，兩側(cè)分別為斷層角礫巖和破碎帶，并且它們的厚度基本一致，汶川地震滑動面沿黑色斷裂物質(zhì)層北西邊界分布，并有～10mm的滑動帶(圖3、圖5)，從顯微鏡下觀察到的滑動帶則更窄。該黑色斷裂物質(zhì)是早期斷裂滑動所產(chǎn)生的直接或間接物質(zhì)，是斷裂帶的高應(yīng)變帶。因此，北川斷裂帶具有典型的單核結(jié)構(gòu)特征，寬度～30m。

在映秀-北川斷裂帶南西段虹口地區(qū)，映秀斷裂帶寬約240m，由五個次級不同的斷裂巖帶組成：碎裂巖帶(具有假玄武玻璃)、黑色斷層泥和角礫巖帶、灰色斷層角礫巖帶、深灰色斷層角礫巖帶以及斷層泥和角礫巖帶，斷裂巖組合顯示映秀斷裂帶具有多核斷裂結(jié)構(gòu)特征(Wangetal.，2014a)，是一條從晚三疊世至現(xiàn)今經(jīng)常發(fā)生大地震的斷裂帶(Zhengetal.，2016；Wangetal.，2019a)。北川斷裂帶與映秀斷裂帶具有明顯不同的斷裂巖組合和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，反映出它們具有不同的演化歷史和變形作用，是兩條不同的斷裂帶，只是2008年汶川地震破裂使它們貫穿聯(lián)通。為什么一次地震使兩條不同的斷裂聯(lián)通？映秀斷裂和北川斷裂聯(lián)結(jié)部位彎曲，成為典型的“拉張階區(qū)”(圖1)，根據(jù)目前的數(shù)值模擬研究，拉張階區(qū)應(yīng)力應(yīng)變限制在兩條主要斷層間，而且容易失穩(wěn)，一側(cè)斷層破裂容易跳到另一側(cè)的控制斷層上(Finzi and Langer，2012；Wangetal.，2017，2020)，使之破裂，因此，汶川地震破裂傳播過程中，破裂是由SW向NE方向傳播，當破裂沿映秀斷層向NE方向傳播至清平拉張階區(qū)，由于該拉張階區(qū)容易導(dǎo)致應(yīng)力傳播，所以，破裂跳至另一條相鄰的北川斷裂傳播。

5.2 黑色斷裂物質(zhì)：蝕變的假玄武玻璃

從XRD分析結(jié)果(表1、圖11)來看，研究區(qū)內(nèi)的黑色斷裂物質(zhì)中黏土礦物含量較高(24%～36%)，從SEM圖像可見，黏土礦物顆粒細小呈無方向性分布，局部可見細小的伊利石圍繞石英顆粒邊部生長(圖9b)，為后期形成的黏土礦物。以上表明黑色物質(zhì)可能是斷層泥，但其質(zhì)地脆且易碎、為相對均質(zhì)的塊狀結(jié)構(gòu)，不同于普通斷層泥呈松軟狀和映秀-北川斷裂帶南西段虹口地區(qū)具有棱角狀大小不一的碎塊及帶狀構(gòu)造的斷層泥(Togoetal.，2011b；Wangetal.，2014a；Wangetal.，2019a)，也不同于灌縣-安縣斷裂帶中斷層泥黏土礦物富集、面理發(fā)育和壓溶構(gòu)造的特征(Heetal.，2018)。在棕灰色物質(zhì)中可見大小不一、無定向的黑色物質(zhì)角礫(圖7a-c)，顯示棕灰色物質(zhì)灌入到黑色塊狀物質(zhì)中，使它破碎的特征。綜上，這些黑色斷裂物質(zhì)可能不是通常的斷層泥。

部分黑色斷裂物質(zhì)(NB-6，-7)的局部XRD圖譜顯示，在16°～34°的低衍射角(2θ)范圍具有寬的非晶質(zhì)物質(zhì)衍射波譜的峰帶特征(圖13)，在SEM圖像中發(fā)現(xiàn)有水滴狀、球狀、環(huán)帶和似氣孔狀構(gòu)造的熔融結(jié)構(gòu)(圖10)，這些特征都明顯指示了斷裂核部黑色物質(zhì)具有熔融形成的假玄武玻璃的特征，表明該黑色斷裂物質(zhì)是假玄武玻璃斷層脈，是古地震的產(chǎn)物。

圖13 北川斷裂帶中假玄武玻璃的XRD圖譜Fig.13 XRD patterns of pseudotachylytes in Beichuan segment

此外，黑色物質(zhì)的Fe、Ba、Ti元素含量相對較高(圖12)，這與映秀-北川斷裂帶虹口地區(qū)出露的假玄武玻璃具有高Fe、Ba、Ti含量的特征(Wangetal.，2019b)相似。斷裂帶中假玄武玻璃被認為是地震發(fā)生的直接產(chǎn)物與證據(jù)，是古地震斷層快速滑動產(chǎn)生高溫使巖石熔融而形成的殘留物，被喻為“地震化石”(Sibsonetal.，1975；Lin，1994)。假玄武玻璃具有焊接斷裂的作用，同時被后期的熔體灌入時也易破碎，所以在棕灰色假玄武玻璃中可見黑色假玄武玻璃角礫。北川斷裂帶中發(fā)育的厚層假玄武玻璃斷層脈表明，該斷裂帶經(jīng)常發(fā)生大地震活動。

顯微結(jié)構(gòu)觀察顯示，黑色物質(zhì)中只發(fā)現(xiàn)了類似氣孔和球粒構(gòu)造，沒有看到由于熔融而產(chǎn)生的明顯的流動構(gòu)造、不同類型微晶和不規(guī)則港灣狀構(gòu)造等，可能是后期蝕變作用造成熔融特征被覆蓋。斷裂帶是流體的通道(Caine and Forster，1999)，流體-巖石相互作用可使斷裂巖中的礦物發(fā)生變化。我們在顯微鏡下觀察到了大量的流體作用的痕跡，如裂隙中生長很多黃鉀鐵釩等硫化物礦物，這些物質(zhì)或包圍黑色角礫(圖14a)或充填在灰褐色的塊體的基質(zhì)中(圖8c-f、圖14b)。已有的研究表明，蝕變的熔體中碎塊周圍往往具有明顯的蝕變邊緣(Wangetal.， 2019a)，如在石英碎塊、黑色物質(zhì)(假玄武玻璃)碎塊和變砂巖碎塊周緣可見到蝕變邊緣(圖8c-e)。這些證據(jù)表明在南壩地區(qū)北川斷裂帶中存在地震產(chǎn)生的假玄武玻璃，可能由于后期流體等作用大部分已經(jīng)被蝕變了。

圖14 南壩地表露頭斷裂巖流體作用顯微照片(a、b)及能譜曲線(c、d)(a)樣品NB-3鏡下特征，黃褐色的硅鋁質(zhì)物質(zhì)分布在褐色塊體中；(b)樣品NB-4鏡下特征，黃-黃褐色硅鋁質(zhì)物質(zhì)將黑色塊體包裹；(c)圖a中點1的能譜圖；(d)圖b中點2的能譜圖Fig.14 Micrographs showing fluid-rock interaction in the fault rocks (a, b) and the EDS patterns (c, d) of the analyzed spots(a) microscopic features of the sample NB-3 showing the yellow-brown salic materials developed within the brown materials; (b) microscopic features of the sample NB-4 showing yellow to yellow-brown salic materials surrounded the black fragments; (c) the energy spectrum of point 1 in the Fig14a; (d) the energy spectrum of point 2 in the Fig.14b

5.3 北川斷裂帶滑移機制

5.3.1 斷裂破裂行為

大量的研究發(fā)現(xiàn)斷裂帶的地震滑動過程中，滑動面通常分布在斷裂帶底部，如映秀-北川斷裂帶南部虹口露頭中，2018年汶川地震破裂面發(fā)育在映秀斷裂帶底部(Togoetal.，2011b；Wangetal.，2014a)，綿竹市九龍清泉村露頭和汶川科鉆(WFSD-3，3P)巖心研究顯示汶川地震破裂面發(fā)育在灌縣-安縣斷裂帶底部(Lietal.，2016)。1999年集集地震(Mw7.3)的滑動面同樣發(fā)育在車籠浦斷裂帶的底部(Yehetal.，2007)。這些現(xiàn)象均表明逆沖斷裂帶活動，其地震破裂面(斷層滑移面)往往發(fā)育在斷裂帶底部，這可能與逆沖斷裂的生長方向有關(guān)。日本Nojima斷裂帶是條陡傾的右旋走滑斷裂，1995年神戶地震(Ms7.2)沿該斷裂發(fā)生破裂，破裂帶以右旋走滑為主伴隨逆沖分量，北川段斷裂帶性質(zhì)與其非常相似。震后斷裂帶科學(xué)鉆探和地表露頭研究均揭示了神戶地震滑動面發(fā)育在Nojima斷裂帶底部(Linetal.，2001)，然而汶川地震是沿北川段斷裂帶頂部破裂。為什么汶川地震破裂面發(fā)育在北川段斷裂帶黑色斷裂物質(zhì)(蝕變假玄武玻璃)層的頂部而不在底部？這是否與斷裂后退式生長有關(guān)，還是其他因素控制，具體成因還需深入研究。

5.3.2 斷裂滑移機制

斷裂滑移過程可分為速度弱化和速度強化(Dieterich，1979；Ruina，1983)，速度弱化斷裂快速滑動產(chǎn)生地震，速度強化斷裂緩慢滑動(蠕滑)不產(chǎn)生地震。斷裂巖可以提供斷裂的物理、化學(xué)、應(yīng)力變化等信息，是了解斷裂滑移機制的重要研究對象。了解在地震過程中斷裂帶內(nèi)發(fā)生的礦物變化、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物性特征和摩擦行為等信息，可判斷在地震發(fā)生過程中的斷裂弱化機制。斷裂弱化機制是地震動力學(xué)研究中最關(guān)鍵的科學(xué)問題之一(Di Toroetal.，2011)。

我們的研究認為南壩露頭中黑色斷裂物質(zhì)是蝕變的假玄武玻璃，其中保存有少量熔融特征，指示了斷裂滑移過程中存在摩擦熔融潤滑的弱化機制，表明摩擦熔融潤滑是北川斷裂帶重要的弱化機制。目前研究認為假玄武玻璃斷層脈的厚度隨斷層滑移量的增大而增加(Sibson，1975；Di Toro and Pennacchioni，2005)，一次大地震可以形成幾毫米至幾厘米厚假玄武玻璃(Di Toro and Pennacchioni，2005)。目前我們還無法區(qū)分出20～40cm厚的黑色斷裂物質(zhì)層中有多少層假玄武玻璃，但可以確定的是南壩地區(qū)北川斷裂帶中的假玄武玻璃是經(jīng)歷了多期大地震事件所產(chǎn)生的，而且它應(yīng)該是長期古地震活動的產(chǎn)物，并非2008年汶川地震形成的。在棕灰色假玄武玻璃中可見黑色假玄武玻璃碎塊(圖7a-c、圖8b-f)，說明后期斷層快速滑動過程中使早期形成的假玄武玻璃破碎成為新的假玄武玻璃中的角礫。因此，我們認為北川斷裂帶存在多期次的快速滑動所產(chǎn)生的高溫熔融作用，摩擦熔融潤滑機制是北川斷裂帶滑動的重要弱化機制。

6 結(jié)論

本文通過對映秀-北川斷裂帶北東段南壩地區(qū)地表露頭調(diào)查，結(jié)合顯微構(gòu)造、XRD、μXRF等手段對斷裂帶內(nèi)部巖石進行綜合分析，得出以下幾點結(jié)論：

(1)北川斷裂帶寬度約30m，由假玄武玻璃、斷裂角礫巖和破碎帶組成。以含假玄武玻璃帶為核部，兩側(cè)均發(fā)育厚度不等的斷層角礫巖帶和破碎帶，構(gòu)成近對稱的單核斷裂結(jié)構(gòu)，暗示其構(gòu)造演化歷史與南西段虹口地區(qū)～240m寬的映秀斷裂帶相比較短。

(2)北川斷裂帶的核部發(fā)現(xiàn)20～40cm厚的黑色斷裂物質(zhì)，經(jīng)XRD和顯微構(gòu)造分析發(fā)現(xiàn)，它們是具有非晶質(zhì)特征和熔融結(jié)構(gòu)的假玄武玻璃斷層脈，是古地震的產(chǎn)物。由棕灰色假玄武玻璃中分布黑色假玄武玻璃角礫的特征表明，存在多期次假玄武玻璃特征，即早期假玄武玻璃脈被后期地震滑動所破碎，并在后期出露地表的過程中受流體作用影響而發(fā)生了蝕變。

(3)北川斷裂帶核部多期次假玄武玻璃斷層脈的存在，不僅表明斷裂帶經(jīng)常發(fā)生大地震活動，而且，斷層摩擦熔融潤滑機制是南壩地區(qū)斷裂帶的重要動態(tài)弱化機制。

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