重结晶碳酸盐在碳酸盐岩区基岩断层定年中的应用——以广西那坡断裂北段R剪切断层为例

姬 昊 刘春茹* 张沛全 李冰溯 聂冠军 魏传义 尹功明

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029 2)广西壮族自治区地震局，南宁 530022

0 引言

研究断层的活动历史是理解地震活动、 评价地震风险性和减少地震灾害的基础。目前，按照不同的测年对象可将确定断层活动时代的方法分成2类： 一类基于与断层活动相关的沉积物限定其活动时代，主要是对被错动和未被错动的地层、 地貌面进行定年。目前对沉积物定年时可用的测年技术较多，且可靠性较高，如14C 测年法、 释光测年法等。因此，这类定年手段是现今测定断层活动时代的主体方法，配合探槽开挖并结合数学模型，可精确限定断层活动的时代和期次(丁锐等，2018)。另一类则基于与断层活动直接相关的物质、 地貌面的定年，如断层泥、 基岩滑动面(包括断层面、 滑动面上伴生或次生的物质)、 断层带内充填的脉体等(刘行松等，1993； 史兰斌等，1996； 高璐等，2011)。而在基岩区，由于找不到沉积物或断层泥，基岩断面有时是惟一可用以确定断层活动时代的对象。许多学者针对基岩断面开展了大量研究工作，如何宏林等(2015)通过量化断层面的粗糙度与出露时间的关系研究断层的活动历史并识别古地震。类似的还有基于基岩断层陡坎形态变化的形态法(Bubecketal.，2015)、 通过基岩面上生长的地衣进行定年的地衣法(李有利等，1998)等。然而，这些方法仅可获得相对年龄，不能提供绝对年龄信息。近年来，随着加速器质谱仪(AMS)性能的提高，越来越多的研究利用宇宙成因核素(14C、10Be 、26Al、36Cl 等)测年法调查基岩断层的活动历史(Zredaetal.，1998； Gosseetal.，2001； 尹金辉等，2016)。但是，对于基岩为碳酸盐岩的地区，由于风化作用强烈(多以化学风化作用为主)，难以确定基岩面的侵蚀速率与核素36Cl 生成速率之间的关系，且研究区往往不含或难以找到14C、10Be 、26Al法测试所需的石英矿物，导致宇宙成因核素方法在确定碳酸盐岩地区基岩断层活动时代的应用中受到很大限制(Mitchelletal.，2001)。总之，目前确定碳酸盐岩基岩断层的活动时代是断层年代学研究中的难点与瓶颈。

Yin等(2021)的最新研究表明： 在碳酸盐岩地区基岩断面上可见一薄层(几毫米)具有明显断层擦痕的重结晶碳酸盐，是断层活动时两盘由于快速摩擦产生的局部高温、 高压环境使断面表层发生动力变质作用形成的产物，其时代与断层活动同期。此外，已有研究(Ikeya，1993)表明，在加热至200～250℃时ESR信号即能退火“回零”，而基岩断面上的碳酸盐因断层活动发生时遭受了高温、 高压，晶格结构发生重大改变——重结晶。这一系列地质作用(高温、 高压作用和重结晶作用)理论上可将断层发生活动之前在碳酸盐岩中积累的ESR信号清零，断层活动发生后又开始新的信号积累。因此，利用ESR法测定基岩断面上重结晶碳酸盐的年龄即可获得断层活动发生的时代。

自Ikeya(1975)首次报道洞穴钟乳石的ESR年龄以来(Ikeya，1975)，国内外学者开展了大量碳酸盐材料(石笋、 钟乳石、 钙华、 珊瑚、 贝壳、 有孔虫等)ESR测年的相关研究工作(Henningetal.，1983； 陈以健等，1988； Radtkeetal.，1988； 邢如连等，1989； 业渝光等，1990，1991； Barabasetal.，1992a，b； Mudelseeetal.，1992； Waltheretal.，1992； Ikeya，1993； Brumbyetal.，1994； 温孝胜等，1995； Grün，1996； 刘星，1998； 尹功明等，2001； 贾丽等，2006； 刁少波等，2018； Yinetal.，2021)，取得了一系列丰硕成果，积累了宝贵的理论基础和实践经验。

那坡断裂带是新生代以来在印度-欧亚板块碰撞背景下，印支块体和川滇块体对华南块体的侧向挤压和剪切作用使华南块体西侧和西南侧发生明显左旋走滑而形成的其中一条NW向深大断裂，控制着广西右江地震带的地震孕育和发生(侯建军等，1993； 聂冠军等，2019)。然而，由于该断裂通过的广大地区均为碳酸盐岩区，受测年材料的限制，断裂的活动时代研究十分匮乏。该断裂在通过那坡县一带时，其东北盘出露多条NW向里德尔剪切断层(张沛全等，2019)。本文选取那坡-安德断层(图1)，利用ESR法测定其断层面上重结晶碳酸盐的年龄，进而获得该断层的活动时代。此外，根据里德尔剪切模型，讨论了那坡断裂主干断层(图1 中的八安-德隆断层和富宁-马郎断层)的活动性。

图1 那坡断裂北段的断层展布特征

1 那坡断裂的地质概况

那坡断裂带西北起自云南省的广南附近，向东南经富宁进入广西那坡，再从那坡的平孟进入越南，而后经高平、 凉山直抵先安湾，全长约400km。该断裂在卫星影像上十分清晰醒目。断裂走向NW(320°～330°)，主要倾向SW，倾角为45°～75°。断裂破碎带宽数米至数百米，带内发育挤压透镜体、 角砾岩、 糜棱岩、 硅化、 片理化等构造现象。该断裂形成于加里东期，是一条长期活动的硅镁质深断裂，在新生代和第四纪以来有明显活动，控制新近纪盆地的发育，后又切割新近系(广西壮族自治区地方志编纂委员会，1990)。断裂系通过的广大地区为二叠纪、 三叠纪、 石炭纪和泥盆纪的碳酸盐岩，其位置如图1 所示。由于该断裂系尚未有分段研究结果的报道，本文中的北段是指富宁县(包括广南县)—那坡县之间的区段，并非在严格意义上分段后的段落名称，特此说明。

2 那坡-安德断层与样品采集

2.1 那坡-安德断层

那坡-安德断层(图1)走向NW，倾向NNE或SSW，切割二叠系、 石炭系和泥盆系基岩，经过那坡县、 弄必、 安德等地，长约26km。该断层与主干断层(图1 中的八安-德隆断层和富宁-马郎断层)的夹角约为10°。弄必采石场处可见断层露头，露头有大面积断面暴露(23°22′48″N，105°52′12″E)，为左旋走滑性质。

2.2 样品采集

在该产状为10°∠80°的断面(图2)上可见多处乳白色、 半透明状的重结晶碳酸盐，厚约2mm。重结晶碳酸盐表层有明显的断层擦痕，因此判断断层面上的重结晶物质是由断层活动造成的。在断面的不同部位采集了3个重结晶样品，编号分别为 NB01-A、 NB01-B 和 NB01-C，如图2 所示，并在重结晶样品旁采集1个基岩样品(NB01-JY)用于分析剂量率。经野外观察，3个重结晶样品上的擦痕方向一致。

图2 a 那坡-安德断层弄必露头断面； b ESR样品采集点

3 实验方法

本文的实验工作由样品前处理，人工辐照，U、 Th、 K元素含量测定，ESR信号测量和数据计算等步骤组成。除人工辐照实验和样品的U、 Th、 K元素含量测定外，其余实验流程均在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室的ESR实验室完成。

3.1 样品前处理及人工辐照

首先用刷子去除样品表面的红褐色杂质，分离出纯净的重结晶样品。然后在玛瑙研钵中破碎并缓慢研磨(避免快速研磨造成的局部加热和增压改变ESR信号的强度和灵敏度)，研磨后，筛选出100～200μm的组分并等分成若干小份，每份重0.2g。将等分后的样品送至北京原子能科学研究院接受人工辐照，并添加丙氨酸剂量片进行剂量监测，监测到样品的接收剂量分别为51.5Gy、 104.9Gy、 181.2Gy、 212.6Gy、 327.6Gy、 420.1Gy、 525.3Gy、 796.2Gy、 1130.5Gy和2139.0Gy。完成辐照后，在室温下放置一个月，以去除人工辐照带来的不稳定信号的影响，然后进行ESR测量。

3.2 ESR信号测量

ESR测量仪器为德国BRUKER EPR041XG微波桥X波段谱仪。测试在室温(20℃)条件下进行，参数为： 微波功率0.2mW，转换时间20.48ms，时间常数10.24ms，磁场扫描范围(3520±75)G。考虑到矿物晶体的各向异性，在相同条件下对每份样品测量3个方向的结果，取其平均值作为该样品的信号强度。

3.3 剂量率

剂量率由样品及其周围环境中U、 Th、 K元素的含量及宇宙射线贡献的剂量率决定(Grün，1989，2008)。由于样品所处环境为基岩断面，因此不需考虑含水量的影响，统一按0%计算。样品本身及围岩U、 Th、 K元素的含量在北京核工业地质研究院质谱实验室用ICP-MS法测定，并根据Aitken(1998)提出的转换数据进行计算。宇宙射线剂量率利用Prescott等(1988)提出的公式计算，并经过海拔和纬度修正(Prescottetal.，1994)。

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4 结果与讨论

4.1 测年信号的选择

图3 重结晶碳酸盐样品(NB01-A、 NB01-B和NB01-C)的ESR谱图(20℃，辐照剂量为796.2Gy)

4.2 剂量率(D)的计算

样品接受的剂量率来自(样品自身和周围环境)放射性元素(U、 Th、 K等)的衰变和宇宙射线的衰变。放射性元素衰变将产生3种不同的离子射线： α射线(氦原子核，射程只有20～40μm)、 β射线(电子，射程约为2mm)和γ射线(光子，射程约为30cm)。由于重结晶碳酸盐样品较薄(约为2mm)，可以认为α射线产生的剂量率由样品自身提供(表1)，β射线产生的剂量率由样品自身和周围环境(基岩)共同提供，γ射线产生的剂量率全部由周围环境(基岩)提供(表2)。因此，总剂量率可以表示为

表1 重结晶碳酸盐样品(NB01-A、 NB01-B和NB01-C)自身提供的α和β剂量率

表2 样品周围环境(基岩)产生的β和γ剂量率

(1)

4.3 等效剂量(DE)的确定与年龄结果

等效剂量采用附加剂量法通过函数拟合获得，拟合函数为单饱和指数函数(SSE)(Yokoyamaetal.，1985)：

I=Isat×(1-e-(D+DE)/D0)

(2)

其中，I为ESR测量的信号强度；Isat为ESR饱和信号强度；D为人工辐照剂量；DE为等效剂量；D0为特征饱和剂量。

如图4 所示，根据等效剂量值和剂量率结果，计算出3个样品的测年结果分别为(213±15)kaBP、 (188±8)kaBP和(195±12)kaBP(表3)。

图4 重结晶碳酸盐样品(NB01-A、 NB01-B和NB01-C)g=2.0006信号的附加剂量响应曲线

表3 重结晶碳酸盐样品(NB01-A、 NB01-B和NB01-C)的总剂量率、 等效剂量及测年结果

4.4 测年结果的可靠性分析

4.4.1 ESR实验流程分析

本文中3个重结晶碳酸盐样品均显示出对辐照响应良好且易于测量的g=2.0006信号，同时该信号也是国内外学者常用的测定碳酸盐材料的测年信号(Radtkeetal.，1988； Waltheretal.，1992； Ikeya，1993； Yinetal.，2021)，因此我们选用该信号作为本研究的测年信号。

此外，从图4 中可以看出3个样品的信号强度对人工辐照剂量的响应良好，且无明显饱和迹象，指数函数拟合效果十分理想，相关系数r2均在0.99以上，因而产生的DE值误差相对较小。

4.4.2g=2.0006信号的测年上限

Henning等(1983)得到的巴巴多斯岛珊瑚礁样品g=2.0006信号的平均寿命为500ka(26℃)，从而限定该信号的测年上限不得超过250kaBP。然而，在之后的研究中，他们仍利用g=2.0006信号给出了超过500kaBP的珊瑚礁年龄，且与其他独立测年结果对比良好，他们给出的解释为： 由于寿命计算方法的限制，寿命的估算可能存在较大的不确定性，造成信号平均寿命的低估(Radtkeetal.，1988)。因此，g=2.0006信号的寿命可能远不止500ka(26℃)，下一步还需开展相关实验以研究该信号的寿命，进而为探讨碳酸盐测年上限的问题提供理论支撑。另外，Barabas等(1992b)指出，为确保测年结果的可靠性，等效剂量值不应超过饱和剂量的1/3，据此我们计算了3个重结晶样品(NB01-A、 NB01-B和NB01-C)的饱和剂量，分别为1580Gy、 1554Gy和2697Gy，远大于其对应的DE值(图4，表3)，符合Barabas等(1992b)提出的标准。

因此，综合测试流程和数据分析等方面，我们认为本文得到的重结晶碳酸盐样品的ESR年龄是可靠的。

4.5 那坡断裂系北段R剪切断层的年代学意义

走滑断裂体系中经常发育里德尔剪切的断裂组合，图1 中NW向断层与主干断层(八安-德隆断层、 富宁-马郎断层)呈小角度相交(约为10°)，空间关系上符合里德尔剪切模型(图1c)(张沛全等，2019)。一般情况下，在里德尔剪切模型中，R剪切方向首先发生破裂(Nayloretal.，1986； Mooreetal.，1992)，主(Y)剪切带最后发育(许顺山等，2017)。那么，作为R剪切方向上的那坡-安德断层其发育时间应早于主干断层的形成时间，暗示那坡断裂系的主干断层很有可能存在晚于约200kaBP的构造活动。新生代以来，华南块体在印支块体和川滇块体的剪切和侧向挤压作用下，西侧和西南侧共发育5条NW向深大断裂，分别为巴马-博白断裂、 右江断裂、 靖西-崇左断裂、 那坡断裂和文山断裂(图5)。前人采用铀系法测得巴马-博白断裂中段破碎带中方解石的年龄为0.06～0.25Ma(广西壮族自治区地方志编纂委员会，1990)； 侯建军等(1993)观察到广西百色盆地晚更新世的Ⅱ级阶地被断裂反扭错开，在该断裂破碎带内采集的方解石脉样品，铀系法测定其年龄为0.251Ma，表明断裂在中—晚更新世时期仍有间断性活动； 在靖西-崇左断裂带内，断裂带内方解石的铀系年龄为0.25Ma，反映断裂带在中晚更新世有过强烈活动(侯建军等，1993)。本研究得到那坡断裂北段主干断层可能存在晚于距今0.2Ma的构造活动，与上述NW向断裂的活动历史基本一致。综上所述，广西地区的NW向断裂在中—晚更新世仍有活动，全新世以来活动减弱，可能与现今该地区构造应力场的转变有关。

图5 研究区及周边地区主要断裂的分布图(引自聂冠军等，2019)

5 结论

(1)本文利用ESR法测定了那坡-安德断层断层面上3个重结晶碳酸盐样品的年代，结果分别为(188±8)kaBP、 (195±12)kaBP和(213±15)kaBP，根据里德尔剪切模型推测，那坡断裂的主干断层可能存在晚于距今0.2Ma的构造活动。

(2)对于缺少沉积物覆盖的碳酸盐岩基岩地区，断层活动在基岩断面产生的重结晶碳酸盐为直接确定断层活动的时代提供了一种较为理想的测年材料，具有广阔的应用前景。

致谢审稿专家对本文提出了建设性的修改意见和建议，在此表示衷心感谢！