地震断层带流体作用的岩石物理和地球化学响应：以龙门山断裂花岗质破裂带为例

段庆宝

(中国地震局地质研究所,北京100029)



中国地震局地质研究所2015届博士论文摘要(Ⅳ)

地震断层带流体作用的岩石物理和地球化学响应：以龙门山断裂花岗质破裂带为例

段庆宝

(中国地震局地质研究所,北京100029)

地壳断层带中存在大量流体。流体的存在会对断层带的物质组成及力学性质产生重要影响。流体不仅会与断层岩发生反应生成摩擦系数低的粘土等层状硅酸盐矿物,而且流体也可能被封闭产生高压导致断层弱化。断层岩记录了断层带流体作用的相关信息。为了研究映秀—北川断层带内流体的作用过程、 水-岩反应与粘土矿物的富集规律以及流体对断层演化和滑动过程的影响,我们在2008年汶川地震的发震断层----映秀—北川断层出露于金河磷矿附近的剖面处实施了两孔浅钻。对采自钻孔和地表露头的样品进行了详细的结构学、 矿物学、 地球化学及传输性质等方面的实验研究。

金河磷矿断层带发育形成于相对浅部的松散角砾岩和断层泥以及形成于相对较深部胶结的初碎裂岩和碎裂岩等。浅钻岩芯所揭示的岩性分布与地表基本一致。断层带内发育有3种颜色的断层泥。这些断层岩并不是在相同时间及深度下形成的,而是由多期次的地震活动及震后长时间的断层蠕动并伴随着持续的隆升和剥露等效应而堆积在一起。2008年汶川地震在此剖面处穿过黄绿色断层泥。对断层岩的结构观察表明,靠近断层核部,断层岩除了表现出破碎程度逐渐增加、 粒度下降的趋势外,还表现出逐渐增强的矿物蚀变与流体活动特征。基性岩与花岗质碎裂岩中的镁铁质矿物发生了显著的绿泥石化蚀变。显微结构观察、 矿物成分分析、 元素相关性分析及稀土配分结果均显示,断层岩的物质来源极其复杂,其中黑色断层泥的原岩是花岗岩,并且混入了少量的碳酸盐岩成分； 黄绿色和灰绿色断层泥是在花岗岩和基性岩的混合作用下形成的,其中残留有基性岩碎屑颗粒。

跨断层的矿物与化学成分分析显示,断层带的矿物和地球化学成分与原岩相比发生了明显变化。广泛的流体淋滤及水-岩相互作用使得长石类矿物发生蚀变、 分解,生成粘土矿物。根据矿物蚀变特征及热液流体矿物的鉴别,推断流体中富含Mg和Fe,且为中酸性还原环境。推断其主要的水-岩反应为： ① 镁铁质矿物反应生成绿泥石； ②长石(钾长石和斜长石)反应生成粘土矿物。Isocon分析显示,断层带经历了大量物质流失,主要归因于流体活动伴随的可溶性元素溶解、 迁移以及断层带压实作用。溶解-沉淀及压溶作用是断层带物质流失的主要机制。断层核部较破碎带相对偏高的物质流失量及水-岩比值主要是由于核部具有较低的粒度并经历了同震摩擦升温等作用的影响。因此,同震机械破碎与间震期强烈的水-岩相互作用改变并控制着断层带的物质组成与结构演化。

渗透率是控制断层带流体活动及水-岩相互作用的重要参数,并且关系到高压流体积累等关键问题。本文首先采用不同测量介质(气体和水)对断层岩的渗透性展开了对比研究。结果显示,断层岩气体渗透率存在明显的Klinkenberg效应,并且断层岩的气体渗透率经Klinkenberg效应校正后不能近似为液体渗透率。采用水作为测量流体对金河磷矿断层带的传输性质实验研究显示,映秀—北川断层带金河磷矿剖面主要由极低渗的断层核部,高渗的破碎带和相对完整且低渗的围岩所组成。在165 MPa有效压力下,围岩与断层核部的渗透率介于10-20～10-22m2之间,破碎带渗透率介于10-17～10-20m2之间。横跨断层带,渗透性整体呈现为“通道/障碍体”的二元结构。流体活动主要集中在断层核部与破碎带内,而且更倾向于向平行断层面方向迁移。跨断层的渗透性结构与断层带的成分与粒度分布具有一致性。

断层核部较高的孔隙度和较低的渗透性为积累高压流体提供了物质与物理基础。基于传输性质实验结果,讨论了汶川地震同震热压作用。结果表明,在深度1.8 km以下,汶川地震断层主滑动带具备热压作用发生的条件。显微结构观察也显示,黄绿色和黑色断层泥中存在指示热压作用的CCAs构造及断层泥高压注入到裂隙中的结构,这些结构特征表明,断层核部经历了高压流体的作用过程。因此,热压作用可能是汶川地震滑动弱化的重要机制。

龙门山断裂带； 汶川地震； 水-岩相互作用； 断层岩； 粘土矿物； 渗透率； 断层弱化； 高压流体； 热压作用

(作者电子信箱,段庆宝： duan_qingbao@126.com)

P315.1；文献标识码：A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.08.010