程書婷,曹建勁

(1.中山大學(xué)地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室，廣東 廣州 510275)

活動斷裂帶斷層泥研究與流體地球化學(xué)結(jié)合的可能性探討

程書婷1,2,曹建勁1,2

(1.中山大學(xué)地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室，廣東 廣州 510275)

活動斷裂帶是防震減災(zāi)工作中的研究重點。目前，對于活動斷裂帶斷層泥的研究集中在礦物學(xué)、顯微構(gòu)造方面，無法直接運用于地震短期臨震預(yù)報。而活動斷裂帶的流體地球化學(xué)研究雖有利用CO2異常進(jìn)行地震臨震預(yù)報的成功案例，但無法篩選與地震活動直接關(guān)聯(lián)的異常指標(biāo)，缺乏異常氣體與地震活動關(guān)聯(lián)的理論解釋。本文旨在總結(jié)上述兩個方向上的研究，對于活動斷裂帶斷層泥研究與流體地球化學(xué)結(jié)合的可能性進(jìn)行探討。

活動斷裂帶；斷層泥；流體地球化學(xué)；臨震預(yù)報

地震具有突發(fā)性的特征，地震持續(xù)時間短但頻度高，伴隨著強烈地面震動、變形等，給人類生命與財產(chǎn)造成巨大損失，危害性很高。因此，防震減災(zāi)工作是地震科學(xué)工作者面臨的一個重要議題。在地震研究工作中，活動斷裂帶科學(xué)鉆探是研究地震斷裂機制的一種有效方法之一。根據(jù)Zoback et al. 和Brodsky et al. 的研究，通過快速提取大地震后地下深部斷層泥(斷層巖)，同時獲取地震波速、斷層滲透性等物理參數(shù)，能夠研究地震機制，提供余震信息[1,2]。最早由陳國達(dá)[3]、涂光熾[4]倡導(dǎo)的構(gòu)造地球化學(xué)研究領(lǐng)域，從上世紀(jì)80年代起，經(jīng)過30余年的發(fā)展，在活動斷層研究方向，也出現(xiàn)了有關(guān)活動斷裂帶的斷層泥、流體地球化學(xué)、相關(guān)水-巖作用的多點研究[5]。這些研究著重觀察活動斷層形成演化后應(yīng)力礦物生長、斷層泥礦物表面微形貌、氣體同位素異常等，用來判斷活動斷層活動性、啟閉性、斷裂帶展布等。但若為防震減災(zāi)工作服務(wù)，應(yīng)用于實際工作具有一定缺陷：如斷層泥樣品多來源于科學(xué)鉆探，取樣難度較大，成本較高，斷層泥微形貌研究判斷斷層活動屬性不夠便捷；利用斷裂帶流體異常進(jìn)行地震短期臨震預(yù)報不確定性高，無法篩選出與構(gòu)造地震直接相關(guān)的異常指標(biāo)。本文的目的是在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，探討活動斷裂帶構(gòu)造地球化學(xué)方向上，斷層泥研究與流體地球化學(xué)結(jié)合的可行性，從而對該領(lǐng)域尚未解決的科學(xué)問題進(jìn)行初步探討。

1 活動斷裂帶斷層泥研究

斷層泥屬于斷層巖中碎裂巖系列中的一種，往往具有單顆粒不易分辨、未固結(jié)、被強烈研磨呈泥狀的特征[5-7]。斷層巖的研究應(yīng)用范圍較廣，不僅可用于判斷斷層存在，指示斷層屬性，測定斷層形成溫度與壓力，而且可以根據(jù)其發(fā)育程度和展布狀況提取有關(guān)斷層規(guī)模、活動史、活動深度變化等信息。斷層泥不僅具有一般斷層巖的研究應(yīng)用價值，其顯微構(gòu)造特征對于判斷斷層滑動性狀具有十分重要的意義。

斷層泥是具有特殊結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的變形物質(zhì)，主要在剪切過程中形成[8,9]。黏土礦物，包括蒙脫石、高嶺石、伊利石和綠泥石是構(gòu)成斷層泥的主要礦物，除此之外，還有與母巖有關(guān)的碎屑物質(zhì)，例如石英、長石、方解石碎屑等[6]。關(guān)于斷層泥的礦物研究分為礦物成分、組合、微觀形貌、高溫高壓模擬實驗等多個方向[6,10-14]。

在不同斷裂帶、同一斷裂帶不同位置斷層泥的黏土礦物成分含量不同。汶川映秀—北川斷裂帶，主要造巖礦物含量從圍巖、角礫巖，再到老斷層泥和新斷層泥逐步降低，但黏土礦物含量與之相反[15]。海原斷裂帶西段沈家莊—興泉堡地震斷層中黑色斷層泥與云南小灣壩區(qū)斷層中斷層泥的黏土礦物含量就有明顯的差別[16,17]。

同一斷層剖面斷層泥礦物顯微特征能反映斷層活動方式。斷層活動的方式一般為蠕滑或黏滑，前者很少引發(fā)大地震(最多為中小型地震)，后者極有可能誘發(fā)大地震。因此鑒別活動斷層的斷層活動方式具有十分重要的意義。張秉良對紫荊關(guān)斷裂南臺段斷層泥進(jìn)行了一系列顯微構(gòu)造觀察，其中黏土礦物以蒙脫石為主，存在少量伊利石、高嶺石、綠泥石[11]。南臺斷層段剖面不同位置斷層泥中構(gòu)造壓力長寬比擴大，呂德剪切角減小，斷層滑移速率由上盤到下盤逐漸減弱。緞狀黏土礦物集合體、高蒙脫石含量和無片理的特征，指示了斷層的蠕滑特性。

斷層泥中石英顆粒的微形貌，如大小、深度、粒形特征、擦痕、坑型、裂紋等是研究斷層的活動年代和活動方式。石英微形貌從簡單到復(fù)雜排列，簡單形貌有較光滑貝殼狀、次貝殼狀和桔皮狀；稍粗糙結(jié)構(gòu)有苔蘚狀、魚鱗狀；較復(fù)雜有蛀蝕狀、鐘乳狀結(jié)構(gòu)；最復(fù)雜的則呈珊瑚狀、洞穴狀[18,19]。這種微形貌特征，以及微形貌特征組合不僅與形成的地質(zhì)年代有對應(yīng)關(guān)系，也反映了溶蝕時間與溶蝕結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系。一般來說，溶蝕結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，石英顆粒表面遭受的溶蝕時間越長。

有關(guān)于斷層泥礦物的高溫高壓模擬試驗研究顯示，斷層的地震滑動事件有可能使斷層泥產(chǎn)生脆性、韌性兩種變形共存的現(xiàn)象[20-22]。局部化脆性變形的纖維構(gòu)造特征是在黏滑或快速加載條件下形成的[13,23]，而散布的韌性變形顯微構(gòu)造特征是斷層穩(wěn)滑活化滿加載的產(chǎn)物，亦即斷層蠕滑的產(chǎn)物[12,13,23]。在臺灣“9.21”集集大地震帶內(nèi)斷層泥以局部化脆性變形為特征，同震斷層滑動使淺部斷層泥中的伊利石/蒙脫石混層轉(zhuǎn)化為伊利石，并認(rèn)為伊利石是地震滑動的產(chǎn)物，蒙脫石是非地震滑動的結(jié)果[24-26]。

上述各方面研究對于判斷斷層活動方式等有實際應(yīng)用價值。但天然斷層泥與高溫高壓模擬實驗對比分析時，往往難以做到實驗條件嚴(yán)格一致。影響斷層活動方式的因素除了礦物在不同溫壓下的性質(zhì)，含水量等因素外，往往難以和地質(zhì)歷史時期條件保持高度一致。但據(jù)劉彬等人研究，斷層泥強度參數(shù)中內(nèi)摩擦角和黏聚力都與含水量有關(guān)，可見干濕體系不同會在一定程度上影響模擬實驗結(jié)果[27]。并且，深部斷層泥的采取通過科學(xué)鉆探，取樣條件受到制約。雖然可以通過淺部斷層泥來研究活動斷層，但淺部由于圍壓、溫度等因素改變，與深部斷層泥并不一定具有一致性，并且較易受到后期改造?；谏鲜鲅芯康木窒扌裕瑪鄬幽嗤荒軉为氉鳛榈卣痤A(yù)測中的一環(huán)，因此，考慮是否有其他構(gòu)造地球化學(xué)手段能與之結(jié)合。

2 活動斷裂帶流體地球化學(xué)

上世紀(jì)80年代，瑞典科學(xué)家Malmqvist L和Kristiansson K提出地球內(nèi)部存在著上升氣流，能攜帶深部成礦信息到達(dá)地表沉積物中[28-30]。地球內(nèi)部氣體不僅具有敏感性高、遷移性強的特征，也是將深部信息攜帶至地表的重要載體[31]。活動斷裂帶，就是這些地球內(nèi)部氣流在陸地上的首要排氣通道。在活動斷裂帶處，地球排氣作用往往規(guī)模大，速度快，排氣活動集中[32]。除了氣體信息以外，活動斷裂帶流體還包括深源巖漿排出的流體和幔源流體，這些流體在構(gòu)造作用以及地震活動強烈期出現(xiàn)的地球化學(xué)異常，可以為地震短臨預(yù)報提供證據(jù)。

活動斷裂帶異常流體信息可以指示斷裂破裂位置，斷裂帶附近土壤氣體地球化學(xué)特征可反映地震活動斷層的活動情況。土壤氣Rn、CO2、He、Hg、CH4等組分異常在國內(nèi)外許多斷裂帶都被觀測到，例如中國的福州隱伏斷裂、意大利Pernicana斷裂、日本跡津川斷裂和美國圣安德烈斯斷裂[33-35]。隨后，周曉成在海原斷裂帶的工作結(jié)果顯示，四個不同地點的跨斷層測量均顯示了土壤氣中He、Rn、N2、O2、CH4、C2H6、H2和Hg的濃度異常以及He、Rn、CH4、H2和Hg的通量異常[36]。其中，H2和Rn是一組能指示海原斷裂東南段破裂位置的有利氣體組分，其他異常不能單獨判斷，僅供參考。前人在汶川8.0地震斷裂剖面上測量，發(fā)現(xiàn)土壤氣氡濃度高于沒有斷裂存在地區(qū)，且土壤氣氡濃度距離震中越近，濃度值越高；此斷裂剖面上土壤氣氡濃度異常閾值和背景值之比不大于3，最大值/背景值小于5[37]。土壤氣中Rn固有活動性不強，可以用來示蹤，它的半衰期只有3.8d，遷移距離也較短。而CO2作為重要的載體，當(dāng)?shù)卣鹪斐纱怪钡纳仙ǖ来蜷_時，就有了快速運移、高擴散的垂直通道，可與Rn一同擴散至地表[38,39]。同時，根據(jù)Walia et al.對臺灣新城斷裂的研究，淺層活動斷裂對于CO2的影響比對Rn更大[39]。

活動斷裂帶流體地球化學(xué)中溫泉氣體地球化學(xué)與地震關(guān)系密切?；顒訑嗔褞У貐^(qū)的4He/20Ne、21Ne/22Ne、40Ar/36Ar等溫泉同位素氣體的濃度，組分比值等，在地震前后都顯示出異常[32,40,41]。劉仕錦等在對康定二道橋、龍頭溝溫泉逸出氣CO2檢測中發(fā)現(xiàn)，CO2在震前發(fā)生了短臨突跳，地震活動發(fā)生在突跳30天內(nèi)[42]。但利用斷裂帶流體異常進(jìn)行臨震預(yù)報存在諸多不確定性，沒有找出與地震直接相關(guān)的異常指標(biāo)，并且不清楚這些異常指標(biāo)的演化機理，局限于大量數(shù)據(jù)監(jiān)測總結(jié)，可預(yù)測性不是很強。

上述活動斷裂帶土壤氣、溫泉同位素等研究，利用流體地球化學(xué)異常進(jìn)行活動斷層探測和活動性研究時間仍比較短，雖然成效顯著，但存在活動斷裂與非活動斷裂異常信息鑒別困難、斷層活動強度與流體異常強度難以關(guān)聯(lián)、氣體來源不唯一具有多解性等問題。

3 初步探討

Sciarra et al. 在對意大利北部的伊米莉亞地震影響區(qū)域做土壤氣研究時發(fā)現(xiàn)，震中區(qū)有明顯液化現(xiàn)象[43]。土壤液化使得土壤強度、剛度降低。并且，在震中區(qū)土壤液化地帶與地面裂縫的CO2濃度和通量、He濃度、Rn的濃度、CH4均存在顯著差異，土壤液化區(qū)CO2濃度、CH4濃度異常值較高，He和Rn濃度異常不如地面裂縫區(qū)域顯著。從流體地球化學(xué)角度，這其中有個值得注意的異常指標(biāo)——He濃度。He通常具有高活動性，在水中具有較低的溶解度，它具有極強的擴散特性，擴散系數(shù)比N2、O2高10倍左右[36]。Zhu et al認(rèn)為巖石、巖體中He的發(fā)射能反映地質(zhì)體現(xiàn)存應(yīng)力狀態(tài)，在應(yīng)力集中區(qū)He量值比空氣中高幾十倍，且能隨應(yīng)力集中帶遷移[44]。

根據(jù)工程領(lǐng)域?qū)τ谕寥酪夯难芯浚嚇s貴等根據(jù)飽和砂土地層地震后液化現(xiàn)象，對比飽和砂土動力學(xué)試驗，從砂?！紫端畠上嘟橘|(zhì)相互作用角度解釋了飽和砂土在振動荷載作用下的液化過程[45]。土壤液化的作用機理及相關(guān)研究眾多，但多數(shù)理論均肯定了地下水、孔隙水等在其中的作用[46]。并且，土壤中黏粒成分影響土壤的抗液化性能，如蒙脫石<伊利石<高嶺石。土壤黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與接觸方式對土壤的穩(wěn)定、鑲嵌起著十分重要的作用[47]。借用工程領(lǐng)域?qū)τ谕寥酪夯难芯渴侄?、思路，看待斷層泥顯微結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀。斷層泥顯微構(gòu)造研究通常利用偏光顯微鏡和體視鏡觀察顯微結(jié)構(gòu)、構(gòu)造；用X射線衍射分析快速對全巖進(jìn)行半定量分析，主要區(qū)分不同黏土礦物[48]。如果能先利用斷裂帶斷層泥中對于氧化還原敏感元素的分布特征判斷斷裂帶的氧化還原條件，通過深部斷層泥與淺部地表斷層泥氧化還原敏感元素價態(tài)、分布不同，判斷斷層的啟閉性和活動性。如果在與深部連通狀態(tài)好的斷層周圍土壤跨斷層收集斷層氣，考慮Rn、CH4等通量和濃度數(shù)值可能更能反映深部由地幔脫氣作用帶來的異常信息，同時，若地表斷層泥受其他流體影響仍能表現(xiàn)出較為還原的環(huán)境，對于CO2濃度、通量等指標(biāo)來源就需要考慮是否是流體帶來碳酸鹽巖變質(zhì)等造成的；相反，如果淺部地表斷層泥由于氧化、沉積物堆積、礦物沉淀等造成斷裂自封閉[49,50]，深部的連通性變差，那么CO2作為Rn的重要載體，因為來源多解性的問題就不能單獨作為異常判據(jù)使用，考慮到4He的高擴散性和水中低溶解度特征，對于連通性較差斷裂帶周圍土壤氣的研究應(yīng)該能作為一個重點考察的指標(biāo)。而地震荷載影響的土壤液化地帶土壤氣研究，同樣亦可將重心放在He上。以上思考建議對于斷層泥的研究可以不單從礦物學(xué)、構(gòu)造角度判斷斷層活動方式，還可對比新老、深淺斷層泥氧化還原條件判斷斷層啟閉性，并結(jié)合流體地球化學(xué)異常輔助篩選出可能與地震作用直接相關(guān)的異常臨跳指標(biāo)。

4 結(jié)語

基于前人對于斷層泥結(jié)構(gòu)、顯微特征、高溫高壓模擬實驗研究，淺部斷層泥碎巖可以用來研究活動斷層，但由于溫壓、圍巖條件改變，與深部斷層泥特征不一，并易受到后期改造，不能作為單一的預(yù)測手段。而活動斷裂帶流體地球化學(xué)的異常信息，雖然在震前震后均有臨震異常，但局限于大量數(shù)據(jù)監(jiān)測總結(jié)，可預(yù)測性不是很強，并且存在活動斷裂與非活動斷裂異常信息鑒別困難、斷層活動強度與流體異常強度難以關(guān)聯(lián)、氣體來源不唯一具有多解性等問題。基于上述研究結(jié)果，建議從新老斷層泥氧化還原條件與斷層啟閉性入手，用流體地球化學(xué)異常篩選可能與地震作用直接相關(guān)的異常臨跳指標(biāo)。

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Discussions about Combination Possibilities between Fault Gouge Researches and Fluid Geochemistry in Active Fault Zones

CHENG Shuting1，2，CAO Jianjin1，2

(1. School of Earth Science and Geological Engineering, Sun Yat-Sen University,Guangdong Guangzhou 510275;2. Guangdong Key Laboratory of Geological Process and Mineral Resources Exploration,Guangdong Guangzhou 510275, China)

Active fault zones are the major research direction in earthquake prevention. Recent researches on fault gouge in active fault zones focus on mineralogy and micro-structure, which can’t be used to short-and temporary-term earthquake forecast. There are successful cases in short-term and temporary-term earthquake forecast by monitoring CO2concentration through fluid geochemistry researches. However, it is limited to further studies because of lack of theoretical explanations between abnormal gas index and seismic activities. There are not directed abnormal gas index. This paper aims at summarizing previous researches in both directions and make discussions about combination possibilities between fault gouge researches and fluid geochemistry in active fault zones.

active fault zones; fault gouge; fluid geochemistry; impending earthquake prediction

2016-07-14

程書婷(1993-)，女，河南省光山縣人，碩士研究生，E-mail:chengsht@mail2.sysu.edu.cn.

曹建勁(1958-)，男，廣西省合浦縣人，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail: eescjj@mail.sysu.edu.cn.

P315.724

B

1001-8115(2017)01-0024-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.01.006