龍門山汶川地震斷裂帶北川段巖石與地球化學(xué)特征及其變形行為*

李成龍 李海兵 王煥 張進(jìn)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(diǎn)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

目前，對汶川地震斷裂帶開展了許多工作，包括斷裂帶中斷層泥粒度分析(陳建業(yè)等，2014)、礦物分析(Togoetal.，2011b；黨嘉祥等，2012；Chenetal.，2013a；袁仁茂等，2013；Sietal.，2018)、滲透率變化(陳建業(yè)等，2011，2014；段慶寶等，2014；Duanetal.，2016)、流體作用和斷層愈合作用(Chenetal.，2013b；Xueetal.，2013；Gongetal.，2015，2017；郭瑾等，2019)、斷層巖石磁學(xué)研究(Yangetal.，2012a，b；Peietal.，2014a，b；Liuetal.，2014；Zhangetal., 2017，2018；張蕾等，2017，2018；Caietal.，2019)、摩擦實驗研究(Verberneetal.，2010；Togoetal.，2011a，2016；Houetal.，2012；Yaoetal.，2013a，b)、同震弱化機(jī)制認(rèn)識(Wangetal.，2015；Chenetal.，2017)和假玄武玻璃研究(Wangetal.，2015；Zhangetal.，2017；李成龍等，2020)等等，特別是斷裂帶地表露頭由南向北，從虹口深溪溝、虹口八角廟、茶坪肖家橋、北川擂鼓趙家溝到平武平溪礦坪子等地斷裂巖，進(jìn)行了大量的特征觀察與研究(李傳友等，2008；韓亮等，2010；陳建業(yè)等，2011；Houetal.，2012；Panetal.，2014；Wangetal.，2014a，b)。在映秀-北川斷裂帶南段虹口段，斷裂帶寬約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)，是一條多核結(jié)構(gòu)(Togoetal.，2011a，b，2017；Lietal.，2013，2014；Wangetal.，2014a；Liuetal.，2016)、經(jīng)常發(fā)生大地震的斷裂帶(Wangetal.，2019)。在北段南壩段，斷裂帶寬約30m，由斷層泥、假玄武玻璃和斷層角礫巖組成(李成龍等，2020)，具有單核結(jié)構(gòu)；在北川段，對斷裂帶中顯微構(gòu)造和黏土礦物特征也作了詳細(xì)研究(袁仁茂等，2013，2014)。然而，映秀-北川斷裂帶北段斷裂變形行為、滑移機(jī)制和地震活動性等方面的認(rèn)識仍不清楚，這制約著對汶川地震機(jī)制的全面認(rèn)識。

汶川地震發(fā)生之后，中國地震局地質(zhì)研究所在北川沙壩村進(jìn)行了同震地表破裂帶的探槽挖掘與研究(史翔，2009；袁仁茂等，2013，2014)，對該段古地震和斷裂巖進(jìn)行了研究，并取得了初步認(rèn)識。為了深入認(rèn)識北川斷裂帶的變形行為與地震滑移機(jī)制，本文以映秀-北川斷裂帶北段(北川斷裂帶)北川沙壩村探槽中的斷層泥為研究對象，通過野外調(diào)查及樣品采集，借助顯微鏡、掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、礦物自動化定量分析儀(TIMA)和X射線熒光光譜分析儀(μXRF)等多種儀器設(shè)備對斷層泥樣品進(jìn)行顯微構(gòu)造觀察和地球化學(xué)分析等，認(rèn)識北川斷裂帶的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征，探討北川斷裂帶的變形行為和滑移機(jī)制，為了解龍門山斷裂帶地震破裂機(jī)制和斷裂動力學(xué)提供科學(xué)依據(jù)。

1 構(gòu)造背景

龍門山位于青藏高原東緣，其構(gòu)造帶呈NE-SW向展布，是青藏高原和四川盆地之間的邊界過渡區(qū)，其兩側(cè)的地貌景觀和地質(zhì)構(gòu)造并不相同；從南部的瀘定-天全地區(qū)為起點(diǎn)，向北經(jīng)寶興-蘆山、汶川-都江堰、北川-江油、青川-廣元等地，最終止于陜西勉縣；北東與秦嶺構(gòu)造帶相望，南西與康滇南北帶相截，且位于古特提斯洋東延地域，是中國少有的經(jīng)向構(gòu)造帶；全長約500km，東西寬30～50km(圖1)(許志琴等，1992；Dirksetal.，1994；林茂炳等，1996；李智武等，2008)。其在不到50km的范圍內(nèi)，從四川盆地向青藏高原東緣方向的平均海拔從～500m 陡增至4～5km，成為地形梯度最大的陡變帶(Godardetal.，2009)。

圖1 青藏高原及其鄰區(qū)構(gòu)造簡圖(a)及龍門山構(gòu)造地質(zhì)圖(b)(據(jù)四川省地質(zhì)局，1967(1)四川省地質(zhì)局. 1967. 1:20萬廣元幅地質(zhì)圖，1975(2)四川省地質(zhì)局. 1975. 1:20萬松潘幅地質(zhì)圖，1977(3)四川省地質(zhì)局. 1977. 1:20萬平武幅地質(zhì)圖修改)

龍門山構(gòu)造帶以懷遠(yuǎn)和安縣為界，可以劃分為南、中、北三段(圖1)。懷遠(yuǎn)至雅安為南段、懷遠(yuǎn)至安縣為中段、安縣至廣元為北段(李智武等，2008；劉樹根等，2008；楊長清等，2011)。自北西向南東發(fā)育有四條逆沖斷裂帶：茂縣-汶川斷裂、映秀-北川斷裂、安縣-灌縣斷裂、廣元-大邑隱伏斷裂(或稱關(guān)口斷裂)(金文正等，2007；李智武等，2008)，且斷裂走向與構(gòu)造帶的走向(北東-南西向)一致。映秀-北川斷裂屬于龍門山中央斷裂系，走向NE，傾向NW，傾角50°～70°，其北西側(cè)地層變形層次較深且多已變質(zhì)，南東側(cè)地層變形層次淺且無明顯變質(zhì)(林茂炳和吳山，1991；林茂炳，1994，1996)，地表上以脆性變形為主，運(yùn)動特征為北西向南東的逆沖推覆兼具右旋走滑(羅志立，1994)。映秀-北川斷裂帶是龍門山構(gòu)造最主要的斷裂帶之一，人們對于它的研究已經(jīng)有了諸多認(rèn)識，有認(rèn)為在小魚洞、高川與擂鼓等地的斷裂彎曲分叉形成了明顯的階區(qū)，以北川-安縣為界分為中段和北段，中段出露彭灌雜巖并發(fā)育一系列飛來峰，北段出露轎子頂雜巖和唐王寨向斜(李智武等，2008)。

本文研究區(qū)位于四川省北川縣，是汶川地震中受災(zāi)最嚴(yán)重的縣之一，原縣城曲山鎮(zhèn)受到嚴(yán)重?fù)p毀，后縣城遷至永昌鎮(zhèn)。汶川地震的同震破裂帶通過北川縣老縣城，經(jīng)曲山中學(xué)后沿縣城東側(cè)靠近山腳的半山腰向北東方向延伸(史翔，2009)。北川老縣城屬于映秀-北川斷裂帶北段的北川斷裂帶，其內(nèi)主要發(fā)育有寒武系、石炭系和泥盆系的巖石(圖2)，寒武系主要發(fā)育碳質(zhì)泥頁巖和砂頁巖，石炭系則發(fā)育灰?guī)r和白云巖(圖2a)，探槽橫跨汶川地震破裂帶，位于寒武系中(圖2b)。

圖2 映秀-北川斷裂帶北川段構(gòu)造地質(zhì)圖(a, 據(jù)四川省地質(zhì)局，1971(4)四川省地質(zhì)局. 1971. 1:20萬綿陽幅地質(zhì)圖，1977修改)及地質(zhì)剖面(b)

2 北川斷裂帶沙壩探槽的宏觀特征

沙壩探槽位于北川縣曲山鎮(zhèn)沙壩村(圖3)，通過汶川地震后對北川斷裂帶的地表破裂的觀測可以發(fā)現(xiàn)，在該處破裂段的最大垂直位移為10～12m，為整個汶川地震地表破裂最大滑移量，是汶川地震的宏觀震中(李海兵等，2009；史翔，2009；Ranetal.，2013)。探槽處同震地表破裂帶總體呈NE65°～70°走向，表現(xiàn)為連續(xù)延伸的斷層陡坎，垂直位移量為～7.2m(圖4)(李海兵等，2009)，其NW 盤為寒武系青平組碳質(zhì)泥頁巖、砂頁巖，SE盤為石炭系砂巖或灰?guī)r和白云巖(袁仁茂等，2013)，上覆是未固結(jié)至半固結(jié)狀態(tài)的黃色粉砂質(zhì)黏土層和砂石層。同震地表破裂帶從山腰處穿過，由于近地表斷層面傾向反轉(zhuǎn)，在地貌上表現(xiàn)為向南東傾的正斷走滑斷層形式(李海兵等，2009)，在山坡中形成坡中谷地貌(Dengetal.，2011)。

圖3 北川地表破裂分布圖(a)及北川沙壩地質(zhì)剖面圖(b)

圖4 北川沙壩村同震破裂及探槽特征(據(jù)李海兵等，2009修改)

在沙壩探槽中，可見明顯的黑色斷層角礫巖和黃色粉砂質(zhì)黏土層，在交界帶附近有三個顏色區(qū)分明顯的斷層泥條帶約25cm厚，分別為：上盤的斷層泥條帶為黃色和灰色，下盤的斷層泥條帶主要呈現(xiàn)為黑色(圖5)，斷層泥有明顯的面理構(gòu)造。汶川地震破裂面沿灰色斷層泥和黑色斷層泥邊界分布(圖5c，d)，斷裂帶上盤為黃色粉砂質(zhì)黏土層、下盤物質(zhì)為黑色泥頁巖和板巖(圖5)。前人基于該區(qū)域探槽已完成了斷層泥樣品的顯微構(gòu)造、黏土礦物及組構(gòu)分析，認(rèn)為該處Y剪切面分布的微米-納米級顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)是地震斷層滑動的記錄，可作為判定古地震斷層的標(biāo)準(zhǔn)之一，并探討了古地震活動(史翔等，2009；袁仁茂等，2013，2014)。

圖5 北川沙壩村探槽特征特征

3 樣品采集與分析方法

我們對北川沙壩村探槽內(nèi)出露的黃色、灰色和黑色斷層泥進(jìn)行了連續(xù)采樣，共采集樣品五塊，制成了連續(xù)的薄片(圖6)。首先將斷層泥薄片在光學(xué)顯微鏡下觀察，然后對代表性樣品薄片在掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行詳細(xì)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)造特征；使用TESCAN自動礦物分析系統(tǒng)(TIMA)觀察斷層泥樣品中的礦物分布；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；利用拉曼光譜儀確定斷層泥中的碳質(zhì)成分。按照1cm間隔對連續(xù)斷層泥塊狀樣品進(jìn)行粉末樣品采集，并利用粉末樣品進(jìn)行X射線衍射分析(XRD)其礦物成分及含量等信息。SEM、TIMA、μXRF和拉曼光譜實驗分析在自然資源部深地動力學(xué)重點(diǎn)實驗室進(jìn)行，XRD實驗在北京北達(dá)智匯微構(gòu)分析測試中心進(jìn)行。

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圖6 北川沙壩探槽斷層泥薄片特征

4 斷層泥的顯微構(gòu)造特征

我們對黃色、灰色和黑色斷層泥進(jìn)行了連續(xù)切制薄片(圖6)，對其顯微構(gòu)造進(jìn)行分析。斷層上盤黃色斷層泥(BC-1)(圖6、圖7a)中面理明顯發(fā)育，可見石英-長石透鏡體和條帶集合體；其他斷層泥(BC-2～5)(圖6、圖7b-e)中也發(fā)育面理，并發(fā)育棱角狀、大小不一的碎塊，可見個別碎塊被方解石脈體填充(圖7e)。在灰色與黑色斷層泥(BC-4)之間有0.5～1mm厚的滑移帶(圖8、圖9)，灰色斷層泥中變形強(qiáng)烈，可見明顯的拖曳構(gòu)造(圖8)和次級剪切破裂R1(圖9)，顯示出上盤下滑的運(yùn)動特征。

圖7 北川沙壩探槽斷層泥樣品光學(xué)顯微照片

圖8 北川沙壩探槽斷層泥(BC-4)光學(xué)顯微照片(I)

圖9 北川沙壩探槽斷層泥(BC-4)光學(xué)顯微照片(II)

薄片觀察顯示斷層上下盤(灰色和黑色)的斷層泥(BC-4)結(jié)構(gòu)并不相同，上盤的斷層泥(圖10a)靠近不同顏色邊界帶附近面理平直清晰，具有一定的方向性，遠(yuǎn)離部分面理彎曲，方向性不好。在掃描電鏡(SEM)下可見灰色斷層泥中(圖10b，c)黏土礦物含量明顯比黑色斷層泥中(圖10d，e)更高，且定向生長，而黑色斷層泥中石英碎塊棱角狀更明顯。在TIMA下可以發(fā)現(xiàn)斷層泥的主要礦物為黏土礦物，碎塊主要為石英 (圖11a)，很多石英碎塊被方解石和鐵白云石膠結(jié)(圖11b，d)，越接近滑移面斷層泥中的碎塊越少(圖11a，e，f)，滑移帶附近主要為黏土礦物，下盤黑色斷層泥(圖11f)中的鈉長石含量明顯高于上盤(圖11a，e),石英含量略低于上盤(圖11a，e)。

圖10 北川沙壩探槽斷層泥樣品(BC-4)薄片和SEM特征

圖11 北川沙壩探槽斷層泥樣品(BC-2-1、BC-4、BC-5-1)TIMA分析圖像

5 斷層泥的礦物學(xué)與地球化學(xué)特征

通過對沙壩探槽中的斷層泥樣品進(jìn)行粉末XRD測試分析(圖12)，確定了斷層泥的主要礦物成分為：石英、微斜長石、斜長石、方解石、黃鐵礦、石膏以及黏土礦物等(表1)。總體來看，黃色斷層泥中石英含量39%～45%，長石含量8%～10%，黏土礦物成分含量42%～50%；灰色斷層泥中石英含量36%～47%，長石含量8%～29%，黏土礦物成分含量19%～52%；黑色斷層泥中石英含量35%～43%，長石含量19%～22%，黏土礦物成分含量19%～29%。從黃色斷層泥到灰色斷層泥再到黑色斷層泥，石英含量變化不大，但是長石含量上盤斷層泥明顯低于下盤的黑色斷層泥，黏土礦物含量上盤斷層泥明顯高于下盤黑色斷層泥。 不同斷層泥中礦物含量有明顯變化(圖13)：(1)上盤石英含量整體略高于下盤。黃色斷層泥中石英整體含量較高；灰色斷層泥石英含量先是增加，但越接近滑移面石英含量越低；黑色斷層泥的含量略低于黃色斷層泥和灰色斷層泥。(2)上盤斷層泥的斜長石含量明顯低于下盤斷層泥的斜長石含量。黃色斷層泥中的斜長石含量整體變化不大，都偏低；灰色斷層泥越接近滑移面斜長石含量越高；黑色斷層泥中的斜長石含量明顯高于黃色、灰色斷層泥。(3)微斜長石含量整體變化不大，只有在灰色斷層泥中間有一個升高又降低的變化。(4)方解石基本只存在于黃色斷層泥中和黑色斷層泥中，黑色斷層泥中方解石含量高于黃色斷層泥。(5)沸石只存于灰色斷層泥中。(6)石膏只存在于黑色斷層泥中。(7)黃鐵礦主要存在于黑色斷層泥中，并且越遠(yuǎn)離滑移面含量越低；灰色斷層泥只有接近滑移面處含有少量黃鐵礦。(8)黏土礦物總量從黃色斷層泥到灰色斷層泥再到黑色斷層泥逐漸降低。(9)蒙脫石只存在于黃色斷層泥和灰色斷層泥中，且離滑移帶越近含量越低。(10)伊利石存在于整個上下盤的斷層泥中。(11)綠泥石也存在于整個上下盤的斷層泥中，且變化趨勢與伊利石相近。(12)伊蒙混層存在于整個上下盤的斷層泥中。

表1 北川斷裂帶沙壩探槽露頭斷層泥礦物含量

圖12 北川地區(qū)沙壩探槽斷層泥的XRD圖譜

圖13 北川沙壩探槽斷層泥的主要礦物含量圖

采用μXRF無損檢測技術(shù)對沙壩探槽中的灰色和黑色斷層泥(BC-4)薄片進(jìn)行表面元素掃描。其測試結(jié)果如圖14所示，上盤灰色斷層泥中Fe、K含量明顯高于下盤黑色斷層泥，而Ba、Ti含量明顯低于下盤黑色斷層泥，Ca的含量變化不大。在灰色斷層泥中越靠近滑移帶(邊界帶)(圖14)Fe含量明顯增高。

圖14 北川沙壩探槽斷層泥薄片BC-4表面μXRF測試化學(xué)元素分布特征

6 討論

6.1 北川斷裂帶的變形行為與流體作用

斷裂帶的巖石中保存了斷層滑動過程中的特征信息，通過野外調(diào)查結(jié)合室內(nèi)實驗研究可以深入理解斷裂帶的變形行為。地表斷裂帶露頭從斷裂活動到剝露于地表，在長期過程中發(fā)育有眾多斷裂變形的構(gòu)造證據(jù)。

斷層泥是斷裂活動的產(chǎn)物，它是地震滑動或無震蠕滑過程中的巖石記錄。因此，詳細(xì)研究斷層泥的顯微構(gòu)造特征可以獲得有關(guān)斷裂變形行為的重要信息(Sibsonetal.，1975；Lin，1999)。通過本文的研究發(fā)現(xiàn)，北川沙壩探槽的斷層泥樣品中面理發(fā)育，并發(fā)育棱角狀、大小不一的碎塊，顯示出典型的斷裂快速滑動的特征，也即地震粘滑行為。另外，斷層不同變形方式產(chǎn)生的斷層泥，其粒度特征也不同(Lin，1994)，根據(jù)斷層泥的粒度特征可初步判斷斷層的活動性質(zhì)：斷層泥粗粒含量高于45%、細(xì)粒級含量低于30%，以粘滑為主(邵順妹和鄒謹(jǐn)敞，2000)。沙壩探槽中的斷層泥粒徑在TIMA下可知斷層泥中的粗粒徑組分明顯占主導(dǎo)地位(圖11a，e，f)，粗顆粒大小從0.01～6mm不等，粒徑差距較大，且各個顆粒之間無明顯規(guī)律，基本都呈棱角狀，磨圓一般，大約占60%，細(xì)顆粒的低于30%，反映出主要為粘滑的特征。在北川沙壩探槽滑移帶附近的斷層泥，一方面上盤的斷層泥中有大小不一的碎塊，大的能達(dá)到8mm(圖7e)，小的碎塊只有十幾微米(圖11a，e)，下盤的斷層泥中碎塊相比上盤更小(圖7d、圖8a、圖9a)。在靠近滑移帶附近的灰色斷層泥中的碎塊沿著一定的方向形成了拖曳構(gòu)造(圖8a)；另一方面斷層泥具有較強(qiáng)的剪切組構(gòu)，在灰色斷層泥中的分布著次級剪切破裂R1(圖9)。這些變形特征顯示出了探槽中斷層上盤下滑的“正斷”運(yùn)動特征，這是由于在北川沙壩探槽中呈現(xiàn)的斷層上下盤是經(jīng)歷了斷層面在淺表的“反轉(zhuǎn)”(圖4e)，探槽中的斷層上、下盤實際為深部斷裂的下、上盤，實際反映為斷裂的逆沖性質(zhì)。

斷層泥的主要成分為黏土礦物，其次為原巖粉碎后的產(chǎn)物，斷層泥形成時間越長，黏土含量越高(付碧宏等，2008b)。在沙壩探槽中上盤黃色和灰色斷層泥的黏土含量普遍較高(高于42%)，而到下盤的黑色斷層泥中黏土含量驟降(普遍低于20%)，這不僅與上下盤的圍巖不同有關(guān)，而且與流體作用的強(qiáng)弱有著明顯的聯(lián)系，從黑色斷層泥到灰色斷層泥再到黃色斷層泥，其內(nèi)部碎塊的棱角程度逐漸減弱(圖7、圖8、圖10)，反映出流體作用下蝕變作用逐漸增強(qiáng)。TIMA分析結(jié)果顯示有方解石脈體充填其中(圖11a，b)，可能是滑移中伴隨著碳酸鹽流體在碎塊裂隙中沉淀所產(chǎn)生。在斷裂帶中存在著元素含量與原巖相比發(fā)生虧損和與原巖相比發(fā)生富集的兩種類型元素(Tanakaetal.,2001)，圖14中顯示在沙壩探槽斷層泥中，上盤灰色斷層泥的K相比下盤黑色斷層泥更為富集(圖14c)，下盤的Ba、Ti(圖14e，f)則更為富集，這種元素的變化可能是由于在活動斷裂帶中由于有流體的作用導(dǎo)致活動性強(qiáng)的元素會發(fā)生虧損，而較為穩(wěn)定的元素則在斷層的流體作用下發(fā)生了富集。在灰色斷層泥中靠近滑移帶(邊界帶)Fe含量趨于明顯增高(圖14b)，一方面當(dāng)流體進(jìn)入到斷層中，會導(dǎo)致部分含鐵礦物溶解并發(fā)生遷移，另一方面在不同的高溫條件下，黃鐵礦將逐漸轉(zhuǎn)化成磁鐵礦、赤鐵礦甚至單質(zhì)鐵(Lowrie and Heller, 1982；Zhangetal., 2018)。黃鐵礦鐵離子為Fe2+，磁鐵礦的鐵離子為Fe2+和Fe3+，赤鐵礦的鐵離子主要以Fe3+，因此在北川沙壩探槽中越靠近滑移帶位置溫度越高，說明在斷層滑動中產(chǎn)生了摩擦熱，斷層曾經(jīng)發(fā)生過快速滑動。

Carpenteretal.(2011)發(fā)現(xiàn)斷裂帶含有弱蒙脫石礦物可以降低斷層的強(qiáng)度，使斷裂破裂之后不會愈合。Janssenetal.(2015)發(fā)現(xiàn)斷層泥的低強(qiáng)度是因為其中含有大量的黏土礦物(蒙脫石和伊利石)，在沙壩探槽的斷層泥中含有大量的伊利石，特別是在滑移帶附近的伊利石含量最高達(dá)到32.24%，在上盤中含有少量的蒙脫石，但是越靠近滑動帶，蒙脫石的含量逐漸減少直到消失，含有大量的伊利石以及部分蒙脫石可能使得北川斷裂在震間期產(chǎn)生蠕滑，蠕滑可能主要發(fā)生在黃色和灰色斷層泥中。另外，由于斷層泥中的納米級孔隙度隨著黏土礦物含量的增加而增加(Janssenetal.，2011)，因此，沙壩探槽斷層泥中XRD顯示上盤(黃色和灰色斷層泥)的黏土礦物含量(42%～52%)高于下盤的黏土礦物含量(19%～29%)，在SEM照片中沙壩探槽上盤灰色的斷層泥的孔隙度(圖10b，c)也高于下盤黑色斷層泥(圖10d，e)。

6.2 北川斷裂帶內(nèi)的石墨化作用與斷裂弱化機(jī)制

碳質(zhì)物是斷層帶常見的富集物質(zhì)之一，有的會以碳單質(zhì)的形式存在，其存在形式主要有石墨和非晶型碳等。石墨的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并且摩擦系數(shù)很低；而非晶型碳的自身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，來源也更多樣。在近些年的全球發(fā)生的地震研究中，發(fā)現(xiàn)碳質(zhì)廣泛富集于各個強(qiáng)震的斷層滑移帶中，如日本南海海槽地震帶(Hironoetal.，2009；Sakaguchietal.，2011; Fulton and Harris，2012)、中國臺灣車籠埔地震(Chuetal.，2012)及汶川地震(王萍等，2009；Kuoetal.，2013，2014，2017，2018；Liuetal.，2016)。對于斷層滑移帶內(nèi)存在的碳質(zhì)物的相關(guān)研究已經(jīng)成為國內(nèi)外研究斷層的關(guān)注重點(diǎn)之一。斷層滑移帶中碳質(zhì)物與地震斷層之間的存在著多種關(guān)系，一方面斷層滑移帶碳質(zhì)物的來源和賦存狀態(tài)與斷層活動和斷層帶結(jié)構(gòu)有關(guān)，另一方面斷層滑移帶碳的富集使得斷層力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，正常巖石摩擦系數(shù)為0.60～0.85(Byerlee，1978)，而石墨的摩擦系數(shù)(～0.08)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于斷層泥的初始摩擦系數(shù)(0.5～0.6)(Rutteretal.，2013)，碳質(zhì)物的存在會導(dǎo)致斷層摩擦系數(shù)顯著降低(Janssenetal.，2010)，降低摩擦力使得斷層更易發(fā)生滑動；并且碳是記錄斷層滑移帶在地震過程中物理、化學(xué)條件信息的重要載體，因為碳的變形方式與斷層面摩擦熱有關(guān)，不穩(wěn)定的碳質(zhì)物隨埋藏與變質(zhì)過程會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的石墨(Beyssac and Rumble，2014)，碳質(zhì)物受摩擦加熱后不斷增高直至石墨化(Kuoetal.，2017)，石墨化程度僅與巖石經(jīng)歷的峰期變質(zhì)溫度有關(guān)，這一過程不可逆且與應(yīng)力和應(yīng)變無關(guān)(Beyssacetal.，2004)。因此斷層滑移帶碳質(zhì)物的賦存特征為研究地震斷層滑移機(jī)制提供重要證據(jù)。通過測定碳質(zhì)物的石墨化程度便可量化其經(jīng)歷的峰期變質(zhì)溫度，拉曼散射與物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，碳質(zhì)物的石墨化程度不同其拉曼光譜特征差異顯著，具有特征峰G峰和D峰(Aoyaetal.，2010)。地震發(fā)生時，斷層發(fā)生錯動，極短的時間內(nèi)在狹窄的空間里產(chǎn)生了大量的熱，在此過程中產(chǎn)生的斷層泥與傳統(tǒng)的區(qū)域性變質(zhì)作用并不相同，斷層的溫度、壓力、滑動速率以及含水量等因素均會影響斷層泥內(nèi)碳質(zhì)拉曼光譜信號，因此碳質(zhì)物質(zhì)的拉曼光譜分析也可以被用于斷層泥的研究(Hironoetal.，2015；Kuoetal.，2017；田野和田云濤，2020)。

北川沙壩探槽黑色斷層泥樣品薄片中，可見有很多黑色不透明物質(zhì)，在SEM下其形狀主要為邊緣不規(guī)則的長方形狀，大小基本都在幾微米內(nèi)(圖15a、圖16a)，為了對其成分進(jìn)行確定，在掃描電鏡下進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果顯示這些黑色不透明物的C含量較高，Al、O、K、Al含量較低，含有一定量的Fe但仍然遠(yuǎn)低于C的含量，可以確定這些黑色碎塊主要為碳質(zhì)物(圖15)。利用拉曼光譜對這些碳質(zhì)物進(jìn)行進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，部分黑色晶體具有明顯的缺陷峰(D1)和石墨峰(G)(圖16)，圖16b中的D1吸收譜帶拉曼位移值為1368cm-1，G峰吸收譜帶拉曼位移值為1645cm-1，圖16c中D1吸收譜帶拉曼位移值為1333cm-1，G峰吸收譜帶拉曼位移值為1618cm-1，圖16d中D1吸收譜帶拉曼位移值為1327cm-1，G峰吸收譜帶拉曼位移值為1623cm-1，分別位于1327～1368cm-1和1618～1645cm-1之間，符合碳質(zhì)物D峰(1350cm-1)和G峰(1580cm-1)的特征峰值。暗示斷層滑移期間可能存在石墨化作用。前人利用摩擦實驗發(fā)現(xiàn)非晶形碳特別是石墨在斷層的滑移過程中起著明顯的弱化作用(Di Toroetal.，2011)，在南段映秀斷裂帶中同樣發(fā)現(xiàn)了碳質(zhì)物因摩擦加熱而形成的石墨，石墨的存在不僅使斷層摩擦系數(shù)降低，而且反映出斷層滑移過程中具有熱增壓的弱化機(jī)制(Zhang and He，2013；Kuoetal.，2014；Lietal.，2015)。因此，北川沙壩探槽黑色斷層泥樣品中石墨的存在，說明北川斷層具有熱增壓弱化機(jī)制特征；另一方面，由于樣品拉曼光譜顯示出的G峰還要明顯高于D峰，說明斷層已有相當(dāng)長的活動歷史，可能經(jīng)歷了多次石墨化過程及之后的改造。

圖15 北川沙壩探槽黑色斷層泥樣品(BC-5-2)中SEM照片(a)及其元素豐度分布圖(b-g)

圖16 北川沙壩探槽黑色斷層泥樣品光學(xué)鏡下照片(a)及拉曼光譜特征(b-d)

6.3 映秀-北川斷裂帶南北段斷裂帶差異特征

映秀-北川斷裂帶可分為南北兩段，北段即北川斷裂，南段為映秀斷裂。在北川斷裂帶，通過研究發(fā)現(xiàn)北川沙壩探槽所發(fā)現(xiàn)的斷裂帶發(fā)育有斷層角礫巖和斷層泥，角礫巖的厚度由于探槽的規(guī)模不夠而揭示不清，但至少有5m，斷層泥約25cm厚；在北東段的南壩地區(qū)，北川斷裂帶寬度約為30m，由假玄武玻璃、斷層泥、斷層角礫巖和破碎帶組成(李成龍等，2020)，兩地特征較為相似。南壩地區(qū)的斷裂帶是以含假玄武玻璃/斷層泥帶為核心，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)。在映秀斷裂南西段虹口地區(qū)斷裂帶寬～240m，地表出露的斷裂巖帶可劃分為五個單元: 碎裂巖帶、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黑色斷層泥和角礫巖帶的多核結(jié)構(gòu)，斷裂巖帶寬～240m(Wangetal.，2014a)，從～220Ma初期形成以來(Zhengetal.，2016)，具有演化歷史長特征。因此，映秀-北川斷裂帶的北段北川斷裂帶寬度明顯遠(yuǎn)窄于南段映秀斷裂帶的寬度，可能指示北段北川斷裂的構(gòu)造演化歷史相比南段映秀斷裂帶較短，它們原先并不屬于同一條具有相同演化歷史的斷裂帶。

不僅南北段的斷裂帶寬度有著明顯變化，斷層泥的礦物組成也有著一定差異。通過地表斷裂帶斷層巖的XRD測試可以發(fā)現(xiàn)，南段虹口地表斷裂帶的斷層泥黏土含量主要在54%～66%之間(Wangetal.，2014a)，而在北段南壩地區(qū)斷層泥的黏土含量在24%～36%之間(李成龍等，2020)，北川沙壩探槽中斷層泥的黏土含量為19%～52%之間(表1)，可見映秀-北川斷裂帶北段的斷層泥的黏土含量普遍低于南段，這一方面是由于圍巖的差異，另一方面可能與南北段不同的演化歷史和流體作用有關(guān)。但是，南北段的斷層泥中均含石墨，地震過程中斷層的石墨化作用都存在，斷層摩擦系數(shù)低，并且都具有斷層熱增壓弱化機(jī)制。這可能也是汶川地震使映秀-北川斷裂帶南北段貫通的原因之一。

7 結(jié)論

本文通過對映秀-北川斷裂帶北段北川沙壩村探槽的斷層泥研究，結(jié)合顯微構(gòu)造、XRD、μXRF、拉曼、TIMA等手段對探槽內(nèi)斷層泥進(jìn)行綜合分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)北川沙壩村探槽中可見三個不同顏色的斷層泥條帶：SE盤的黃色、灰色斷層泥和NW盤黑色斷層泥條帶，總厚約25cm，汶川地震破裂面沿灰色斷層泥和黑色斷層泥邊界分布。

(2)不同顏色斷層泥有著明顯的面理構(gòu)造，斷層泥中的碎塊呈棱角狀大小不均一，顯示出地震快速滑動特征，具有粘滑行為。在滑移帶附近可見明顯的拖曳構(gòu)造與R1次級剪切破裂，指示了逆沖滑動的性質(zhì)。斷裂SE盤黃色、灰色斷層泥中黏土礦物含量(42%～52%)高于NW盤黑色斷層泥中黏土礦物含量，且碎塊棱角程度逐漸減弱，反映出流體作用SE盤強(qiáng)于NW盤。

(3)在探槽斷層的NW盤黑色斷層泥中發(fā)現(xiàn)了石墨，表明斷層地震滑移過程中存在石墨化作用，并且斷層具有熱增壓弱化機(jī)制特征。

(4)映秀-北川斷裂帶南北段對比發(fā)現(xiàn)，北段北川斷裂帶寬度遠(yuǎn)窄于南段映秀斷裂帶寬度，暗示著北段斷裂帶演化歷史短與南段演化歷史，它們不屬于同一條具有相同演化歷史的斷裂帶。

致謝感謝中國地震局地質(zhì)所在汶川地震之后對于北川沙壩村探槽的科學(xué)挖掘以及大量的科學(xué)研究，為本文的研究提供了良好的研究基礎(chǔ)。感謝應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院何祥麗助理研究員，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所云錕博士、李春銳博士和賴亞博士等在野外和室內(nèi)工作中給予的諸多幫助。衷心感謝評審專家和編輯對本文提出寶貴的建設(shè)性意見和建議，使文章質(zhì)量得以提升。