鮮水河斷裂帶乾寧段巖石特征與內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其物理-化學性質(zhì)*

吳瓊 李海兵 CHEVALIER Marie-Luce 米桂龍 李超 何祥麗 李亞林

1. 中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，自然資源部深地動力學重點實驗室，北京 100037

2. 中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083

3. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)，廣州 511458

4. 應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085

斷裂巖是斷層作用的直接產(chǎn)物，其巖石組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)蘊藏著斷裂活動過程中滑移性質(zhì)、力學狀態(tài)、物理-化學過程和流體作用等重要信息(Wibberleyetal., 2008; Faulkneretal., 2010)。斷裂巖物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和物理化學性質(zhì)是認識斷裂變形行為、滑移機制和地震破裂過程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵(Chesteretal., 1993; Schleicheretal., 2010; Gratieretal., 2011; Holdsworthetal., 2011; Scholz, 2002)。鮮水河斷裂帶位于青藏高原東南緣，是世界上地震活動性最強的活動斷裂帶之一(Molnar and Deng, 1984; Wenetal., 2008)。歷史地震及儀器記錄地震統(tǒng)計結(jié)果顯示，自1725年以來沿鮮水河斷裂帶先后發(fā)生了6級以上強震17次，其中7級以上破壞性強震8次，包括1893年乾寧7.0級大地震、1973年爐霍7.6級大地震(Allenetal., 1991; Dengetal., 2003; 張培震等, 2003; Papadimitriouetal., 2004; Wenetal., 2008)。2008年汶川地震(Mw7.9)過后，鮮水河斷裂帶的庫倫應(yīng)力急劇增加(Parsonsetal., 2008; Todaetal., 2008; Yangetal., 2015)，發(fā)生破壞性強震的概率變大。前人對于鮮水河斷裂帶的認知多集中在構(gòu)造地貌與滑移速率(Baietal., 2018)、大地測量學(GPS與InSAR)(Jietal., 2020)、庫倫應(yīng)力特征(Todaetal., 2008)、古地震(李東雨等, 2017)、年代學(Zhangetal., 2004a)、地質(zhì)災(zāi)害(Zhangetal., 2017)等方面，然而，從斷裂巖角度出發(fā)的研究較少(楊主恩等, 1999; 彭東等, 2012; Wangetal., 2014)，尤其在斷裂變形行為、滑移機制和地震機理等方面的研究進展緩慢。因此，亟需對鮮水河斷裂帶在地震過程中形成的斷裂巖進行詳細研究，依據(jù)其結(jié)構(gòu)構(gòu)造確定斷裂變形行為，通過物質(zhì)組成與物理-化學性質(zhì)揭示其滑移機制，由此探討鮮水河斷裂帶強震頻發(fā)的力學行為，這對認識斷裂帶應(yīng)力聚集過程和地震活動性具有重要意義。

鮮水河斷裂帶乾寧段(道孚-八美)有曾發(fā)生過5次M6.5級以上大地震的記錄，其中震級最高為1893年8月29日M7.0乾寧大地震。在甘孜州八美鎮(zhèn)龍燈鄉(xiāng)促涅隆巴河溝內(nèi)，可見清晰的乾寧大地震地表破裂帶，晚第四紀階地位錯明顯，階地上發(fā)育的斷層槽谷與地表沖溝內(nèi)出露的斷裂巖帶位置相對應(yīng)。本文以該地表出露的斷裂巖帶為研究對象，對斷裂巖露頭剖面進行了定向樣和化學樣的系統(tǒng)采集，并通過顯微構(gòu)造觀測、XRD礦物半定量分析和XRF、EDS元素面掃等研究，確定斷裂帶物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物理-化學性質(zhì)，進而探討其變形行為和滑移機制。

1 地質(zhì)背景

青藏高原東緣是我國“南北地震帶”的主體部分(Dengetal., 2003; Zhang, 2013)。由于青藏高原向東擴展擠出，并與東部剛性四川盆地發(fā)生碰撞，該區(qū)域發(fā)育大量活動斷裂(Molnar and Tapponnier, 1975; Tapponnier and Molnar, 1977; Wang and Burchfiel, 2000; Tapponnieretal., 2001)，鮮水河大型左旋走滑斷裂帶就是其中之一(圖1a)。鮮水河斷裂帶位于松潘-甘孜造山帶內(nèi)部，分割了北東側(cè)的巴顏喀拉地塊和南西側(cè)的川滇地塊(圖1a)，是青藏高原物質(zhì)相對于歐亞大陸圍繞東喜馬拉雅構(gòu)造節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)的北界(Zhangetal., 2004b; Wangetal., 2017; Wang and Shen, 2020)，也是中國大陸內(nèi)部構(gòu)造活動性最強、強震頻發(fā)的活動斷裂(Allenetal., 1991; Wenetal., 2008)。

鮮水河斷裂帶北西起自甘孜卡蘇一帶，向南東經(jīng)爐霍、道孚、康定、摩西一線，至石棉安順場一帶逐漸減弱消失，全長約400km，總體走向北西320°～330°，幾何形態(tài)呈略向北東凸出的弧形(圖1b)，為一條全新世強烈活動的大型左旋走滑斷裂帶(聞學澤等, 1989; Baietal., 2018)。該斷裂帶在甘孜至八美之間呈連續(xù)線性展布，鮮水河被斷裂左旋錯開～62km(Yan and Lin, 2015; Baietal., 2018)(圖1b)。斷裂向SE延伸，過惠遠寺盆地后發(fā)散為呈右階雁列式分布的三條分支斷裂：北邊的雅拉河斷裂、中間的色拉哈斷裂以及南邊的折多塘斷裂。雅拉河斷裂與色拉哈斷裂在康定附近合并為磨西斷裂，斷裂幾何形態(tài)顯示這三條斷層在深部可能是連在一起的(Allenetal., 1991; Jiangetal., 2015)。潘家偉等(2020)通過高分辨率衛(wèi)星影像解譯和詳細的野外填圖在色拉哈斷裂和折多塘斷裂之間的折多山花崗巖體內(nèi)新發(fā)現(xiàn)了一條長約24km的全新世活動斷層，將其命名為“木格措南斷裂”(圖1b)。

圖1 青藏高原東南緣區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)圖

鮮水河斷裂帶切過不同時代、不同巖性多套地層，主要包括志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、第四系以及不同時期巖漿巖等(辜學達和劉嘯虎, 1997; 中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所, 2004)。三疊系為鮮水河斷裂帶兩盤的主體巖石地層，包括菠茨溝組、扎尕山組、雜谷腦組、侏倭組、新都橋組、如年各組、兩河口組、雅江組，其中以上三疊統(tǒng)分布最廣、厚度最大，主要巖性為淺變質(zhì)的砂、板巖地層。此外，鮮水河斷裂帶巖漿巖也較為發(fā)育，以南東段折多山巖體規(guī)模最大。本文選取的研究區(qū)內(nèi)，斷層切過上三疊統(tǒng)侏倭組(圖2)，巖性主要為灰色-深灰色薄層-厚層狀變質(zhì)細粒石英砂巖、長石石英砂巖、粉砂巖與灰黑色粉砂質(zhì)絹云板巖、碳質(zhì)絹云板巖組成有頻繁韻律式互層，偶見斑巖巖脈。

圖2 鮮水河斷裂帶乾寧段構(gòu)造地質(zhì)圖及研究區(qū)位置(據(jù)四川省地質(zhì)局, 1981(2)四川省地質(zhì)局. 1981. 1/20萬丹巴幅地質(zhì)圖, 1985(3)四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局. 1985. 1/20萬康定幅地質(zhì)圖; 四川省地震局, 1995(4)四川省地震局. 1995. 1/5萬鮮水河活動斷裂帶地質(zhì)圖修改)

2 樣品采集與研究方法

2.1 樣品采集

為確保主滑移帶樣品的連續(xù)性和完整性，我們對促涅隆巴河溝內(nèi)發(fā)育的斷層泥、碎裂巖和斷層角礫巖進行巖石整塊定向取樣，樣品尺寸為28cm×10cm×10cm，包含了黃色斷層角礫巖、黑色斷層泥和灰色碎裂巖，并對淺黃色斷層角礫巖和灰色斷層角礫巖進行單獨采樣。根據(jù)野外實際測量，沿著平行于斷層面走向、垂直于斷層面的切面(即XZ面)切制定向薄片，同時對斷層泥、碎裂巖和斷層角礫巖分別進行1cm一個樣品連續(xù)粉末樣采集和3cm間隔粉末樣采集，共獲得25個粉末樣品，其中1個淺黃色斷層角礫巖，7個黃色斷層角礫巖，4個黑色斷層泥，12個灰色碎裂巖，1個灰色斷層角礫巖。

2.2 研究方法

我們對主滑移帶斷裂巖定向樣品進行切割磨制構(gòu)造巖石薄片，切制的薄片通過偏光顯微鏡和掃描電鏡進行顯微構(gòu)造觀測與分析，顯微構(gòu)造觀測在自然資源部深地動力學重點實驗室完成。利用Nano Measurer軟件統(tǒng)計主滑移帶內(nèi)石英碎屑粒徑，每個統(tǒng)計區(qū)域?qū)?0μm，長150μm，長邊方向與主滑移帶平行，依據(jù)粒徑分布特征劃分不同期次滑移帶。礦物成分分析是將25個斷裂巖樣品碾磨成粉末做礦物半定量分析，采用的方法是SY/T5163—2018沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法(XRD)，測試儀器為X射線衍射儀(D8 Advance)。該實驗在北京北達燕園微構(gòu)分析測試中心有限公司完成。此外，通過微區(qū)X射線熒光分析儀(XRF)及EDS能譜分析對主滑移帶定向薄片開展化學元素面描，該實驗在自然資源部深地動力學重點實驗室進行。

3 斷裂帶地貌特征、巖石組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造

3.1 地表構(gòu)造地貌特征

研究剖面位于八美鎮(zhèn)北西方向約20km促涅隆巴河溝內(nèi)，該處地表斷裂行跡清晰，表現(xiàn)為連續(xù)線性展布，總體走向N328°W(圖3a)。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育兩條水系，二者共同作用形成至少5級河流相階地。斷裂切割T4階地，可見約100m的左旋位錯(圖3b)。研究區(qū)T4階地上沿斷層走向可觀察到連續(xù)發(fā)育的兩側(cè)高中間低、寬22～26m、深約1.79～8.75m的斷層槽谷，與地表沖溝內(nèi)出露的斷裂巖帶位置相對應(yīng)(圖3c, d)。從地貌特征可知，鮮水河斷裂乾寧段在該處有左旋兼正斷的運動特征。

圖3 鮮水河斷裂帶乾寧段構(gòu)造地貌特征與斷裂帶野外露頭

3.2 斷裂帶巖石組成

鮮水河斷裂帶乾寧段斷裂巖在促涅隆巴河溝兩側(cè)均有出露(圖3e、圖4)，斷裂巖整體寬約14.3m，以黑色斷層泥為中心，兩側(cè)分別發(fā)育淺黃色、黃色斷層角礫巖和灰色碎裂巖、灰色斷層角礫巖(圖4a)。淺黃色、黃色斷層角礫巖帶出露寬度約6.2m，淺黃色斷層角礫巖內(nèi)可見次級滑移帶，帶內(nèi)斷層泥較脆易破碎并發(fā)育面理(圖4c)，黃色斷層角礫巖呈現(xiàn)脈體特征(圖4b, d)。主滑移帶斷層泥厚3～5cm，呈黑色弱固結(jié)，可見弱面理，與其兩側(cè)斷裂巖界線清晰、平直(圖4e, f)?；疑榱褞r帶寬約0.9m，發(fā)育弱面理，內(nèi)部方解石脈體與弱面理近于平行?；疑珨鄬咏堑[巖內(nèi)角礫粒徑明顯增大，內(nèi)部可見兩組面理，方解石脈較為發(fā)育(圖4g, h)。

圖4 鮮水河斷裂帶乾寧段野外露頭斷裂巖分布特征

3.3 斷裂巖宏觀構(gòu)造

促涅隆巴河溝內(nèi)出露的斷裂巖由斷層泥、碎裂巖和斷層角礫巖等組成，并構(gòu)成斷裂帶核部物質(zhì)。從NE向SW斷裂巖依次為：淺黃色斷層角礫巖內(nèi)部角礫大小不均，分布雜亂，局部角礫被方解石膠結(jié)(圖5a)；黃色斷層角礫巖原巖為斑巖，與淺黃色斷層角礫巖接觸界線截然，在與黑色斷層泥的接觸帶上角礫細?；鼮槊黠@，角礫直徑1～5cm不等，由黃色黏土基質(zhì)膠結(jié)(圖4f、圖5a)；黑色斷層泥內(nèi)顆粒較為細小，手標本上未見明顯角礫；灰色碎裂巖在XZ切面發(fā)育弱面理，角礫沿面理定向分布，方解石脈體碎裂(圖5b)?；疑榱褞r內(nèi)靠近黑色斷層泥一側(cè)方解石較多，面理與主滑移面近于平行(圖5b)?；疑榱褞r內(nèi)發(fā)育里德爾剪切系R、P、T等多個方向的次級剪切破裂，其中以P和R破裂居多，方解石充填在T破裂內(nèi)(圖5c)。

圖5 鮮水河斷裂帶乾寧段主滑移帶斷裂巖野外露頭及宏觀特征

3.4 斷裂巖顯微構(gòu)造

斷層泥在光學顯微鏡下呈深棕色-黑色，發(fā)育弱面理(圖6c)。斷層泥內(nèi)發(fā)育一系列石英、長石碎塊，其粒徑大小不均，碎塊既有棱角分明，也有渾圓狀，較大的長石碎塊內(nèi)部可見一組平行破裂(圖6a)。石英碎塊多呈棱角狀，其周緣可見由黏土礦物組成的蝕變邊(圖6b)。顯微構(gòu)造觀察中發(fā)現(xiàn)兩處斷層泥楔入脈：靠近黃色斷層角礫巖一處，斷層泥楔入到斑巖角礫內(nèi)，楔入脈體長1～2mm，最厚約0.3mm，兩條斷層泥楔入脈近于平行(圖6d)；另一處靠近灰色碎裂巖一側(cè)，含有較粗粒徑石英碎屑的斷層泥脈楔入到其左側(cè)石英粒徑較細小的斷層泥內(nèi)，二者之間界線明顯、較平直(圖6e)?；疑榱褞r發(fā)育弱面理，碎裂結(jié)構(gòu)明顯，角礫多為棱角分明的石英碎屑，角礫之間被深棕色-黑色黏土礦物膠結(jié)(圖6f, g)。灰色斷層角礫巖內(nèi)角礫為砂巖碎塊，角礫之間無明顯位移，發(fā)育弱面理(圖6h)。

圖6 鮮水河斷裂帶乾寧段斷裂巖光學顯微鏡下結(jié)構(gòu)特征

掃描電鏡觀測結(jié)果顯示，黑色斷層泥是由大小不一、分布雜亂、磨蝕程度不同的石英、長石、方解石碎屑和黏土礦物組成(圖7)。石英含量最高，顆粒具有溶蝕特征；云母只在局部出現(xiàn)且呈弱定向排列；長石多發(fā)生蝕變(圖7a, b)。斷層泥內(nèi)部碎塊粒徑大小分帶明顯，有的粒徑差異較大，且條帶之間界線清晰平直，它們代表不同期次的滑移帶(圖7c-f)。在斷層泥與灰色碎裂巖的接觸帶上，發(fā)現(xiàn)大量的方解石顆粒充填在角礫裂隙和基質(zhì)孔隙內(nèi)(圖7g)，方解石顆粒細小，粒徑一般小于1μm。另外，掃描電鏡下亦可觀察到斷層泥楔入到斑巖角礫中(圖7h)。

圖7 鮮水河斷裂帶乾寧段斷層泥掃描電鏡下顯微結(jié)構(gòu)特征

4 斷裂帶物理-化學性質(zhì)

4.1 石英粒徑分布特征

為了進一步確定斷層泥中不同滑移帶的分布和界線，我們對顯微觀測到的不同滑移帶進行石英粒度統(tǒng)計，等面積內(nèi)粒徑分布特征有助于區(qū)分不同期次的滑移帶。結(jié)果顯示，主滑移帶黑色斷層泥內(nèi)可劃分出13個石英平均粒徑相異的滑移帶(SZ)(圖8)：SZ1至SZ13石英碎屑平均粒徑分別為9.02μm、4.78μm、3.23μm、2.54μm、3.25μm、2.86μm、3.27μm、4.65μm、3.43μm、3.02μm、3.65μm、3.44μm和5.30μm；滑移帶厚度分別約為470μm、160μm、392μm、40μm、280μm、200μm、375μm、120μm、240μm、120μm、120μm、1700μm和160μm(圖9)。SZ4厚度最小，石英平均粒徑最小；SZ1、SZ3、SZ7、SZ12較厚，尤其是SZ12厚度最大。因此，結(jié)合石英粒度分析和顯微構(gòu)造特征，在黑色斷層泥內(nèi)能初步劃分出13個不同的滑移帶(表1)。

圖8 主滑移帶斷層泥連續(xù)薄片掃描圖及內(nèi)部滑移帶劃分

表1 鮮水河斷裂帶乾寧段斷層泥內(nèi)石英粒度統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)表

圖9 鮮水河斷裂帶乾寧段斷層泥石英粒度統(tǒng)計分析及滑移帶劃分SEM圖像位置參考圖8；d代表滑移帶內(nèi)平均粒徑

4.2 礦物組成

斷裂巖粉末樣品的XRD測試結(jié)果顯示，研究剖面內(nèi)斷裂巖主要礦物成分為石英、斜長石、微斜長石、方解石、白云石、文石及黏土礦物(圖10)。黑色斷層泥內(nèi)黏土礦物主要是伊利石，靠近灰色碎裂巖的斷層泥邊部存在伊蒙混層。碎裂巖、斷層角礫巖內(nèi)則以伊利石、高嶺石為主要黏土礦物。黃色斷層角礫巖內(nèi)可見綠蒙混層。

圖10 鮮水河斷裂帶乾寧段斷裂巖XRD圖譜

黑色斷層泥與碎裂巖、斷層角礫巖在礦物含量變化趨勢上有明顯的差別(表2、圖11)。整體來看，斷層泥內(nèi)方解石含量(0%～15%)低于碎裂巖、斷層角礫巖(2%～35%)；斷層泥內(nèi)黏土礦物總量(15%～27%)略高于碎裂巖(16%～22%)，其中，伊利石含量(6.9%～27%)高于碎裂巖、斷層角礫巖(3.2%～14.3%)，而高嶺石含量(0%～9.45%)低于碎裂巖、斷層角礫巖(4.32%～24.12%)；靠近灰色碎裂巖邊部的黑色斷層泥含有伊蒙混層，具有伊蒙混層含量最高(4.8%)、蒙脫石混層比最高(65%)、方解石含量高，而伊利石含量、黏土礦物總量低的礦物變化特征(圖11品紅色標記的樣品)?；疑榱褞r相比于淺黃色、黃色斷層角礫巖具有低方解石(2%～11%)、低高嶺石(4.32%～7.7%)、高伊利石(8.32%～14.3%)、高伊蒙混層(1.36%～2.34%)的礦物含量特征。

表2 鮮水河斷裂巖乾寧段斷裂巖礦物組成與含量

圖11 鮮水河斷裂帶乾寧段斷裂巖XRD礦物含量分布圖

4.3 化學元素分布特征

我們選取黑色斷層泥薄片區(qū)域進行了微區(qū)XRF元素豐度面掃描，結(jié)果顯示，相對于碎裂巖、斷層角礫巖，黑色斷層泥內(nèi)Si、K、Al富集，Ca、Fe虧損(圖12)。斷層泥內(nèi)元素分布并不均勻，應(yīng)用掃面電鏡內(nèi)的EDS能譜分析對SZ13區(qū)域進行元素面掃描，結(jié)果顯示SZ13中Ca、Fe含量明顯高于其左側(cè)斷層泥，K略有虧損，Al、Si、Na、Mg、Ti含量變化不明顯(圖13)。

圖12 主滑移帶黑色斷層泥薄片XRF測試元素分布圖

圖13 SZ13滑移帶內(nèi)元素強度分布圖

5 討論

5.1 斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)與變形行為

斷裂帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為單核結(jié)構(gòu)和多核結(jié)構(gòu)(Faulkneretal., 2010)，二者區(qū)別在于斷裂帶在地質(zhì)歷史過程中的變形是集中發(fā)生在同一個高應(yīng)變帶核部還是分散在多個高應(yīng)變核部(Chester and Logan, 1986; Faulkner and Rutter, 2003)。根據(jù)變形程度，斷裂帶可以分為斷裂核部和破碎帶(Spray, 1995)。斷裂帶核部一般為斷層滑移帶，主要由富含粘土礦物的斷層泥、碎裂巖或超碎裂巖和斷層角礫巖組成；破碎帶通常由較大范圍內(nèi)破碎的圍巖及次級破裂組成。在研究區(qū)，鮮水河斷裂帶乾寧段表現(xiàn)為以3～5cm厚黑色斷層泥和兩側(cè)發(fā)育的淺黃色、黃色斷層角礫巖和灰色碎裂巖、灰色斷層角礫巖為核部的單核對稱結(jié)構(gòu)。斷層泥作為主滑移面記錄了斷裂帶變形行為信息，其顯微構(gòu)造表現(xiàn)出斷層泥中碎塊大小不均、雜亂分布、磨圓度和蝕變程度不同的石英、長石碎塊與極細粒的黏土礦物膠結(jié)的斷層快速滑動特征，是古地震的產(chǎn)物(Heermanceetal., 2003; 李海兵等, 2018)。

斷層在地震過程中的快速滑動往往集中在一條狹窄的高應(yīng)變帶和主滑移面(PSS)內(nèi)(Chester and Chester, 1998; Gay and Ortlepp, 1979)，這種富黏土礦物的窄帶可在斷層動態(tài)滑動中快速降低斷層面摩擦系數(shù)，從而產(chǎn)生大地震(Chenetal., 2001; Linetal., 2001; Maetal., 2001)。雖然單次古地震事件伴生的滑移帶寬度已無從考量，但現(xiàn)今大地震后快速實施的地震斷裂帶科學鉆探可提供一些數(shù)據(jù)參考，如中國臺灣集集地震(Mw7.6)形成的斷層泥有50～300μm、1mm到<2cm厚(Heermanceetal., 2003; Maetal., 2006; Kuoetal., 2011, 2014)，汶川地震在映秀-北川斷裂帶中(WFSD-1巖心中)形成的斷層泥約1mm厚(Lietal., 2014; Sietal., 2014)。由此推測，研究區(qū)內(nèi)3～5cm厚斷層泥可能記錄了多期次的古地震事件。同一地區(qū)或相同圍巖條件下，不同震級的地震破裂能不同，所形成的碎屑粒徑也就不同(Maetal., 2006)。因此，根據(jù)滑移帶的厚度、碎屑粒徑差異以及是否有清晰的邊界或主滑移面，可劃分出不同期次古地震滑移帶。通過顯微構(gòu)造觀察和石英粒度分析相結(jié)合，研究區(qū)黑色斷層泥內(nèi)可劃分出邊界清晰且與Y近乎平行、石英平均粒徑稍有不同的13條滑移帶。其中，SZ2、SZ4、SZ5-6、SZ8-11、SZ13等9個滑移帶具有明顯的邊界、相異的碎屑粒徑和約40～280μm不等的滑移帶厚度，可代表9次不同期次、不同震級的古地震事件。SZ1、SZ3、SZ7和SZ12雖然碎屑粒徑相異，但厚度相對較大(約375～1700μm)，各帶內(nèi)碎屑粒徑趨同，不能再進一步細分滑移帶。根據(jù)SZ4最窄滑移帶厚度約40μm來看，上述厚度相對較大的4個滑移帶很可能是由超過4次古地震形成。因此，3～5cm厚的斷層泥可能代表至少13次古地震事件，甚至有可能遠超過13次，其中最窄滑移帶厚約40μm。

5.2 斷裂滑動的弱化機制

近幾十年來，發(fā)震斷層如何在瞬時滑動中降低摩擦阻力一直是地質(zhì)學界研究的熱門課題(Zobacketal., 1987; Scholz, 2002; Collettinietal., 2009)。地震過程中斷層弱化往往是多種機制共同作用，如映秀-北川斷裂帶在2008年汶川地震中的弱化機制有摩擦熔融(Wangetal., 2019)、斷層石墨化(Kuoetal., 2014)和熱增壓(Sietal., 2014)。這可能是由于一條斷層從震源到淺表，所處深度不同，斷裂作用環(huán)境(溫度、壓力、氧化還原環(huán)境等)也就不同，從而促發(fā)不同的斷層弱化機制。目前提出的斷裂帶深部(4km以下)或近震源深度(10～15km)主要的斷層弱化機制有：摩擦熔融(Spray, 1987; Di Toroetal., 2006)、硅膠潤滑(Hirose and Shimamoto, 2005; Di Toroetal., 2006)、納米顆粒潤滑(Hanetal., 2010)、熱增壓(Sibson, 1973)、斷層石墨化(Oohashietal., 2011)等；斷裂帶淺部(4km以上)黏土礦物或?qū)訝罟杷猁}礦物的富集可快速弱化斷層，其滲透率低，在斷層摩擦熱作用下易形成高壓流體，弱化機制以熱增壓為主(Kuoetal., 2009)。因此，主滑移帶內(nèi)物質(zhì)的化學成分和黏土礦物種類是認識地震斷層淺部(4km以上)滑移機制的關(guān)鍵(Yamaguchietal., 2011)。JFAST、TCDP、WFSD等地震斷裂帶科學鉆探所獲取的大地震“新鮮斷層泥”中均發(fā)現(xiàn)了蒙脫石含量異常(Kuoetal., 2009; Yamaguchietal., 2011; Sietal., 2014)。前人摩擦實驗表明蒙脫石是已知的摩擦系數(shù)(μ=0.19～0.23)最低的礦物之一，低于伊利石、綠泥石摩擦系數(shù)(μ=0.27～0.32)，進一步證實了蒙脫石很有可能是斷層快速滑動引發(fā)地震的產(chǎn)物(Byerlee and Wyss, 1978; Ikarietal., 2009)，且蒙脫石的形成往往與斷層面高溫及流體參與有關(guān)，指示熱增壓地震機制(Ujiie and Tsutsumi, 2010; Sietal., 2014)。

伊蒙混層也可以作為地震滑移帶弱化的關(guān)鍵物質(zhì)(Yamaguchietal., 2011)，這是由于孕震帶高溫(150～350℃, Sibson, 1982)以及斷層活動引起的流體作用，尤其是富含K+、Al3+流體在孔隙中參與會使斷層滑動面上的蒙脫石快速伊利石化，形成伊蒙混層。隨著伊利石在伊蒙混層中百分比逐漸升高，最終全部轉(zhuǎn)化為伊利石。該反應(yīng)轉(zhuǎn)化速率主要受溫度、流體中K+、Al3+含量和流體活躍程度影響(Turner and Fishman, 1991; Eberletal., 1993; Yamaguchietal., 2011)，反應(yīng)方程式如下：1 smectite+K++Al3+→1 illite+Na++Ca2++Si4++Fe2++Mg2++H2O(Howeretal., 1976)。因此，斷層面上的伊蒙混層既可以證實斷層活動過程中蒙脫石的存在，同時說明斷裂滑動過程中有流體的參與。

本文研究的主滑移帶樣品，即斷層泥，是斷裂帶淺部的地震產(chǎn)物(Sibson, 1977; Scholz, 1988)。在黑色斷層泥內(nèi)側(cè)(SZ13)與灰色碎裂巖接觸處發(fā)現(xiàn)了高含量伊蒙混層，同時在該層伊利石含量降低，這說明該層經(jīng)歷過地震滑動，摩擦升溫和流體共同作用下形成高壓流體，降低了斷層滑移帶的有效正應(yīng)力，斷層迅速弱化，并進一步促進了蒙脫石的伊利石化反應(yīng)，形成伊蒙混層。黑色斷層泥中并未發(fā)現(xiàn)熔融物質(zhì)，可能與斷層滑移帶內(nèi)存在高壓流體導致的摩擦溫度不夠有關(guān)(Sibson, 1973)。蒙脫石和伊利石斷層泥在剪切應(yīng)變加載過程具有更低的滲透率，從而導致孔隙壓力增大(Ikarietal., 2009)，斷層面上有效正應(yīng)力減小，摩擦系數(shù)降低，促進了斷層弱化，由于高壓流體的存在使斷層泥沿T裂隙灌入形成楔入脈。因此，斷層面伊蒙混層含量異常高、活躍的流體作用、斷層泥低滲透率以及斷層泥楔入脈的存在，表明鮮水河斷裂帶淺部(4km以上)在地震過程中存在熱增壓的動態(tài)弱化機制。

5.3 地震主滑移帶遷移方向

通常情況下，斷裂帶淺部4km以上主要形成斷層角礫巖和斷層泥，而在4km以下或近震源深度(10～15km)則會形成碎裂巖或在干的環(huán)境下形成假玄武玻璃等(Sibson, 1977; Scholz, 1988)。假玄武玻璃和斷層泥在斷層破裂后愈合方面起到截然相反作用：熔融體冷卻后具有焊接強化斷層的作用(Mitchelletal., 2016; Proctor and Locker, 2016)；斷層泥主要由黏土礦物組成，層狀硅酸鹽礦物的增多使得斷層變?nèi)?Collettinietal., 2009)，同時具有低滲透率和高孔隙流體壓力，更容易發(fā)生斷層滑動(Numelinetal., 2007; Ikarietal., 2009; Ujiie and Tsutsumi, 2010)。自然界中斷層泥可以厚到十幾厘米(Maetal., 2006; Chesteretal., 2013)，而單次地震形成的斷層泥只有幾十微米到幾毫米厚，說明“過厚”的斷層泥容納了多期次地震活動。研究各地震事件發(fā)生的時間順序?qū)⒂兄谔剿鞯卣鹬骰茙г诘刭|(zhì)歷史時期的遷移方向或趨勢。

本文研究區(qū)內(nèi)的鮮水河斷裂帶主滑移帶斷層泥厚3～5cm，由13個滑移帶(SZ1～SZ13)組成，是≥13次地震事件的累計產(chǎn)物。斷層泥與灰色碎裂巖、灰色斷層角礫巖在礦物成份上相似，只是在各類礦物含量高低上有所差異，推測三者都是由灰色砂巖、粉砂巖發(fā)育而來。掃描電鏡觀測到靠近黃色斷層角礫巖的SZ1-2在碎屑成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上與其他滑移帶略有差別，SZ1-2中長石、云母含量相對較高，石英、長石碎屑多發(fā)生蝕變，云母在SZ1與SZ2交界處異常聚集并具有弱定向，方解石以碎屑顆粒形式出現(xiàn)在斷層泥內(nèi)。這可能是由于黃色斷層角礫巖參與了SZ1-2的形成過程，并在斷層泥形成后遭受長期流體作用，使碎屑顆粒蝕變程度較其他滑移帶更為嚴重，推測SZ1-2是主滑移帶內(nèi)相對早期的產(chǎn)物。XRD結(jié)果顯示出在靠近碎裂巖的黑色斷層泥的SZ13帶與其兩側(cè)相比具有高方解石、高伊蒙混層、低伊利石、低黏土礦物的礦物特征，這與TCDP中1999年集集地震(Kuoetal., 2009)和IODP中1944年Tonankaidi地震主滑移帶礦物變化特征較為相似(Yamaguchietal., 2011)，進一步表明了SZ13可能是相對其他滑移帶是最新一次古地震事件的主滑動帶。此外，SZ13內(nèi)元素分布特征與其左側(cè)斷層泥并不相同，SZ13內(nèi)Fe、Ca富集，K略虧損，而左側(cè)斷層泥內(nèi)K、Al富集，Ca、Fe虧損嚴重，且SZ13內(nèi)可見間震期流體作用通過溶解-沉淀產(chǎn)生碳酸鹽礦物愈合破裂的特征。從斷層泥不同滑動帶(SZ1～SZ13)中碎塊蝕變程度相對越來越低且Ca、Fe元素分布越來越高特征來看，地震主滑動帶有向碎裂巖方向遷移的趨勢。由此可見，研究區(qū)內(nèi)鮮水河斷裂帶地震活動主滑移帶始終發(fā)育在灰色砂巖、粉砂巖圍巖一側(cè)，SZ13為最新一次古地震事件的主滑移帶，多期次地震滑移具有向灰色碎裂巖方向遷移的趨勢。這可能是由于灰色碎裂巖相對于淺黃色、黃色角礫巖在礦物成分上表現(xiàn)為弱礦物含量高(如伊利石、伊蒙混層)，而強礦物含量低(如方解石、高嶺石)的因素。由此我們推測，斷層在滑動過程中，更趨向于向弱礦物含量高的圍巖一側(cè)遷移。

6 結(jié)論

本文對鮮水河斷裂帶乾寧段甘孜州八美鎮(zhèn)龍燈鄉(xiāng)促涅隆巴河溝內(nèi)地表露頭斷裂巖開展了詳細的巖石組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物理-化學性質(zhì)綜合研究，得出以下認識：

(1)鮮水河斷裂帶乾寧段呈單核對稱結(jié)構(gòu)，核部巖石由黑色斷層泥、淺黃色及黃色斷層角礫巖和灰色碎裂巖、灰色斷層角礫巖組成。3～5cm厚斷層泥是地震快速滑動產(chǎn)物。斷層泥內(nèi)部識別出的13個滑移帶代表至少13期古地震事件，最窄滑移帶厚約40μm。

(2)相對最新一次古地震主滑移帶內(nèi)伊蒙混層含量異常高，加之蒙脫石、伊利石為主要黏土礦物的斷層泥滲透率低、孔隙流體壓力大，以及由于滑動帶內(nèi)高壓流體存在而形成的斷層泥楔入脈，表明鮮水河斷裂帶在地震過程中存在熱增壓的動態(tài)弱化機制。

(3)黑色斷層泥內(nèi)記錄的多期古地震主滑移帶均發(fā)育在灰色砂巖、粉砂巖圍巖一側(cè)，且有向灰色碎裂巖方向遷移的趨勢。推測斷層在滑動過程中，更趨向于向弱礦物含量高、強礦物含量低的圍巖一側(cè)遷移。

致謝感謝汶川地震斷裂科學鉆探工程實驗中心魏金川和吳建國在薄片制備和樣品采集時給予的諸多幫助；感謝中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所施斌博士在掃描電鏡觀察中的技術(shù)指導；感謝二位審稿人中國地震局地質(zhì)研究所周永勝研究員、任治坤研究員以及本刊編輯對本文提出的寶貴修改意見，使本文質(zhì)量得以提升。