断层泥粒度特征及其与物理力学参数关系初探

张 海 峰

(甘肃省建筑设计研究院，甘肃 兰州 730030)

断层泥粒度特征及其与物理力学参数关系初探

张 海 峰

(甘肃省建筑设计研究院，甘肃 兰州 730030)

断层泥是断层活动的产物，为研究断层的形成及环境演变提供了丰富的信息。通过统计已有断层泥粒度，并按沉积物粒度分析的经典方法绘制概率曲线，计算粒度参数，结果表明：平均粒径MZ、分维值D和物理力学参数之间都有良好的相关关系。从而反映出断层泥是断层多期次性活动的产物，不同的断层活动形式和不同程度的水岩相互作用产生不同性质和粒度的断层泥。

断层泥，中位值，平均粒径，众数

1 概述

断层泥是断层反复运动时，两盘岩石错动—破碎—研磨而形成的含有一定粘土矿物的断层岩，该过程记录了断层活动的多种信息，特定的断层活动必然具有特定的断层泥粒度特征及其组合。因此，研究断层泥的特征与成因具有重要的地质意义。断层泥在断层活动中不断地受到机械破碎、剪切研磨和挤压等作用，其物理、力学性质必将会发生一定程度的变化，而这些变化会在粒度参数上有所体现。因此，根据断层泥的粒度参数及组合特征，可以分析断层泥的成因，进而获悉断层运动方式、过程等重要的环境信息。鉴于此，许多学者对断层泥的诸多方面进行了研究：断层泥的裂变径迹法测断层活动年代[1]；断层泥组构特征(特征矿物)[2,3]、石英颗粒微形貌特征[4,5]、石英碎粒表面SEM特征、摩擦强度[6]以及断层颗粒的分形特征与断层活动方式、期次和活动年代的关系等等。此外，断层泥粒度的研究也比较多，自Sammis1987年将分形理论应用到断层泥研究领域后，中国不少学者将分形理论应用到断层泥粒度分维上。前人对断层泥粒度的研究在不断完善，但都未从粒度本质上系统地揭示断层的活动性以及和物理力学性质的关系，本文通过搜集大量资料，应用沉积学分析方法全面探讨断层泥粒度、粒度参数及其两者之间，以及和物理力学参数的关系，进而解释断层的活动性。

2 断层泥粒度特征

文献[4]中所述均是控制性断裂带，比较具有代表性，因此从中选取了71个样品进行计算、分析。本文选取其中最具代表性的粒度参数来说明断层泥的粒度分布。

2.1断层泥粒度参数特征

2.1.1数据和计算公式的选取

图解法是根据绘制出的布曲线图，在图中读出代表性的粒径值，然后根据选定的参数公式进行计算。计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，MZ为平均粒径；S0为分选系数；σ1为标准偏差；SK1为偏度；Kg为峰度(尖度)；Md为中位数值；M0为众数；Q1为累计曲线上累计百分含量为75%的颗粒；Q3为累计曲线上累计百分含量为25%的颗粒。

2.1.2粒度参数

1)Md,MZ,M0。

Md，MZ，M0可以反映断层泥粒度分布的规律，反映了断层活动的动能趋势。从图1中MZ的分布可以看出，75%的样品粒径主要集中在0.005 mm～0.075 mm范围，邵顺妹、邹谨敞认为，断层带要产生断层泥需同时具有蠕滑和粘滑两个特征，验证了不同构造期次的断层带是两种滑动形式的组合。根据三个粒度参数值不完全相同，表明断层泥的粒度不遵从正态分布。

2)标准偏差σ1、偏度SK1和峰度Kg。

表1 标准偏差、偏度和峰度分级

根据表1，标准偏差小于0.8的占53%，表明断层泥的分选性较好；偏度均大于0.01，表明断层泥粗细颗粒分布均匀性较差；偏度均值0.76，表明断层泥的颗粒组成当中，以细颗粒为主。

峰度值及其变化与物质来源、环境、外来物的加入和沉积区的改造能力密切相关。峰度值极尖窄(>1.11)的部分占68%，表明断层具有较强的改造能力。

2.2断层泥粒度参数之间的关系

断层泥粒度参数σ1和M0,MZ之间具有线性相关，M0,MZ和σ1呈正相关。根据图2所示，D和MZ呈负相关，和S0呈正相关。同时从分维值D的大小可以看出，78%的样品的D值介于2.5～2.9。这也说明断层泥的形成是由断裂构造运动在高频剪切变形与低频剪切变形反复运动后形成的产物。

3 断层泥粒度与物理力学参数

本文选取的一些断层泥的物理力学参数见表2,图3，对断层泥粒度和物理力学参数之间进行尝试性探讨。

断层活动的剧烈程度与断层泥粒度的分布密切相关，断层泥的粒度分布又决定了断层泥的物理力学性质。简言之，断层活动方式决定了断层泥粒度的特征。

4 结语

根据断层泥粒度参数分析，75%的样品粒径大小集中在0.005 mm～0.075 mm，具有蠕滑和粘滑两个断层特征，断层泥的粒度不遵从正态分布。计算标准偏差、偏度和峰度的结果显示，断层泥的分选性较好，颗粒组成当中，以细颗粒为主，表明断层具有较强的改造能力。断层泥粒度参数σ1和M0,MZ之间具有的线性相关，众数M0和平均粒径MZ和标准偏差σ1呈正相关。断层泥粒度和物理力学参数之间相关性显著。

[1] 张 峰，王世杰.长江三峡坝区断层泥的裂变径迹法年龄[J].地质科学，2001，36(1):101-106.

[2] 张秉良，向宏发，虢顺民，等.六盘山东麓断裂断层泥的组构特征及其意义[J].地震地质，2000，22(1):47-52.

[3] 胡道功,吴树仁,殷秀兰.仙女山断裂带断层泥分维值与断裂活动关系[J].地球学报，1999，20(2)：137-141.

[4] 邵顺妹，邹谨敞.西秦岭北缘断裂带和海原断裂带断层泥粒度分布和分形研究[J].内陆地震，2000，14(1)：30-31.

[5] 谌文武.断层岩的工程性质与环境效应[D].兰州:兰州大学，2004.

[6] 易顺民，唐辉明.断层泥粒度成分的分形研究[J].地震地质，1995，17(2):185-191.

Grainsizecharacteristicsoffaultgougeanditsrelationwithphysicalandmechanicalparameters

ZhangHaifeng

(GansuArchitecturalDesignandResearchInstitute,Lanzhou730030,China)

Fault gouge is the product of fault activity and provides abundant information for the study of fault formation and environmental evolution. According to the statistical existing fault gouge size, the classical method and according to the analysis of sediment grain size probability curve drawing, calculation of grain size parameters, the results show that the average particle size ofMZ, the fractal dimension value betweenDand physical mechanical parameters have good correlation. It shows that fault gouge is the product of multiple stages of fault activity. Different fault activity forms and different degrees of water rock interaction produce fault gouge with different properties and sizes.

fault gouge, median, average particle size, mode

1009-6825(2017)28-0062-02

2017-07-23

张海峰(1981- )，男，工程师

P694

A