断层泥伊利石物理化学特征及其意义1

张秉良 周永胜 袁仁茂 李 康

（中国地震局地质研究所，北京100029）

断层泥伊利石物理化学特征及其意义1

张秉良 周永胜 袁仁茂 李 康

（中国地震局地质研究所，北京100029）

通过X射线衍射和化学分析等方法，研究了云南水电站断层泥中伊利石物理化学特征，结果显示：①伊利石物质的X射线衍射特征为Δ［（002）−（001）］＞8，Ir＞1，BB1＜4°，属I+ISII有序混层，膨胀层小于15%，晶胞参数b0=8.991Å，1M多型结构；②K2O的平均含量9.1%变化范围在8.5%－10%之间；③K2O和Fe2O3含量之间为负相关，K2O含量与Δ［（002）−（001）］2θ值呈正相关，而K2O与Ir值呈负相关。上述特征表明该断层泥伊利石是在低温（小于200℃）低压环境下生成。它的形成与断层稳定滑动机制有关。由此推测该断层未来发生大地震的可能性较小。

断层泥 伊利石 X射线衍射 化学分析

引言

断层的粘滞滑动和稳态蠕变是断层滑动的两种基本方式，前者与地震的发生有密切关系，对于地表出露的各种断层，它们在地质时期经历了什么样的运动方式，是评价断层活动性的重要标志之一。但如何判断断层活动的方式，是当前广大地震地质工作者十分关注的问题。断层泥是地壳浅层次脆性断裂带中常见的一种未粘结的由岩石碎屑、岩粉和粘土矿物等组成的断层岩，它是断层活动的直接产物。因此它记载着断层活动的历史，保留着断层运动的遗迹，它的形成常常受到与断层运动相伴生的低级变质作用的影响（Bos等，2000）。由于断层泥中的伊利石对外界环境较敏感，它可以作为断层活动的一种应力矿物（Hoffman等，1979）。本文介绍了通过 X射线衍射和化学分析，研究云南水电站断层泥伊利石的物理和化学特征，初步探讨了断层泥伊利石物理化学特征与断层活动机制的关系。从而有可能从矿物学方面开辟一条研究断层活动方式的新途径。

1 样品采集及分析方法

1.1 样品采集和显微镜研究

样品采自云南省云县境内小湾水电站断层的平硐中，该断层发育于燕山期花岗片麻岩中，断层泥颜色有灰白和灰绿色两种，厚度约0.5—24cm不等，多为薄层状夹在断层上下盘之间。在光学显微镜下，断层泥中的长石和石英碎粒显示脆性破裂，眼球状流动构造较发育，粘土矿物伊利石集合体呈缎带状，具有明显的组构现象。在扫描电镜下，伊利石为“鳞片”状（图1a），有明显定向排列的特点（图1b），石英或长石碎屑被包裹在伊利石中成“卷心菜”状结构（图1c），石英或长石碎粒的长轴近于平行微断层面（图1d）。上述结构特征表明，断层泥中的伊利石是在力偶（剪切力）作用下产生的塑性变形（构造剪切变形）（张秉良等，1993；林传勇等，1995），即是断层缓慢滑动形成的（张秉良等，1993；2002；林传勇等，1995；虢顺民等，1992；Gyaneshwar等，1972；Haines等，2013）。断层泥经热释光、电子自旋共振、铀系不平衡法等多种测年方法综合研究，加之对断层上覆松散沉积物采用热释光测年综合分析，确定断层7万年以来无活动迹象（虢顺民，1992）。

图1 断层泥微结构特征Fig. 1 Microstructure feature of fault gouge

1.2 分析方法

在光学显微镜和扫描电镜观察断层泥的显微结构的基础上，对断层泥中的粘土进行提纯，同时将伊利石物质含量大于95%的样品进行化学分析和X射线衍射。

1.2.1 粘土提纯

断层泥中的粘土矿物颗粒大都＜2µm。首先将样品浸泡于蒸溜水中，采用物理化学方法除去样品中的游离铁、有机质和可溶性盐，使其充分分散成稳定悬浮液。然后按Stokes公式计算，式中ν为在重力条件下微粒在水中的沉降速度；g为重力加速度；r为微粒半径；ρ′为颗粒比重（约2.65）；ρ为水的比重；η为粘度。用虹吸法提取＜2µm的粘粒，供化学分析和X射线衍射。

1.2.2 X射线衍射

X射线衍射分析可快速有效的对粘土进行定量分析，是鉴定黏土矿物最有效的方法之一。本文样品在中石油天然气研究院实验中心完成测试。所用仪器采用日本Rigaku D/MAX2500衍射仪，CuKα辐射。根据测试需要采用了不同的实验条件和测定方法，如混层测定，需要定向样品，定向样品制备要经过以下2个步骤逐步进行：①将滴在玻璃片上的粘土悬浮液在60℃下干燥成定向片（N）；②把定向片在60℃的乙二醇蒸汽中恒温16小时（EG），衍射条件为D·S=S·S=1º，R·S=0.3mm，衍射2θ范围3°—35°。参数计算利用Środoń（1984）方法，即Ir参数等于1为纯伊利石，否则就存在伊利石/蒙脱石混层（详述见本文2.2.1节）。多型分析需要随机样品，衍射条件为D·S=S·S=1º，R·S=0.3mm，步进扫描，步长0.01°，预置时间0.5s，衍射2θ范围3°—60°。b0值测量需要随机样品，用石英d（211）作内标，衍射扫描2θ范围59°—60°，b0值由测量（060）衍射峰的面网间距按b0=6×d（060）求得。

2 结果

2.1 断层泥伊利石物质的化学组成

伊利石是一种2:1型粘土矿物，它的结晶化学式为KAl2(Si，Al)4O10(OH)2nHO。表1列出了7个断层泥伊利石物质化学组成。

表1 伊利石物质化学组成Table 1 Chemical composition of illite

2.2 伊利石物质的X射线衍射

2.2.1 伊利石物质混层测定

大部分伊利石矿物是伊利石/蒙脱石混层结构，它的两个单元为蒙脱石和伊利石。随着温

度、压力的增加，膨胀层减少，混层从无序转为有序。当膨胀层减少到60%，开始形成有序伊利石/蒙脱石混层；当膨胀层在60%－40%之间时，是无序和有序共存的转化阶段，膨胀层含40%，仅存在有序；当膨胀层减少到18%时，则为ISII有序（Środoń，1984）。研究认为，在温度85℃－135℃时，开始形成有序混层；在温度大于200℃时，仅出现5%的膨胀层（Muffler，1969；Inoue，1983）。Środoń（1986）提出了用X射线衍射法确定伊利石是否存在混层的标准，即纯伊利石的Ir参数等于1，否则就肯定存在伊利石/蒙脱石混层，Ir的参数由下式确定：

式中，IN为原始样；IEG为经乙二醇处理的样品；分子和分母分别表示用乙二醇处理前（N）后（EG）的（001）和（003）反射强度比（以峰高计）。

Ir＝1表明这2个峰经乙二醇处理后，强度均不变或成比例下降。而Ir＞1，则说明经乙二醇处理后（001）峰下降或（003）峰加强，由此证明有膨胀层存在。

对于含低膨胀层的ISII型结构，其图谱与伊利石基本相似，但也有严格区别。小湾断层泥中伊利石衍射图的变化特点是：经乙二醇处理后（001）和（003）2个峰的位置发生了移动，（001）向着高角度移动，而（003）向着低角度移动；峰的强度和宽度变化更加明显，（001）反射变低变窄；（003）反射变窄变高；（002）的反射也有明显变化，但与（003）相反，峰变宽变低（图2）。测得其Ir均大于1。表2列出了定向的伊利石/蒙脱石混层X射线衍射数据。

图2 断层泥伊利石物质X射线衍射图（定向）Fig. 2 XRD patterns of Illite from fault gouge（in fixed orientation）

表2 伊利石/蒙脱石有序混层X射线粉末数据Table 2 XRD data from ordered illite/montomorillonite

2.2.2 伊利石物质多型分析

将伊利石物质制成随机样品，X射线衍射图谱（图3）和表3显示，衍射图谱中具有典型的1M伊利石的3.650Å的112衍射峰和3.060Å的112衍射峰（图3），由此认为，这些伊利石物质均为1M多型。

表3 伊利石的X射线衍射结果Table 3 XRD patterns of illite

图3 断层泥伊利石的物质X射线衍射图（随机）Fig. 3 XRD patterns of Illite from fault gouge（in random orientation）

2.2.3 伊利石物质b0值测定

由于伊利石的晶体结构与白云母类似，因此它像白云母一样可以作为一种应力矿物。笔者对7个断层泥伊利石物质的b轴作了测量，如表3（测量精度±0.006Å）所示。其平均值为8.991 Å。按照Sassi等（1976）的分类标准，此种伊利石物质是在低压环境中生成的。

3 讨论

在自然界中，纯的单矿物粘土矿物样品很难找到，粘土矿物的任何化学分析仅是一种平均值（Weaver等，1973）。表1中列出了断层泥伊利石物质含量大于95%的7个样品的化学组成。完全收缩的纯伊利石层含有10%的K2O，断层泥伊利石物质K2O的平均含量为9.1%，变化范围在8.5%－10%之间。K2O含量除一个样品之外，都小于10%，表明样品中有混层或除K以外的层间阳离子存在（杨雅秀等，1994；Weaver等，1973；Środoń，1979；2002）。

断层泥伊利石氧化物之间存在较好的相关性，Fe2O3和Al2O3含量为负相关（图4），K2O和Fe2O3含量之间也存在着同样的关系（图5），这种相关性可能反映了这样一个事实，Fe3+是伊利石结构中能够代替而不增加层电荷的唯一的主要离子，事实上层电荷可能减少，这种铁离子也可能在层间位置出现。

图4 断层泥伊利石物质中Al2O3与Fe2O3之间关系Fig. 4 The relation between Al2O3and Fe2O3of illite in fault gouge

图5 断层泥伊利石物质中K2O与Fe2O3之间关系Fig. 5 The relation between K2O and Fe2O3of illite in fault gouge

表2中Δ（002−001）是乙二醇处理后伊利石物质（002）和（001）衍射峰间的2θ差值，它介于8.75—8.85之间。表2中BB1变化范围为2.8—3.3，按Środoń（1979）对伊利石物质的分类标准，所有样品属于I+ISII有序混层，且膨胀层小于15%（林西生等，1990）。

伊利石物质中K2O含量与X射线衍射参数具有一定的相关性，如K2O含量与Δ（002−001）值之间为正相关（图6）。这是由于随着K2O含量的增高，膨胀层减少，（001）峰的位置向高角度偏移减小，（002）峰的位置向低角度偏移减小，结果是Δ（002−001）2θ增大。而K2O含量和Ir值为负相关（图7）。同样是随着K2O含量增高，膨胀层减小，这是由于经乙二醇处理后，（001）和（003）衍射峰强度变化减小造成的。

图6 断层泥伊利石物质中K2O含量与Δ（002−001）的关系Fig. 6 The relation between K2O andΔ（002−001）of illite in fault gouge

图7 断层泥伊利石物质中K2O含量与Ir值的关系Fig. 7 The relation between K2O and Irvalue of illite in fault gouge

本文断层泥中的伊利石具有极尖锐的X射线反射，并有比较标准的1M多型结构图谱，表明样品可能是结晶较好、较纯的一种1M型伊利石（杨雅秀等，1994）。

在断层活动中，由于温度和压力不同，致使断层泥中粘土矿物的组合和多型也不同。笔者在活动机制不同的断层中分别发现了1Md、1M和2M1型伊利石。大量研究证实，随着温度和压力的增加，伊利石矿物多型转化顺序是1Md→1M→2M1，1Md为低温亚稳态无序结构（＜100℃）。1M转变为2M1的温度为200℃—350℃（Yoder等，1955；Reynolds，1963）。矿物的多型是在生长的过程中形成的，风化不会改变其结构类型（Balley等，1978）。本文中部分有序IIS和 ISII型伊利石/蒙脱石混层是成岩阶段生成的，直到目前还没有证据说明这种矿物是风化形成的（Reynolds等，1970）。这就是说，本文研究的断层泥伊利石为1M多型结构，b0=8.991Å表明，该断层泥伊利石是在低温（＜200℃）低压环境下生成。同时结合伊利石的微观结构特征可认为，该断层泥伊利石是断层稳定滑动的产物。

断层活动往往是多期次和多方式的（粘滑、蠕滑），但断层的后期活动会破坏前期活动留下的痕迹，或后期活动痕迹叠加在前期之上，因此目前笔者所观察到的断层泥的特征往往是断层最后一次活动的记录。断层快速滑动摩擦能生成大量的热，这种热可使断层泥产生低级变质作用（Bos等，2000），使断层物质发生不同程度物理化学变化，有时甚至使硅质物质熔融生成假玄武玻璃，而该断层泥伊利石的有序混层（ISII）及其结构的多型（1M）都表明其环境温度低于200℃，这种较低的温度和伊利石的显微结构特征都反映了小湾断层活动可能是蠕滑。这就意味着该断层未来发生地震的可能性较小。

4 结论

断层泥是断层活动的直接产物，因此它记载着断层活动的历史，保留着断层运动的遗迹，它的形成常常受到与断层运动相伴生的低级变质作用的影响，而伊利石是一种应力矿物，因此，研究断层泥中的伊利石的多型、晶胞参数及化学组成，对于判断断层活动方式具有十分重要的意义。综合上述研究结果，笔者给出以下认识。

（1）断层泥伊利石X射线衍射分析结果为Δ（002−001）＞8，Ir＞1，BB1＜4°，属I+ISI有序混层结构，膨胀层小于15%。

（2）该断层泥伊利石的Fe2O3和Al2O3含量、K2O和Fe2O3含量之间均为负相关；K2O含量与Δ（002−001）2θ值呈正相关；而K2O与Ir值呈负相关。这些物理化学特征是ISII有序混层的结果。

（3）断层泥伊利石为1M多型结构，晶胞参数b0=8.991Å，表明断层泥伊利石是在低温（小于200℃）低压环境下生成。

（4）伊利石是一种应力矿物，常常受到与断层运动相伴生的低级变质作用的影响，而该断层泥伊利石的有序混层（ISII）及其结构的多型（1M）都表明其形成温度低于200℃。同时结合断层泥的微结构综合分析认为，该断层泥伊利石特征是断层最后一次活动（蠕滑）形成的。由于断层最后一次活动为稳定滑动，因此这就意味着该断层未来发生大地震的可能性较小。

虢顺民，向宏发，计凤桔等，1992．云南小湾坝区断裂活动性与位移量研究．北京：地震出版社．

林传勇，刘行松，史兰斌等，1995．断层泥在基岩区新活动研究中的意义．中国地震，11（1）：35—40．

林西生，应风祥等，1990．X射线衍射分析技术及其地质应用．北京：石油工业出版社，32—55．

杨雅秀，张乃娴，1994．中国粘土矿物．北京：地质出版社，50—70．

张秉良，林传勇，1993．活断层中断层泥显微结构特征及其意义．科学通报，38（14）：1306—1309．

张秉良，林传勇，史兰斌，2002．香山-天景山断裂断层泥显微结构特征及其地质意义．中国科学（D辑），32（3）：184—90．

Balley S.W．et al.，1978．Report of the international mineralogical association（IMA）—international union of crystallography（IUCr）joint committee on nomenclature．Canadian Mineralogist，16：113—117．

Bos B.，Peach C.J.，Spiers C.J.，2000．Frictional-viscous flow of simulated gouge caused by the combined effects of phyllosilicates and pressure solution．Tectonophysics，327（3-4）：173—194．

Gyaneshwar，G．C.Trigunayat，1972．Study of polytype growth in cadmium iodide crystals by cleavage．Physica Status Solidi（a），14（1）：191—196．

Haines S.，Kaproth B．et al.，2013．Shear zone in clay-rich fault gouge：A laboratory study of fabric development and evolution．J．Struct．Geol.，51：206—225．

Hoffman J.，Hower J.，1979．Clay mineral assemblages as low gradmet amorphicge other mometers：application to the thrust faulted disturbed belt of Montana，U.S.A．In：Scholle P A and Schlugerp R eds．Aspects of Diagenesis，SEPM Spec．Publ.，226：57—79．

Inoue A.，1983．Potassium fixation by clay minerals during hydrothermal treatment．Clay and Clay Minerals，31：81—91．

Muffler P.L.J.，White D.E.，1969．Active metamorphism of upper Cenozoic sediments in the Salton Sea geothermal field and the Salton Trough，Southeastern California．Geol．Soc．Am．Bull.，80：157—182．

Reynolds，J．Hower，1970．The nature of interlayering in mixed-layer illite-montmorillonites．Clays Clay Minerals，18：25—36．

Reynolds，1963．Potassium-rubidium ratios and polymorphism in illites and microclines from the clay size fractionsof proterozoic carbonate rock．Geochim．Cosmochim．Acta，27：1097—1112．

Sassi F.P.，Kräutner H.G.，Zirpoli G.，1976．Recognition of the pressure character in greenschist facies metamorphism．Mineral．Petrol．Mitt.，56：427—434．

Środoń J.，1979．Correlation between coal and clay diagenesis in the Carboniferous of Upper Silesian Coal Basin．Proc．Intern．Clay Conf.，Oxford，251—260．

Środoń J.，1984．X-ray powder diffraction identification of illite minerals．Clay and Clay Minerals，32：337—347.

Środoń J.，1986．Chemistry of illite/smectite and end-member illite．Clay and Clay Minerals，34（2）：368—378．

Środoń J.，2002．Thickness distribution of illite crystals in shales Ⅰ：X-ray diffraction vs high-resolution transmission electron microscopy measuvements．Clay and Clay Minerals，50（5）：562—577．

Weaver C.E.，Pollard L.D.，1973．粘土矿物化学．张德玉译，北京：地质出版社．

Yoder H.S.，Eugster H.P.，1955．Synthetic and nature muscovites．Geochem．Cosmochem．Acta，8：255—280．

Characteristics of Illite Minerals in Fault Gouge and Their Geological Implications

Zhang Bingliang，Zhou Yongsheng，Yuan Renmao and Li Kang

（Institute of Geology，CEA，Beijing 100029）

The characteristics of minerals，such as illite，etc．in fault gouge from Xiaowan Fault are studied with X-ray diffraction and chemical analysis．The results show that：（1）X-ray diffraction features of illite are Δ［（002）−（001）］＞8°，Ir＞1，BB1＜4°，belonging to orderly mixed layer．Expansive layer accounts are smaller than 15%．The crystal cell parameters b0=8.991 Å，1M polytype structure.（2）KO2content varies from 4.18% to 5.56%.（3）There is negative correlation exists between K2O and Fe2O3．There is a positive correlation between Δ［（002）−（001）］and K2O，but negative correlation exists between K2O and Ir. All of characteristics suggest that illite was formed in the environment with low-temperature and low-pressure，which is related with the low level of fault activity and low probability of strong earthquake occurrence in future．

Fault gouge；Illite；X-ray diffraction；Chemical analysis

张秉良，周永胜，袁仁茂，李康，2014．断层泥伊利石物理化学特征及其意义．震灾防御技术，9（4）：829—837．

10.11899/zzfy20140410

国家自然科学基金（批准号：41172193，40572127，49772168）；中国地震局地质研究所基本科研业务专项（批准号：IGCEA-1107）

2014-02-20

张秉良，男，生于1948年。研究员。主要从事岩石、矿物学研究。E-mail：zhangbl 15@126.com