滄口斷裂斷層泥膨脹機理研究

冷傳旭，李學(xué)專，3，孫璽，邵鋮，3，王曄，3

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島巖土工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266032；3.青島海泊爾建設(shè)工程檢測有限公司，山東 青島 266032)

1 引 言

斷層泥是脆性斷裂帶內(nèi)的斷層物質(zhì)在壓扭或剪切應(yīng)力下磨碎的、由巖石礦物碎屑和黏土礦物組成的、未成巖的泥狀物質(zhì)[1]。一方面，斷層泥是斷層活動的地質(zhì)信息載體，通過對斷層泥微觀結(jié)構(gòu)和黏土礦物成分的研究[2～4]可以推測斷層的活動性質(zhì)；通過對斷層泥中石英微形貌特征解譯[5～7]，以及采用電子自旋共振、釋光等年齡測試方法[8，9]可以推測或測定斷層的活動時代和活動期次。另一方面，從工程地質(zhì)角度來說，斷層是巖土體中的軟弱帶，而斷層泥又是斷層的軟弱帶，斷層泥的強度參數(shù)對斷層的強度有重要影響[10]。對于斷層泥物理力學(xué)特征和工程特性的研究，有助于人們規(guī)避或克服斷層泥對工程結(jié)構(gòu)造成的不良影響。對于斷層泥物理力學(xué)特征和工程特性的研究，目前主要集中于斷層泥含水率與強度參數(shù)關(guān)系[11，12]、摩擦滑動特性[13，14]等方面，而對于斷層泥的膨脹性及其膨脹機理的研究則鮮有報道。在青島市城市地質(zhì)調(diào)查項目—膠州灣東岸地質(zhì)構(gòu)造探測專項的調(diào)查工作中，在滄口斷裂(膠州灣東岸段)主斷面附近鉆探時，揭露了具有強膨脹性的斷層泥，鉆探至該斷層泥時，出現(xiàn)了明顯的縮徑和抱鉆現(xiàn)象，根據(jù)自由膨脹率測試結(jié)果，該斷層泥存在明顯的膨脹性。為查明滄口斷裂斷層泥膨脹機理，本次研究采用自由膨脹率測試、黏土礦物成分分析及掃描電鏡(SEM)圖像定性和定量分析，對滄口斷裂斷層泥、泥質(zhì)斷層角礫巖的膨脹性、礦物成分和微組構(gòu)特征對比分析，從微觀尺度揭示斷層泥膨脹機理。

2 滄口斷裂地質(zhì)概況

滄口斷裂為牟平-即墨斷裂帶中朱吳-店集斷裂的青島段，斷裂長約 82 km，走向北東40°～55°，傾向SE或NW，傾角陡立，一般在70°～88°之間。斷裂自北東起始于遠(yuǎn)洪溝村，向南西延伸，穿過青島市區(qū)后，隱伏于膠州灣內(nèi)，最后在黃島再次出露地表[15]。

滄口斷裂在地質(zhì)歷史上經(jīng)歷過多期活動，其活動方式也發(fā)生過多次變化，分別經(jīng)歷了張性活動期(燕山運動晚期)、左旋壓扭性活動期(燕山運動晚期)、張性活動期(燕山運動晚期～喜山運動早期)、右旋壓扭性活動期(喜山運動早期～晚期)。滄口斷裂最新一次活動應(yīng)為晚更新世中期。滄口斷裂控制了膠州灣及周邊地區(qū)中生代的火山活動、盆地沉積、巖漿侵入以及現(xiàn)代地貌的形成[16]，是影響青島市區(qū)及周邊地區(qū)工程地質(zhì)穩(wěn)定性的主要斷裂之一[17]。

3 樣品測試與分析方法

3.1 斷層泥樣品采取

本次調(diào)查選取了調(diào)查區(qū)內(nèi)6個鉆孔中取得的、主斷面處具有明顯膨脹性的6件斷層泥樣品作為測試樣，以及斷面附近膨脹性不明顯的3件泥質(zhì)斷層角巖樣品作為對照樣，取樣鉆孔位置如圖1所示。

圖1 調(diào)查區(qū)范圍和取樣鉆孔分布圖

3.2 自由膨脹率

對鉆孔中取得的斷層泥和泥質(zhì)斷層角巖樣品進行自由膨脹率測試。自由膨脹率測試在青島市勘察測繪研究院土工實驗室完成。

3.3 X射線衍射(XRD)

礦物含量測試采用X射線衍射(XRD)定量分析法，分析測試在武漢中地大環(huán)境地質(zhì)研究院有限公司實驗室完成，測試儀器為TD-3500 X射線衍射儀。工作電壓 40 kV，工作電流 40 mA。各樣品黏土礦物在自然定向片(NG)的基礎(chǔ)上，制作了乙二醇飽和片(EG)，通過對兩種不同方法處理的薄片進行X射線衍射分析，最終計算得到了各種礦物的含量。

3.4 掃描電鏡(SEM)

為研究微觀結(jié)構(gòu)與斷層泥膨脹之間的關(guān)系，對所采集的斷層泥、泥質(zhì)斷層角礫巖樣品制成光片，進行掃描電鏡(SEM)拍照。掃描電鏡測試在中國冶金地質(zhì)總局山東局測試中心實驗室完成，使用的儀器為日立TM4000型掃描電鏡，加速電壓 15 kV。

4 滄口斷裂斷層泥礦物成分

為對比研究，除本次研究所測試的斷層泥和泥質(zhì)斷層角礫巖的自由膨脹率和礦物成分分析結(jié)果外，同時收集了其他文獻中斷層泥和泥巖的測試數(shù)據(jù)(見表1)。

由表1可以看出：①滄口斷裂斷層泥自由膨脹率為92%～120%，屬強膨脹，泥質(zhì)斷層角礫巖自由膨脹率為12%～55%，為無膨脹性或弱膨脹；②滄口斷裂斷層泥和泥質(zhì)斷層角礫巖主要膨脹礦物為伊/蒙混層礦物，滄口斷裂斷層的泥伊/蒙混層礦物含量為25%～48%，泥質(zhì)斷層角礫巖的伊/蒙混層礦物含量為19%～27%；③由礦物組成可以看出，無論是本次調(diào)查取得的，還是其他文獻給出的，斷層泥的伊/蒙混層礦物含量相對其他種類的巖土要高。

表1 本次實驗結(jié)果及其與其他地區(qū)膨脹/非膨脹巖土的礦物含量及自由膨脹率對比

一般來說，膨脹性巖土的膨脹性主要取決于蒙脫石的含量，膨脹土蒙脫石含量一般與自由膨脹率具有正相關(guān)[22]。而本次調(diào)查中滄口斷裂斷層泥和泥質(zhì)斷層角礫巖的膨脹性主要來源于伊/蒙混層黏土礦物。

滄口斷裂斷層泥和泥質(zhì)斷層角礫巖中普遍存在的伊/蒙混層黏土礦物應(yīng)是斷裂主斷面附近蒙脫石在高溫(150℃～350℃)及化學(xué)活動性流體共同作用轉(zhuǎn)化而來[23～25]。蒙脫石主要來自兩盤巖體中礦物的蝕變，而蒙脫石的伊利石化，其轉(zhuǎn)化過程為蒙脫石晶層坍塌，低電荷蒙脫石轉(zhuǎn)化為高電荷蒙脫石，當(dāng)周邊環(huán)境中有富K+、Al3+流體存在時，高電荷蒙脫石可轉(zhuǎn)化為伊/蒙混層，隨著伊利石在混層中比例升高，最終將全部轉(zhuǎn)化為伊利石。在滄口斷裂多期次的壓扭性構(gòu)造活動過程中，隨著斷層兩盤摩擦擠壓，主斷面處溫度升高，加之化學(xué)活動性流體的共同作用，蒙脫石發(fā)生了伊利石化。斷裂周邊正長花崗巖等巖體中的鉀長石，為其提供了豐富的鉀質(zhì)來源。正是這種轉(zhuǎn)化關(guān)系的存在，斷層泥及鄰近主斷面的斷層角礫巖等斷裂帶物質(zhì)中，蒙脫石很少單獨出現(xiàn)，多是以伊/蒙混層方式出現(xiàn)。

黏土礦物的種類和含量是影響滄口斷裂斷層泥和泥質(zhì)斷層角礫巖膨脹性強弱的因素之一，考慮到斷層泥和泥質(zhì)斷層角礫巖形成于斷層兩盤反復(fù)擠壓、錯動的特殊應(yīng)力環(huán)境下，膨脹性除了與黏土礦物種類和含量有關(guān)，還可能與其微觀結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。因此在礦物成分分析的基礎(chǔ)上，利用掃描電鏡觀察了滄口斷裂斷層泥和泥質(zhì)斷層角礫巖樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

5 滄口斷裂斷層微觀結(jié)構(gòu)

由掃描電鏡(SEM)圖像(圖2)所示，無膨脹、弱膨脹的泥質(zhì)斷層角礫巖和強膨脹的斷層泥微觀結(jié)構(gòu)特征具有明顯差異：無膨脹性的泥質(zhì)斷層角礫巖(圖2a和圖2b)，微觀結(jié)構(gòu)呈顆粒狀，黏土礦物含量低，碎基中石英和長石等顆粒呈次棱角狀～次圓狀，粒徑一般約 2 μm～3 μm，分選較好，反映其經(jīng)過了反復(fù)磨碎；弱膨脹性的泥質(zhì)斷層角礫巖(圖2c)，少量片狀伊/蒙混層黏土礦物集粒呈無序狀穿插于碎屑礦物顆粒之間的縫隙中。強膨脹性斷層泥中板片狀黏土礦物含量較高，呈半定向排列，包裹著少量的石英、長石等碎屑礦物(圖2d-2f)。

圖2 滄口斷裂斷層泥、泥質(zhì)斷層角礫巖SEM圖像

如圖3所示，斷層泥的微觀結(jié)構(gòu)為少量石英、長石等無膨脹性的碎粉顆粒被大量半定向密集排列的板片狀伊/蒙混層黏土礦物所包圍。當(dāng)斷層泥遇水時，伊/蒙混層黏土礦物快速吸水膨脹，黏土礦物半定向密集排列的微觀組構(gòu)使黏土礦物的膨脹“合力”一處，無膨脹性的碎屑礦物顆粒只是被黏土礦物包裹，顆粒之間基本無接觸，基本不會阻礙膨脹體積的擴大。具有該結(jié)構(gòu)的斷層泥多具有強膨脹性；泥質(zhì)斷層角礫巖的微觀結(jié)構(gòu)為少量板片狀伊/蒙混層黏土礦物分散穿插于碎屑礦物顆粒之間，膨脹性黏土礦物含量少且分散，具有該結(jié)構(gòu)的斷層泥一般無膨脹性或呈弱膨脹性。

圖3 斷層泥微觀結(jié)構(gòu)示意圖

為了定量分析斷層泥和泥質(zhì)斷層角礫巖的微觀結(jié)構(gòu)特征，利用專業(yè)圖像處理軟件Image-Pro Plus(IPP) 6.0對SEM圖像進行閾值化處理和定量計算分析。SEM圖像的處理和定量分析基本原理是以某一灰度閾值對圖像進行閾值分割，從而簡化圖像、明確二元組構(gòu)邊界，便于定量計算。由于樣品中礦物顆粒彼此相連，閾值化處理的圖像不能準(zhǔn)確反映顆粒的特征，但是孔隙的特征得以保留。斷層泥的孔隙是其微觀結(jié)構(gòu)的重要組成部分，孔隙既是黏土礦物膨脹的內(nèi)部空間，又是顆粒排列關(guān)系的映射，因此本研究計算和分析對象為樣品的孔隙。為統(tǒng)一變量，同時最大限度地體現(xiàn)孔隙的特征，本次研究統(tǒng)一選取放大倍數(shù)為1 000倍的SEM圖像參與分析，所選取的孔隙參數(shù)有孔隙數(shù)、孔隙總面積、面孔隙率、平均孔徑、分形維數(shù)，其中分形維數(shù)為反映孔隙自相似性的特征參數(shù)。SEM圖像閾值化處理流程如圖4所示，具體分析步驟可參考相關(guān)文獻[33]。

圖4 SEM圖像處理流程

經(jīng)過IPP軟件進行圖像處理和參數(shù)計算后，膠州灣東岸段滄口斷裂斷層泥和泥質(zhì)斷層角礫巖孔隙計算參數(shù)如表2所示：

表2 滄口斷裂斷層泥和泥質(zhì)斷層角礫巖孔隙計算參數(shù)

可以看出，斷層泥和泥質(zhì)斷層角礫巖的孔隙面積、面孔隙率、平均孔徑等孔隙參數(shù)與自由膨脹率之間沒有明顯相關(guān)性，但是孔隙的分形維數(shù)則有明顯差異：強膨脹斷層泥孔隙分形維數(shù)在 1.090 3～1.097 4之間，弱膨脹的泥質(zhì)斷層角礫巖孔隙分形維數(shù)在 1.106 2～1.109 4之間，無膨脹的泥質(zhì)斷層角礫巖分形維數(shù)可達 1.117 2。強膨脹斷層泥普遍比無膨脹和弱膨脹泥質(zhì)斷層角礫巖分形維數(shù)小?？紫兜姆中尉S數(shù)是反映孔隙自相似特征的參數(shù)。分形維數(shù)越小，自相似性越強，可以看出，滄口斷裂主斷面處斷層泥孔隙的自相似性較斷面附近的泥質(zhì)斷層角礫巖要強。

Sammis et al(1987)[26]首次研究并發(fā)現(xiàn)了斷層泥具有自相似性，并將分形理論應(yīng)用于斷層泥研究中。在此之后，分形理論廣泛用于斷層泥分形特征與斷裂活動關(guān)系的研究中[27～29]。斷層泥孔隙的自相似性是由于主斷面處斷層物質(zhì)在壓扭性構(gòu)造應(yīng)力作用下反復(fù)擠壓、磨碎，礦物顆粒發(fā)生半定向排列，斷層泥礦物顆粒的排列關(guān)系也會映射到孔隙結(jié)構(gòu)中，斷層泥的孔隙相應(yīng)地顯示出一種自相似特征。

結(jié)合滄口斷裂的構(gòu)造活動歷史，自中生代以來，滄口斷裂經(jīng)歷多期活動，其中不乏多期壓扭性活動。一方面，反復(fù)的擠壓、摩擦導(dǎo)致主斷面處溫度升高，化學(xué)活動性流體流動頻繁，為伊/蒙混層黏土礦物的形成提供了物質(zhì)和環(huán)境基礎(chǔ)，另一方面，這種特殊的應(yīng)力環(huán)境也使得斷層泥具有大量膨脹性黏土礦物圍繞碎屑礦物顆粒半定向排列的微觀結(jié)構(gòu)。雖然膨脹性黏土礦物的含量可能是決定斷層泥膨脹的主要因素，但斷層泥的微觀結(jié)構(gòu)也對斷層泥的膨脹起到了一定作用，一定程度上可以增強斷層泥的膨脹潛勢。可以想見的是，具有相似的礦物組成和應(yīng)力環(huán)境的斷層泥，可能都具有一定的膨脹性，建議在今后的巖土工程勘察工作中，應(yīng)重點關(guān)注斷層泥的膨脹性，為后期的設(shè)計和施工優(yōu)化提供依據(jù)。

6 結(jié) 論

①滄口斷裂斷層泥自由膨脹率為92%～120%，屬強膨脹，泥質(zhì)斷層角礫巖自由膨脹率為12%～55%，為無膨脹性或弱膨脹；②滄口斷裂斷層泥中黏土礦物主要為伊/蒙混層黏土礦物，含量為25%～48%，是主要的膨脹性黏土礦物；③強膨脹的斷層泥具有大量伊/蒙混層黏土礦物圍繞碎屑礦物半定向排列的微觀結(jié)構(gòu)，孔隙分形維數(shù)也體現(xiàn)出斷層泥孔隙具有明顯的自相似性，反映了在多期次壓扭性構(gòu)造應(yīng)力作用下，斷層泥形成了特殊的微觀結(jié)構(gòu)，這種微觀結(jié)構(gòu)特征增強了斷層泥的膨脹潛勢。