斷裂帶中方解石脈顯微結(jié)構(gòu)、地球化學(xué)和年代學(xué)研究：藏南亞東裂谷帶古地震記錄*

李春銳 李海兵 潘家偉 劉棟梁 白明坤 劉富財(cái) 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(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣州 511458

斷層以及斷層附近的破裂帶作為流體運(yùn)移的通道，在地震活動(dòng)期間能夠溝通不同層次流體，如大氣水、地殼流體、幔源流體(Menziesetal., 2014；Barberioetal., 2017)。地震過程中富含CO2流體運(yùn)移時(shí)，由于巖石破裂導(dǎo)致的流體壓力降低，以及不同來源流體混合時(shí)導(dǎo)致的礦物溶解度變化，在斷層的階步以及破碎帶裂縫中會產(chǎn)生礦物沉淀，形成方解石脈(Dolej? and Manning，2010；De Filippisetal., 2013；Brogietal., 2014)。方解石脈的顯微結(jié)構(gòu)可以指示其與地震事件的關(guān)系：同構(gòu)造期沉淀脈體結(jié)構(gòu)為塊狀、拉長塊狀和擴(kuò)展?fàn)睿渲型痣A段形成的脈體由于裂隙開啟過程中流體壓力快速下降導(dǎo)致的高礦物飽和度，一般具有塊狀等粒結(jié)構(gòu)(Verhaertetal., 2003；Boullieretal., 2004；Uysaletal., 2007；Watanabeetal., 2008；Nurieletal., 2012)；震間期壓溶-沉淀，常見結(jié)構(gòu)為“壓力影”和超壓泥頁巖層中發(fā)育的纖維脈(Eyaletal., 1992；Bonsetal., 2012; Zhangetal., 2015)；震間期開放裂縫沉淀，常見類型為淺表暴露面的泥質(zhì)薄層(Flottéetal., 2001；Verhaertetal., 2004；Nurieletal., 2011)。沿?cái)鄬影l(fā)育的方解石脈作為地震期間斷層活動(dòng)和裂縫開放的記錄(Boullieretal., 2004；Williamsetal., 2017)，其地球化學(xué)示蹤劑如同位素，REY(稀土元素和釔)模式，可以用于推斷發(fā)震時(shí)期以及地殼流體循環(huán)路徑(Nolletetal., 2005；Uysaletal., 2011；Bergmanetal., 2013)。由于非地震活動(dòng)成因的脈體流體來源為相鄰圍巖，因此脈體地球化學(xué)和同位素多具有與圍巖相似的特征。地震活動(dòng)相關(guān)脈體具有更大的外部流體來源貢獻(xiàn)，地球化學(xué)特征與圍巖常具有明顯差異。因此，對斷層方解石脈的研究有助于更好地理解地震行為、地震周期以及地殼內(nèi)部流體循環(huán)模式。

青藏高原的東西向伸展產(chǎn)生了一系列南北向裂谷(圖1)，是藏南地區(qū)最顯著的活動(dòng)構(gòu)造(Molnar and Tapponnier，1978；Tapponnieretal., 1981；Armijoetal., 1986；Kapp and Guynn，2004)。亞東-古露裂谷是南北向裂谷系中規(guī)模最大的裂谷，地震活動(dòng)性最強(qiáng)、發(fā)震頻率最高(Wuetal., 2011)。自公元1264年以來，亞東-古露裂谷內(nèi)部及周緣共發(fā)生了17次Mw>6.0的地震，其中14次發(fā)生在裂谷北段和中段，即雅魯藏布江至古露之間(Chevalieretal., 2020)。裂谷南段第四紀(jì)地震活動(dòng)研究同樣缺乏，僅在帕里地塹有兩處報(bào)道，分別為地震崩滑體以及地表破裂帶(Pengetal., 2018；Haetal., 2019a)。作為藏南地區(qū)規(guī)模最大的裂谷系，亞東-谷露裂谷南段延伸約200km，在裂谷東側(cè)的基巖內(nèi)有廣泛的斷層出露(圖2)。裂谷斷層附近發(fā)育的方解石脈能夠?yàn)橥饠嗔鸦顒?dòng)研究提供依托。

圖1 藏南地區(qū)正斷層分布和亞東-谷露裂谷位置

圖2 亞東裂谷區(qū)域地質(zhì)簡圖(據(jù)Zhang et al., 2012; 劉文燦等，2014)

本文對亞東裂谷斷層涅如堆段和帕里段發(fā)育的方解石脈體進(jìn)行了顯微結(jié)構(gòu)，C-O-Sr同位素，REY元素以及U-Th定年研究，確定了礦物沉淀與地震事件的關(guān)系，發(fā)生時(shí)間以及流體來源。結(jié)合野外調(diào)查，討論了中更新世以來亞東裂谷的伸展速率變化。

1 地質(zhì)背景

亞東-谷露裂谷作為藏南地區(qū)規(guī)模最大的一條裂谷，自南向北依次穿過高喜馬拉雅、特提斯喜馬拉雅、雅魯藏布江縫合帶、拉薩地塊，終止于拉薩地塊北緣，全長約500km，總體表現(xiàn)為半地塹和地塹(圖1)(Armijoetal., 1986；Wuetal., 1998；Leloupetal., 2010)。亞東-谷露裂谷南段即亞東裂谷，位于雅魯藏布江縫合帶與印度板塊之間，長約200km，由三個(gè)北北東走向的地塹(帕里地塹、涅如堆地塹和熱隆地塹)右階組成(圖2)。每個(gè)地塹長約45～80km，寬約20km，邊界斷層為裂谷東側(cè)北西向延伸的西傾正斷層(Haetal., 2019b; Wangetal., 2020)。亞東裂谷斷層行跡清晰，可以觀察到新鮮的地表破裂帶，以及山根處的斷層三角面，代表裂谷發(fā)生了較為活躍的伸展變形，晚第四紀(jì)以來亞東裂谷的平均伸展速率為0.9±0.3mm/yr(Haetal., 2019b；Wangetal., 2020)。

亞東裂谷發(fā)育在前寒武系變質(zhì)巖、下古生界、上古生界、中生界和新生界中(圖2)。前寒武系為高喜馬拉雅結(jié)晶巖帶亞東巖群。下古生界主要為奧陶系灰?guī)r、粉砂巖。上古生界為陸相沉積，其中石炭系多為碳酸鹽臺地相沉積，以灰?guī)r為主，二疊系主要為砂巖、礫巖及灰?guī)r(劉文燦等，2014)。中生界在裂谷帶分布廣泛，下、中三疊統(tǒng)主要為砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖，上三疊統(tǒng)為變質(zhì)細(xì)砂巖和粉砂質(zhì)板巖。侏羅系、白堊系以海相沉積為主，主要巖性為砂巖、頁巖和硅質(zhì)巖等。新生代地層主要為碳酸鹽和淺海陸源碎屑沉積(萬曉樵等，2002)。新近系沉積受地貌、湖泊、斷裂影響明顯，多見河湖相、洪積和坡積相、冰磧相沉積，均不整合于下覆地層之上(劉文燦等，2006；Liuetal., 2017)。研究區(qū)內(nèi)巖漿巖主要沿?cái)嗔殉雎叮郧秩霂r出露較少，中酸性侵入巖分布面積較大，主要由加里東期花崗巖和新生代淡色花崗巖組成(張宏飛等，2005；劉文燦等，2014)。

2 方解石樣品采集與測試方法

本文通過衛(wèi)星照片和野外調(diào)查確定斷層展布、產(chǎn)狀和方解石脈體的發(fā)育位置，并采集定向樣品。在對方解石脈樣品切割、拋光，超聲波清洗以去除風(fēng)化表面后，使用1～2mm微鉆獲取樣品粉末。對于方解石脈，為了避免圍巖污染，至少遠(yuǎn)離圍巖或角礫1mm采集樣本。對于圍巖，同樣在遠(yuǎn)離裂隙和脈體1mm處采集樣品。最終將所得的脈和圍巖樣本用于稀土元素和C-O-Sr同位素分析以及U系列測年。所有拋光樣品均制備了顯微薄片，以進(jìn)行光學(xué)和陰極發(fā)光(CL)顯微鏡的微觀結(jié)構(gòu)分析。

Sr同位素分析在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所固體同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。化學(xué)前處理及同位素測試流程參考Lietal.(2019)，測試儀器為Thermofisher-Triton-Plus多接收熱電離質(zhì)譜儀。采用國際標(biāo)準(zhǔn)樣品NBS987對數(shù)據(jù)采集期間的儀器穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)，測量平均值為87Sr/86Sr=0.710249±0.000012，與報(bào)告值一致(Lietal., 2019)。

稀土元素含量分析在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所成礦年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。稱取40mg樣品粉末加入2%HNO3溶解，待溶解完成后加入1mL 500×10-9In內(nèi)標(biāo)，并用1%HNO3稀釋至50g。測試儀器為ICP-MS(Element)。采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法以In內(nèi)標(biāo)校準(zhǔn)儀器漂移。以國家標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)(花崗巖GSR1；安山巖GSR2；玄武巖GSR3)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，絕大多數(shù)元素RSD≤10%。

鈾系測年在西安交通大學(xué)同位素實(shí)驗(yàn)室使用MC-ICP-MS(Thermo-Finnigan Neptune-plus)進(jìn)行?；瘜W(xué)前處理方法參照Edwardsetal.(1987)。儀器、標(biāo)準(zhǔn)化、半衰期和測試流程見Chengetal.(2000, 2013)。

3 斷層與脈體特征

3.1 宏觀特征

方解石脈和圍巖樣品獲取自亞東裂谷的三個(gè)采樣點(diǎn)，分別為涅如堆地塹北側(cè)達(dá)凱研究點(diǎn)和南側(cè)土熱勒研究點(diǎn)，以及帕里地塹北部的沖巴研究點(diǎn)(圖2)。

達(dá)凱剖面位于涅如堆地塹北部東側(cè)達(dá)凱村東南2km處，剖面長約350m，圍巖為上二疊統(tǒng)板巖，自東向西分別發(fā)育斷層破碎帶以及F1和 F2兩條斷層(圖3a-c)。斷層F1傾向292°、傾角69°，F(xiàn)2傾向308°、傾角51°，與區(qū)域內(nèi)亞東裂谷斷層產(chǎn)狀一致，破碎帶內(nèi)發(fā)育一組與斷層走向一致傾向相反的共軛破裂(圖3c-f)。沿次級破裂和斷層面的階步位置充填方解石脈(圖3d-k)，脈體顏色為淺灰色和黃色，厚度0.3～1cm長度小于10cm(圖3d-g)。

圖3 涅如堆地塹正斷層構(gòu)造特征(達(dá)凱研究點(diǎn))

土熱勒剖面位于涅如堆地塹南部東側(cè)，長約300m，圍巖為上二疊統(tǒng)灰?guī)r，自東向西分別發(fā)育F3和 F4兩條斷層，斷層F3傾向289°、傾角57°，F(xiàn)4傾向291°、傾角64°，衛(wèi)星影像上兩條斷層跡線清晰(圖4a-c)?？拷璧氐腇3斷層錯(cuò)斷上下盤灰?guī)r，形成典型的斷層三角面，斷層面底部距離頂部約150m，底部1.5m為白色新鮮面，為最近一次古地震的地震遺跡(圖4d-e)。F3和F4斷層之間為碎裂巖帶，表現(xiàn)為方解石膠結(jié)的灰?guī)r角礫或早期方解石角礫，斷層兩側(cè)發(fā)育破碎帶(圖4f)。該點(diǎn)方解石脈或方解石膠結(jié)物顏色為白色和黃色(圖4e, f)。

圖4 涅如堆地塹正斷層構(gòu)造特征(土熱勒研究點(diǎn))

沖巴剖面位于帕里地塹沖巴芒錯(cuò)北部約2km處，巖性為奧陶系灰?guī)r以及上覆第四系冰川沉積物(圖5a)。該點(diǎn)發(fā)育F5、F6、F7三條斷層(圖5b, c)，其中F5為裂谷邊界主斷層，傾向320°、傾角60°，上盤發(fā)育第四系沖積物和鈣華，下盤為奧陶系灰?guī)r，沿?cái)鄬影l(fā)育約1m寬的灰黑色斷層泥及下盤破碎帶。F6、F7為次級斷層，斷層F6傾向240°、傾角66°，F(xiàn)7傾向300°、傾角54°，斷層切穿上下盤奧陶系泥晶灰?guī)r，兩側(cè)均為斷層破碎帶，發(fā)育斷層角礫巖(圖5b-g)，沿F6斷層面可見沿擦痕充填的白色方解石脈(圖5g)，沿F7斷層面發(fā)育厚層方解石脈，寬度可達(dá)5cm，顏色為白色和灰白色(圖5g、圖6g-j)。

意識的培養(yǎng)不是一蹴而就的，長期潛移默化的影響才能形成穩(wěn)定的意識形態(tài)。面對我國高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育滯后和師資不足的現(xiàn)狀，光靠幾節(jié)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程是不能有效激發(fā)師范生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識的。只有在日常的教學(xué)過程中，教師有計(jì)劃的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識滲透與灌輸才能提高教育成效。

圖5 帕里地塹正斷層構(gòu)造特征(沖巴研究點(diǎn))

圖6 斷層活動(dòng)相關(guān)的方解石脈體野外宏觀構(gòu)造特征及采樣位置

3.2 脈體微觀結(jié)構(gòu)

涅如堆地塹北側(cè)達(dá)凱研究點(diǎn)(圖7a, c-e)和帕里地塹北部的沖巴研究點(diǎn)(圖7f)階步處充填的方解石脈均為塊狀結(jié)構(gòu)，部分脈體中可見巖石破碎形成的不規(guī)則的圍巖角礫(圖7a)。方解石脈體邊界不平直，呈彎曲狀(圖7c)或鋸齒狀(圖7e)。達(dá)凱研究點(diǎn)處方解石脈表現(xiàn)為多期次特征，同一裂隙中充填了粒徑不同的多條平行脈體(圖7c, e)。粗顆粒方解石粒徑可達(dá)1mm，發(fā)育雙晶，細(xì)顆粒方解石粒徑0.1～0.4mm。方解石陰極發(fā)光顏色均勻，晶體沒有觀察到分帶，表明在方解石脈生長過程中沒有顯著化學(xué)成分變化，粗粒的塊狀脈陰極發(fā)光顏色為暗紅色，細(xì)粒塊狀方解石陰極發(fā)光顏色為紅色(圖7e)。單層脈體內(nèi)部可見平直的后期破裂，延伸方向與邊界主破裂方向相同(圖7d)。

土熱勒斷層面上的方解石脈同樣具有塊狀晶體特征，發(fā)育雙晶。方解膠結(jié)物中含有圍巖或先期方解石角礫，角礫呈棱角狀，磨圓差(圖7b)。

沖巴研究點(diǎn)沿F6斷層階步位置發(fā)育的方解石脈具有塊狀結(jié)構(gòu)，靠近擦痕的暴露面以及脈體-圍巖邊界呈彎曲狀(圖7f)。沿F7斷層發(fā)育一處厚層(5cm)方解石脈，脈體-圍巖邊界呈彎曲或鋸齒狀，方解石晶體表現(xiàn)為晶體拉長、長軸方向垂直于圍巖巖壁(圖7g)。晶體從脈-圍巖界面向脈中心方向生長，同向生長導(dǎo)致脈-圍巖界面處存在生長競爭。脈體中間夾雜的圍巖條帶以及再次出現(xiàn)的方解石晶體競爭生長表明脈體經(jīng)歷了再次開啟-愈合過程(圖7g)?？拷麱7斷層的上盤圍巖內(nèi)發(fā)育的方解石細(xì)脈同樣具有多次沉淀的特征，脈體-圍巖邊界較平直，晶體競爭生長方向表明第二次破裂發(fā)生在先期脈-圍巖界面處(圖7h)。

圖7 亞東裂谷與正斷活動(dòng)相關(guān)的方解石脈微觀構(gòu)造特征

4 地球化學(xué)特征

為確定形成方解石脈的流體來源，本文在達(dá)凱、土熱勒和沖巴研究點(diǎn)采集了碳氧同位素樣品33個(gè)，鍶同位素樣品29個(gè)以及稀土元素-釔樣品28個(gè)。

4.1 碳氧同位素

δ13CV-PDB和δ18OV-SMOW分析結(jié)果示于表1和圖8a。

表1 亞東裂谷方解石脈、圍巖和鈣華的氧-碳-鍶同位素值

涅如堆地塹達(dá)凱研究點(diǎn)方解石脈δ13CV-PDB值為-9.4‰～-4.8‰、平均值為-8.2±0.3‰，δ18OV-SMOW值為-4.4‰～-3.3‰、平均值為-3.9±1.5‰。涅如堆地塹達(dá)土熱勒研究點(diǎn)方解石脈δ13CV-PDB值為+0.9‰～+2.2‰、平均值為+1.7±0.5‰，δ18OV-SMOW值為-4.2‰～-2‰、平均值為-3.3±0.8‰；圍巖δ13CV-PDB值為+3.5‰～+4.5‰、平均值為+4.2±0.3‰，δ18OV-SMOW值為+9.5‰～+17.4‰、平均值為+13.6±2.4‰；鈣華δ13CV-PDB值為+5‰～+5.9‰、平均值為+5.5±0.5‰，δ18OV-SMOW值為+13.9‰～+17.4‰、平均值為+15.6±1.8‰。帕里地塹沖巴研究點(diǎn)方解石脈δ13CV-PDB值為+1.6‰～+3.5‰、平均值為+2.8±0.7‰，δ18OV-SMOW值為-2.6‰～+0.3‰、平均值為-0.8±1.0‰；圍巖δ13CV-PDB值為+0.8‰～+3.2‰、平均值為+2±1.2‰，δ18OV-SMOW值為+0.7‰～+2.4‰、平均值為+1.6±0.9‰。

藏南地區(qū)報(bào)道的奧陶系碳酸鹽巖δ13CV-PDB為 0.17‰～2.32‰、δ18OV-PDB為-15.33‰～-11.45‰(Yuetal., 2021)， 二疊-三疊系碳酸鹽巖δ13CV-PDB為0至4‰、δ18OV-PDB為-14‰至-12‰(Shenetal., 2010)。達(dá)凱研究點(diǎn)方解石脈與區(qū)域內(nèi)碳酸鹽巖相比具有較低的δ13CV-PDB值，其他兩處采樣點(diǎn)方解石脈δ13CV-PDB值與區(qū)域值相符(圖8a)。

圖8 方解石脈、圍巖和鈣華的同位素特征

各研究點(diǎn)方解石脈的δ18OV-PDB值均輕于圍巖以及藏南地區(qū)碳酸鹽巖，值得注意的是，達(dá)凱研究點(diǎn)方解石脈具有極低的δ18OV-PDB值。方解石脈中的δ18OV-PDB特征取決于沉淀流體的來源和沉淀溫度(Faure, 1998)。假設(shè)大氣水在全新世沒有顯著變化，并且代表了過去的地下水，參考海拔 3000m 以上的高喜馬拉雅河流已發(fā)布的δ18OV-SMOW值(-16‰～-19‰)(Gajurel al., 2006；Li and Garzione, 2017)，使用碳酸鹽-流體古溫度計(jì) (O’Neiletal., 1969)，可以計(jì)算出，如果達(dá)凱研究點(diǎn)方解石脈來源為大氣水，則沉淀溫度在122～252℃之間(圖8c)，若來源為大氣水以及相鄰區(qū)域碳酸鹽巖，則需要更高的沉淀溫度。

4.2 87Sr/86Sr同位素和REY元素模式

涅如堆地塹達(dá)凱和土熱勒研究點(diǎn)方解石脈87Sr/86Sr同位素比值介于0.7224～0.7340之間(圖8b, 表1)。明顯高于土熱勒灰?guī)r圍巖的87Sr/86Sr同位素比值(0.7139～0.7189)。帕里地塹沖巴研究點(diǎn)方解石脈87Sr/86Sr同位素比值介于0.7132～0.7159之間。與奧陶系灰?guī)r圍巖87Sr/86Sr同位素(0.7112～0.7148)一致。

方解石脈和圍巖樣品的稀土元素(包括釔)含量見表2。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的REY圖中顯示，達(dá)凱研究點(diǎn)方解石脈表現(xiàn)為富LREE和Eu正異常，土熱勒研究點(diǎn)方解石脈表現(xiàn)為富LREE，Eu負(fù)異常以及Y正異常，沖巴研究點(diǎn)表現(xiàn)為富LREE，Eu負(fù)異常(圖9)。

表2 亞東裂谷方解石脈和圍巖REY元素分析結(jié)果(×10-6)

圖9 達(dá)凱研究點(diǎn)(a)、土熱勒研究點(diǎn)(b)和沖巴研究點(diǎn)(c)方解脈和圍巖的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REY模式(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Haskin et al., 1968)

5 U系年代學(xué)

我們對達(dá)凱研究點(diǎn)3個(gè)擦痕方解石脈，土熱勒研究點(diǎn)2個(gè)斷層方解石脈，和沖巴研究點(diǎn)3個(gè)斷層方解石脈進(jìn)行U-Th年代學(xué)測定(表3)。

表3 亞東裂谷斷層方解石脈U系測年結(jié)果

達(dá)凱研究點(diǎn)發(fā)育擦痕的方解石脈(YD112、YD132和YD164樣品)均具有塊狀晶體結(jié)構(gòu)，測得其年齡超過測試上限(大于600ka)。土熱勒研究點(diǎn)F3方解石脈(NFA0樣品)具有塊狀結(jié)構(gòu)，測得年齡為679±129ka，F(xiàn)4方解石脈230Th/232Th值過低(4×10-6～5×10-6)，測得年齡超過測試上限(大于600ka)。沖巴研究點(diǎn)F6斷層方解石脈YD410樣品表面發(fā)與擦痕，且具有塊狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)，測得年齡為544±26ka，F(xiàn)7斷層方解石脈具有拉長的塊狀結(jié)構(gòu)，在YD314和YD348樣品中(圖6i, j)測得年齡為408±13ka和444±15ka。微觀結(jié)構(gòu)觀察顯示這些方解石脈未重結(jié)晶，表明以上年齡是可靠的。

6 討論

6.1 方解石脈結(jié)構(gòu)與成因

斷層作用各時(shí)期形成的方解石脈類型包括：(1)水力壓裂產(chǎn)生的同震結(jié)晶：晶體形態(tài)為塊狀，非自形等粒結(jié)構(gòu)，形成于流體壓力快速下降或流體突然停止上升導(dǎo)致的高礦物飽和度(圖10a)(Phillips, 1972；Bons，2001；Boullieretal., 2004；Uysaletal., 2007)。(2)斷層拉張部位的同構(gòu)造結(jié)晶：晶體形態(tài)為拉長塊狀和擴(kuò)展?fàn)?Bonsetal., 2012)。拉長塊狀脈晶體具有明顯的競爭生長特征，平均晶粒寬度沿生長方向增加，通常沿圍巖表面向裂縫內(nèi)生長(圖10b)(Durney and Ramsay, 1973；Oliver and Bons, 2001)。擴(kuò)展?fàn)蠲}具有橫跨整個(gè)脈寬的晶體，是通過對在先存晶粒的不同位置多次破裂和愈合而形成的(Durney and Ramsay, 1973；Ramsay, 1980)。(3)震間期沉淀，如纖維脈(圖10c)(Hilgersetal., 2001；Nolletetal., 2005)和暴露面的薄層泥晶涂層(Flottéetal., 2001；Nurieletal., 2012)。

圖10 方解石脈內(nèi)部特征結(jié)構(gòu)(據(jù)Woodcock et al., 2007)

本次研究中亞東裂谷涅如堆段發(fā)育的方解石膠結(jié)物和擦痕脈的微觀結(jié)構(gòu)具有等粒塊狀結(jié)構(gòu)(圖7c, d)，且具有不平直的脈體邊界，代表了與地震斷層滑動(dòng)相關(guān)的拉張部位的方解石快速沉淀(Gratier and Gamond，1990；Nurieletal., 2019)。亞東裂谷帕里段一處沿?cái)鄬影l(fā)育的方解石脈具有拉長的塊狀結(jié)構(gòu)(圖7e, f)代表同構(gòu)造時(shí)期的裂縫愈合。沒有觀察到與溶解沉淀相關(guān)的裂縫緩慢愈合的證據(jù)，如纖維脈和泥質(zhì)涂層(Gratier and Gamond，1990；Hilgersetal., 2001；Nurieletal., 2012; Zhangetal., 2015)。CL觀察表明，方解石擦痕樣品CL顏色均勻(圖7d)，表明在單個(gè)沉淀事件期間結(jié)晶。由于每個(gè)破裂-愈合事件都意味著裂縫打開，塊狀或拉長塊狀晶體從充滿流體的開放裂縫中析出(Hilgersetal., 2001)，多條平行發(fā)育的方解石脈代表多次裂縫密封事件(圖7g, h、圖11)。本文中樣品觀測顯示，不同期次的層狀脈被圍巖包體條帶(圖7e, f)分隔，或被鋒利的晶體間破裂切割(圖7c, d)，表明新的破裂事件均在早期裂縫完全密封后才發(fā)生。

圖11 亞東裂谷地震相關(guān)方解石脈生長模式

6.2 流體來源

根據(jù)圖8a,δ13CV-PDB和δ18OV-SMOW兩者具有比較明顯的線性關(guān)系，指示流體具有二元混合特征。本文的三個(gè)研究點(diǎn)中，達(dá)凱點(diǎn)具有異常輕的碳氧同位素特征。碳同位素組成表明，方解石中的碳可能來自地球深處(即地?；蛳碌貧?，也可能來自碳酸鹽或有機(jī)質(zhì)。然而，δ13C值較集中，排除了有機(jī)來源的可能性，位于幔源碳(-5.5±0.5‰)(Sakai and Matsuhisa，1996)和區(qū)域內(nèi)碳酸鹽巖之間，表明具有幔源貢獻(xiàn)。極低的δ18O值反映了大氣水來源，以及高于120℃的沉淀溫度。方解石脈的高Sr同位素比值超過區(qū)域內(nèi)奧陶系，二疊-三疊系灰?guī)r的同位素值。因此排除了方解石僅來自溶解了碳酸鈣的大氣水。高Sr同位素比值表明，在流體的運(yùn)移過程中通過了放射成因的基巖，如高Sr比值的硅質(zhì)碎屑和花崗巖(McNutt, 2000)。因此區(qū)域內(nèi)喜馬拉雅淡色花崗巖體(Sr比值0.756～0.775)(楊曉松和金振民，2001；李開玉等，2020)以及二疊系板巖圍巖為流體提供了高Sr比值特征。深層滲透的大氣水與變質(zhì)/花崗質(zhì)基巖的相互作用很可能發(fā)生在溫度高于122～252℃ 的條件下，Eu正異常同樣指示了熱液環(huán)境。因此該點(diǎn)的方解石脈形成機(jī)制可能為幔源脫氣與深層大氣水混合成因(圖12)。外部來源的流體反映了脈體形成于開放系統(tǒng)，即斷層活動(dòng)時(shí)的裂隙連通狀態(tài)，這與塊狀結(jié)構(gòu)方解石脈代表的同震時(shí)期相匹配。

圖12 地震相關(guān)的斷裂帶流體循環(huán)模式圖

土熱勒和沖巴研究點(diǎn)方解石脈具有相似的地球化學(xué)特征，δ13CV-PDB值與區(qū)域碳酸鹽巖一致(Shenetal., 2010；Yuetal., 2021)，δ18OV-SMOW值低于碳酸鹽圍巖，表明具有大氣水貢獻(xiàn)。Ce和Eu負(fù)異常以及Y的正異常反映了低溫氧化環(huán)境(Bauetal., 1997；Bolharetal., 2004)?？紤]到三個(gè)研究點(diǎn)所處位置鄰近，脈體記錄的溫度特征能夠?qū)?yīng)相對埋深，與達(dá)凱研究點(diǎn)方解石具有的高溫條件相比，土熱勒和沖巴研究點(diǎn)方解石形成于更淺的區(qū)域。分析的樣品還顯示了與灰?guī)r圍巖密切相關(guān)的方解石REY特征和87Sr/86Sr值，指示了流體來自大氣水以及溶解的碳酸鹽巖(圖12)。

6.3 方解石脈與地震活動(dòng)

地震引起巖石破裂后，流體發(fā)生突然的壓力降低和平衡濃度改變(Putnisetal., 1995；Robertetal., 1995；Barnes and Rose，1998；Putnis and Mauthe, 2001)，因此形成充填于裂縫或角礫間的礦物沉淀。受到礦物過飽和程度，裂隙張開寬度，以及先存晶體取向的不同，沉淀的礦物晶體具有塊狀或拉長塊狀等結(jié)構(gòu)(Oliver and Bons, 2001；Nolletetal., 2005；Woodcocketal., 2007)?；顒?dòng)斷層的實(shí)驗(yàn)和觀察表明，在愈合作用影響下，同震期間形成的張裂隙將在此后很快(幾天到幾個(gè)月)關(guān)閉(Hiramatsuetal., 2005; Lietal., 2006)。本次研究中沿?cái)鄬与A步部位發(fā)育的方解石脈均具有塊狀結(jié)構(gòu)，代表同震時(shí)期方解石沉淀，部分樣品發(fā)育由平直破裂面分隔的多層脈體，代表了流體多次注入。土熱勒研究點(diǎn)沿?cái)鄬用姘l(fā)育的方解石脈體內(nèi)部發(fā)育棱角狀圍巖角礫，代表斷層滑動(dòng)期間巖石破裂伴隨的流體注入。沖巴研究點(diǎn)沿?cái)鄬用姘l(fā)育一套厚層方解石脈，具有拉長的塊狀結(jié)構(gòu)，代表震后同構(gòu)造期的破裂愈合。因此本文中選取的方解石脈能夠代表同震或同構(gòu)造的斷層活動(dòng)。即研究區(qū)自北向南，達(dá)凱斷層記錄了超過兩期的地震活動(dòng)，活動(dòng)時(shí)間距今均超過600ka；土熱勒研究點(diǎn)F3斷層在距今679±129ka發(fā)生一期地震活動(dòng)；沖巴研究點(diǎn)記錄了NNE向斷層544±26ka的地震活動(dòng)以及，NE向F7斷層408±13ka和444±15ka的兩期地震活動(dòng)。在以上三個(gè)研究點(diǎn)中，涅如堆地塹南段土熱勒點(diǎn)發(fā)育的斷層三角面較為完整，新鮮斷層面與三角面頂部高差約150m，斷層傾角為57°。若本研究中方解石脈記錄的地震年齡為初始活動(dòng)時(shí)間，則裂谷該段中更新世以來的E-W向伸展速率為0.17～0.24mm/yr，由于方解石脈的沉淀晚于最早期的斷層活動(dòng)，因此斷層實(shí)際活動(dòng)時(shí)期更長，因此該速率為最大值，即中更新世以來的伸展速率小于晚更新世以來0.8±0.3mm/yr的伸展速率(Wangetal., 2020),以及GPS觀測的現(xiàn)今伸展速率6mm/yr(哈廣浩，2019)。即中更新世以來，亞東裂谷涅如堆段斷層活動(dòng)速率增大。

7 結(jié)論

本文通過對藏南亞東裂谷地區(qū)斷裂帶中的方解石脈體成因、地球化學(xué)以及年代學(xué)分析，得到以下認(rèn)識：

(1)亞東裂谷涅如堆段和帕里段沿裂谷斷層發(fā)育方解石脈。三個(gè)采樣點(diǎn)中沿?cái)鄬用骐A步產(chǎn)出的方解石脈具有塊狀結(jié)構(gòu)，土熱勒點(diǎn)沿?cái)鄬用姘l(fā)育的方解石脈體中包含角礫狀圍巖，以上兩種結(jié)構(gòu)代表了流體在同震階段的快速沉淀；沖巴點(diǎn)沿?cái)鄬影l(fā)育一處厚層方解石脈，具有拉長的塊狀結(jié)構(gòu)，代表震后同構(gòu)造階段的流體沉淀。

(2)涅如堆地塹北部方解石脈REY模式反映了熱液特征，異常輕的δ13CV-PDB值具有幔源特征，而極低的δ18OV-SMOW值顯示出大氣水貢獻(xiàn)。涅如堆地塹南部和帕里地塹北部方解石脈REY模式反映了淺成的低溫特征，δ13CV-PDB和87Sr/86Sr值與區(qū)域內(nèi)灰?guī)r相近，代表了圍巖對方解脈的貢獻(xiàn)，偏負(fù)的δ18OV-SMOW表明方解石脈同樣存在大氣水貢獻(xiàn)。

(3)地球化學(xué)數(shù)據(jù)顯示，達(dá)凱點(diǎn)方解石脈顯示了來自大氣水和地幔流體貢獻(xiàn)，沉淀溫度約為122～252℃，土熱勒和沖巴點(diǎn)的流體來源主要為灰?guī)r圍巖和大氣水，方解石在低溫條件沉淀。地震相關(guān)的擠壓和破裂導(dǎo)致地幔流體延斷層上升，在深部區(qū)域與下滲或深埋的大氣水共同導(dǎo)致方解石沉淀。在淺部區(qū)域，由于地震破裂產(chǎn)生的壓力和溫度變化，灰?guī)r中過飽和流體和淺部地下水混合產(chǎn)生方解石沉淀。

(4)方解石脈的顯微結(jié)構(gòu)和地球化學(xué)數(shù)據(jù)顯示，脈體形成與地震活動(dòng)相關(guān)，其中裂谷的涅如堆段記錄了一期679±129ka的地震活動(dòng)，且該段斷層活動(dòng)速率從中更新世明顯增大；帕里段北部記錄了544±26ka、444±15ka和408±13ka三期地震活動(dòng)。

致謝鈾系測年工作得到西安交通大學(xué)同位素實(shí)驗(yàn)室寧有豐研究員和賈雪雪的悉心指導(dǎo)，碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)分析得到了中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所高建飛副研究員的寶貴建議和指導(dǎo)。劉俊來教授、張波副教授和本刊編輯提出了寶貴意見和建議。在此一并表示感謝。