斷層巖的研究現(xiàn)狀及發(fā)展概況

張壹　吳詩勇

摘 要：斷層巖作為一種特殊的地質巖體，是斷層活動的產(chǎn)物，在巖石學、構造地質和斷層活動的研究，以及工程地質應用方面，發(fā)揮著重要的作用。斷裂帶內(nèi)斷層巖的研究主要從顯微觀方面，斷層巖的磁性、礦物組成、常微量元素等特性的探討，結合不同時期地質學家和學者對斷層巖類型劃分情況，準確的反映斷層性質、運移過程、溫度壓力發(fā)展演化，為斷層巖在地質學科的研究及工程建設發(fā)展提供更多的依據(jù)。

關鍵詞：斷層巖；類型劃分；找礦；磁性研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.257

0 引言

斷層破壞巖石的完整性，使巖體發(fā)生破碎形成破裂帶，在后期復雜的地質構造演變中，形成不同形態(tài)、結構的巖石類型。斷層巖作為斷層的直接產(chǎn)物，分為以脆性為主的碎裂巖系列和韌性伴生的糜棱巖系列[1、2]，斷層巖記錄了斷層活動的發(fā)展過程，是斷層存在的良好標志，也為地質巖性的研究提供可靠的地質信息。

斷層巖和斷層在地質領域是重要的地質現(xiàn)象與產(chǎn)物，斷層巖控制著巖體的穩(wěn)定性和結構完整性。斷層巖分布帶是地質活動活躍的區(qū)域，常發(fā)生重大的地質災害，尤其是地震，我國作為一個多地震的國家，斷裂帶發(fā)育廣泛，例如龍門山斷裂、郯廬斷裂、新疆富蘊斷裂帶及汾渭斷裂帶等，這些斷層巖發(fā)育的斷裂帶是地震頻繁發(fā)生的地區(qū)。

1 斷層巖研究

斷層巖作為斷層活動形成的巖類，它的形成具有特定的地質條件，主要為動力變質和熱力變質作用的結果，研究斷層巖是探討斷層活動方式、破裂摩擦機制及類型劃分情況的一條主要途徑，區(qū)域地質構造運動特性能夠從斷層巖的結構特征直接反映。

斷層巖數(shù)量相對較少，但在地殼范圍內(nèi)分布卻甚為廣泛，與眾多的地質活動都有密切的聯(lián)系。對斷層巖研究最早具有文獻記載的是英國 Lapworth，在1885年他把蘇格蘭西北部 Moine逆沖斷層中所觀察到的斷層巖稱為糜棱巖。直到20世紀末，對于斷層巖成因問題都是模糊的定論，Water 和Campbell等定義為碎裂巖，王嘉蔭稱其為碎裂變質巖，孫巖和韓克從命名為構造巖等。1977年，R.H.Sibson等[3]提出“斷層巖”一詞，才對斷層巖有了一個較為準確合理的解釋，之后提出斷層雙層模式，認為斷層的上部主要是脆性斷層巖為主，形成碎裂巖，隨著深度的增加和壓力的升高，下部逐漸變?yōu)橐皂g性斷層巖為主，形成糜棱巖。在1981年，我國召開的第一屆顯微構造會議以及1984年召開的第二屆顯微構造與組構討論會議上，都有關于斷層巖的文章，之后國內(nèi)外關于斷層巖的文章發(fā)表數(shù)量不斷上升。

2 類型劃分

在斷層巖的劃分上不同學者和專家根據(jù)不同的分類依據(jù)提出過不同的分類方案。Kahraman 和Alber將斷層巖分為6種類型：斷層碎裂巖、斷層巖、碎裂斷層角礫巖、斷層泥、斷層角礫巖和糜棱巖。Zeck根據(jù)變形作用和重結晶作用的相互關系，把斷層巖劃分為三大類：無重結晶作用的碎裂巖、同構造重結晶糜棱變晶巖和構造后重結晶作用變晶碎裂巖。夏宗國等[4]在對于前人斷層巖的劃分上作出總結，提出對于斷層巖劃分時應注意的幾個方面：斷層巖形成過程中的主導作用、原巖粒化程度以及其粘合能力，據(jù)此特性，斷層巖劃分為無原巖粘合力和有原巖粘合力兩種斷層巖，斷層巖和斷層泥屬于前者，有原巖粘合力的斷層巖又可根據(jù)其形成作用劃分為碎裂作用、重結晶-新生礦化作用和熔化作用三種斷層巖。

眾多的分類中，R.H.Sibson的斷層巖分類方案受到普遍的認同，根據(jù)斷層巖的結構特性，分為沒有線理、面理結構的碎裂巖系和有線理、面理結構的糜棱巖系，從固結程度劃分為固結和非固結兩個斷層巖系列。從斷層巖的形成機制來看，碎裂巖系形成于巖石“彈性-摩擦”條件下，屬于脆性破裂。糜棱巖系主要發(fā)育于“準塑性”環(huán)境中，巖石在重結晶和壓溶作用下，發(fā)生晶體的蠕變。

斷層巖的分類在巖石劃分上始終是多元化的，很難有統(tǒng)一的分類方案。研究者的側重點不同，研究方向和方法各異，決定了對于斷層巖劃分標準的不一致。在劃分類型時，對于巖石的成分、結構、構造及變形特征等能客觀反映；其次是巖石的成因，形成時的各種構造地質條件能合理反映；斷層所經(jīng)歷的構造變動、斷層活動能真實的指示作用[5]。

3 研究方法

地質學者和專家在斷層巖的研究上采取了多種方法，從宏微觀的不同形態(tài)入手，對斷層巖的形成組分、結構構造、粒徑分析、礦物特性及常微量元素等方面進行了大量研究。

德國的Alber 和土耳其的Kahraman對斷層角礫巖的單軸抗壓強度、彈性模量、體積塊比例、橫軸波速等一系列的參數(shù)進行簡單和多元回歸分析，通過多重回歸模型分析斷層角礫巖的特性；Kahraman在對米塞斯斷層角礫巖的地質力學性能進行評價時利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡；N.Slatalla通過聲發(fā)射響應測試，追溯斷層帶內(nèi)巖石的性質；Burgl開發(fā)了一個名為礦物學和結構指數(shù)的指數(shù)（MSI），它是使用平均加權維氏硬度，紋理系數(shù)和薄片系數(shù)矩陣，發(fā)現(xiàn)弱碎裂斷層巖主應力之間的良好的相關性。Howarth和Rowlands 通過角礫巖的薄片分析，得到研究角礫巖圖像模型的數(shù)據(jù)。林愛民在對斷層泥中石英顆粒的電子自旋共振信號強度進行測試實驗中，測得了斷層的活動年代。同樣的工作，張宇、潘金花、劉暢等[6]也對斷層泥中石英成分進行了ESR測年實驗，并確定了大泉斷裂開始活動的時間。

國外地質學者在對斷層帶研究中，對包裹體溫度測試獲取斷裂構造帶內(nèi)流體運移的可靠信息，對斷裂構造環(huán)境的成因研究、演變形式以及構造活動都有指導作用。對斷層形成時代的確定上斷層巖也有著重要作用，主要是利用斷層巖礦物中同位素測年，常用的是絹云母中40Ar-39Ar測年法和Rb-Sr等時線法。除常規(guī)同位素測年方法外，離子探針和激光探針測年技術也得到廣泛應用，準確性更高。田上高広、渡邊裕美子等[7]在斷層碎裂帶的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著斷層滑動摩擦斷層帶內(nèi)斷層粘土的厚度會不斷加厚，粘土粒子也會變小，根據(jù)粘土帶厚度的發(fā)展和形成來推斷斷層的形成年代和演化趨勢。孫巖等[8]采用SEM、TEM、AEM方法，把對斷層巖的研究從微觀深入到超微觀等級。endprint

斷層巖的組成成分研究，主要集中在粘土礦物方面，其中對于斷層泥中的粘土礦物類型和含量最為著重，為研究斷層泥的抗剪強度和判斷其膨脹性質提供參考數(shù)據(jù)。斷層泥的研究方法得到更新，先進電子設備的采用，如電子顯微鏡、偏光顯微鏡以及X射線衍射分析，新方法的應用，使得對斷層巖以及斷層泥的研究更加詳細又具有準確性和說明性。在對淮南舜耕山斷層巖研究中，楊為民等[9]對其顯微構造和超顯微構造進行定向薄片分析，從中得出了斷層巖形成時的形變方式、古應力及溫度，進而推測出了該斷層所經(jīng)歷的變形作用和運移形態(tài)。史蘭斌、林傳勇等在對康定-磨西斷裂帶進行研究時，利用熱釋光法和電子自旋共振法對斷層泥作了年齡測定，分析得出斷層的最后一次強烈活動發(fā)生在晚更新世末至全新世初。

4 發(fā)展應用

4.1 礦床探測

隨著地質勘探的發(fā)展與深入研究，表明斷層巖在對礦產(chǎn)的探明與預測有著重要的作用。斷層巖對于金屬礦產(chǎn)和非金屬礦產(chǎn)的探尋在國內(nèi)外都有很大的應用。

我國著名的郯廬斷裂帶就是一個內(nèi)生金屬礦床帶，發(fā)育了一系列的金、銀、銅、鐵等金屬礦床，通過對斷裂帶內(nèi)的斷層泥和斷層角礫巖的巖性、組分研究分析，對斷裂帶內(nèi)尋找金屬礦床具有指導作用。熊耳山地區(qū)，上世紀80年代初開始發(fā)現(xiàn)斷層巖型金礦床；太行山斷裂帶區(qū)域，根據(jù)斷層巖的預測，發(fā)現(xiàn)了大量的多金屬成礦帶的存在。在美洲版塊的太平洋沿岸，存在許多區(qū)域性大型線狀斷裂帶，在這些斷裂帶內(nèi)發(fā)育大量的角礫巖筒形斑巖銅礦床。

斷層巖是理想的運礦構造，有較好的儲礦條件。礦化斷層角礫巖是一種特殊類型的斷層巖，是破碎巖石與成礦流體作用的產(chǎn)物，其成巖作用常常伴隨成礦作用，構成了金屬礦床中的一種重要類型。斷層角礫巖很好的保存了原巖的特性，是尋找熱液礦床的良好標志。斷裂帶發(fā)育的裂隙空間為含礦元素的運移、攜帶提供了場所，在交代沉淀作用下最終成礦。通過研究斷層巖的地質特征、形成時間、形成機制，可以了解成礦作用的控制因素和過程，并可預測礦化的富集部位，對礦床類型進行劃分、探討礦床成因模式等，推動促進找礦工作的開展。

4.2 磁性研究

巖石在形成過程中經(jīng)地磁場作用，獲得天然剩余磁性。巖石的地質年代越久，其剩余磁性成分就會越復雜。斷層巖的磁性組構具有記錄地質信息的作用，能反映斷層巖的形成過程和形變情況。斷層巖的磁性研究，對斷層巖石的地質信息有很好的了解作用，可推測斷層的許多地質特性。

磁性組構與巖石形變往往有密切的聯(lián)系，吳漢寧等通過研究巖石的磁性組構特征，闡述巖石發(fā)生形變的變化情況。巖石磁性組構在經(jīng)歷不同的地質演變后也會發(fā)生變化，如顆粒沉積、巖漿分異結晶、構造演化等過程中，都會產(chǎn)生特定的發(fā)育和變化規(guī)律，通過這些變化，可反演推斷出巖石所經(jīng)歷的沉積環(huán)境、巖漿動力學狀態(tài)、構造變形、方向等地質信息。

通過大量的實驗和驗證我們知道，位于斷層帶中心的斷層泥具有較高的磁化率，相比于其他形式的斷層巖和圍巖，斷層泥的磁化率往往是峰值，F(xiàn)ukuchi 等在對日本野島斷層泥進行高溫摩擦實驗時，發(fā)現(xiàn)斷層泥在經(jīng)過高溫摩擦后，其磁化率明顯升高，依此可以對斷層熱事件區(qū)分。

5 結論

（1）斷層巖的分類方案當前尚無統(tǒng)一的劃分方法，這是由研究內(nèi)容的側重點不同和劃分依據(jù)不同所造成。斷層巖類型的劃分，應逐漸從單一因素向綜合分類過度，更加客觀、真實的反映斷層巖和斷層活動演化，對于地質工作的開展起到促進推動作用。

（2）斷裂帶內(nèi)對于礦產(chǎn)的預測普查，尤其是金屬礦床的探測，斷層巖起到指導性的作用，對斷裂帶的確定和斷層巖的性質研究，分析利于礦床富集區(qū)段。

（3）利用巖石礦物測年的方法已經(jīng)廣泛應用，并取得了實質性的進展，斷層活動測年也備受關注，巖石礦物同位素測年、巖石伴生形變分析，以及斷層巖磁性的新方向研究，都將推動對于斷層活動的深入研究和開展。

（4）地質工作者對斷層巖的研究取得很多成果，但仍有很多亟需研究的新領域和方向。例如斷層巖磁化率強弱、演變過程來推測斷層形成年代和構造活動；斷層氣的成分分析，也是判斷斷層活動的新方法。

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基金項目：國家自然科學基金課題資助（41372167）

作者簡介：張壹（1990-），江蘇連云港人，研究生，研究方向：地質構造。endprint