沂沭断裂带北段断层泥中石英颗粒微形貌特征分析

黄静宜,刘智荣,刘晓燕

(1. 防灾科技学院,河北 三河 065201; 2. 河北省地震动力学重点实验室,河北 三河 065201)

0 引言

近年来,活动断裂成为城市规划及城市建设中非常关注的问题,我国在多个城市开展了活断层探测工作,通过野外地质测量、钻探及年代学测试,获取活断层晚第四纪滑动类型、古地震事件及中强以上地震复发周期。其中,断层的活动时代及活动方式的确定在活断层探测中至关重要[1-2]。断层泥作为活动断裂留下的产物,在形成过程中经历了低压变质作用,HOFFMAN等[3]在1979年发现断层泥的矿物成分及显微构造中记录了断层活动时的温压条件及活动方式等信息。之后,学者对断层泥开展了大量的研究工作。通过研究断层泥的矿物成分、化学成分、显微构造及矿物微形貌等,可以推测断层活动的时间、期次、方向及强度,作为断层活动性判别的证据之一。因此,断层泥的研究对探索断层演化和地震活动机制、分析断层滑动的微观运动学机理等具有重要的理论意义,对活断层探测中断层活动方式和活动时代的判断有一定的现实意义,同时,还可为古地震的研究提供依据。

石英的溶解速率低、抗风化能力强,相对容易保留断层活动在表面留下的痕迹,而且,断层泥中一般都会存在一定的石英颗粒,所以,石英的微形貌特征成为了断层活动过程及其动力学特征的标志之一[4-5]。石英的微形貌有2种:溶蚀微形貌和应力微形貌。

第一种,溶蚀微形貌。石英颗粒表面接受溶蚀的时间越长,溶蚀沟就会越深,溶蚀结构也越复杂,断层活动距今就越久。因此,可以通过研究石英碎砾微形貌特征,来判断断裂活动的年代[4-5]。KANAORI等[6-8]在1980年代基于对石英微形貌特征的统计分析,与石英热释光年龄进行了比对,得到了断层泥中石英微形貌特征与断层活动年代的关系。之后,多位学者[5, 9-12]应用这一理论对我国多个活动断裂断层泥中的石英颗粒微形貌进行了观测,并将其年代学结论与其它测年法所得结果进行了对比,得出了有意义的结论。同时,石英微形貌年代学方法也不断细化。

第二种,应力微形貌。石英不发育解理,在断层滑动时,石英表面受到摩擦,产生断口,形成应力微形貌,不同形态的断口指示了不同的应力条件。已有相关研究表明,楔形撞击坑、线状擦痕及放射形断口等应力形貌反映的是断裂的黏滑运动,而磨圆球粒、弧形擦痕和应力微断层是蠕滑的特征[13]。另外,通过观察总结断层泥的显微构造特征,发现地震会造成断层泥的脆性变形,即发生黏滑。如1999年集集地震的同震断层泥具有脆性变形的特征[14-15]。而蠕滑运动在断层泥中表现为韧性变形[16-18],如圣安德烈斯断层为一个蠕滑断层,断层泥以S-C组构和眼球状构造等韧性变形为特征[19]。也有部分学者认为在地震事件中,可能会在断层泥中同时产生2种变形[20-21],即韧性变形和脆性变形。袁仁茂等[22]对2008年汶川地震北川-映秀断裂北段的断层泥进行了观察,发现断层泥主要发育Y-剪切(平行于断层的主剪切方向)、R-剪切(Reidel剪切)、P-剪切(叶理方向)和T破裂(张裂缝)等局部化脆性变形,同时,在2条平行的Y-剪切之间,发育P-叶理、碎屑颗粒的拉长和不对称拖尾构造等韧性变形。付碧宏等[23]、韩亮等[24]在对北川-映秀断裂东南段的断层泥观察中也得到了类似的结论。因此,总体上,蠕滑断层的断层泥以韧性变形为特征,而地震形成的断层泥普遍发育脆性变形,但在局部也可见韧性变形。

沂沭断裂带是郯庐断裂带主体的北侧部分,与郯庐断裂带主体相连成一线,是一条大规模且活动时间长的复杂断裂带,其活动特征备受关注。范军等[25]通过分析地球物理剖面及钻探剖面,得出安丘-莒县断裂为右旋走滑断裂,晚更新世活动过;昌邑-大店断裂以走滑为主,兼具倾滑运动,早中更新世活动过。曹筠等[26]应用浅层地震勘探、钻孔联合剖面、古地震探槽及光释光测年等手段,揭示了安丘莒县断裂全新世以来2次古地震事件。徐建国等[27]通过地面调查、物探及钻探等工作,判断出安丘-莒县断裂至今仍在活动,昌邑-大店断裂最晚活动于晚更新世晚期。

已有的研究主要应用钻探及地球物理探测手段,通过宏观上分析断层对地层的穿切关系等推测断层活动特征,本文在野外调查的基础上,从微观角度,通过观测石英的溶蚀微形貌和应力微形貌,结合光释光测年方法,探讨沂沭断裂北段的活动时代、期次及晚更新世以来的活动方式。

1 沂沭断裂带地质背景

沂沭断裂带从南端郯城起贯穿整个山东省到北端进入渤海,呈北北东向展布,向北逐渐变宽。主要由4条主干断裂组成,从山东省东部到西部依次为昌邑-大店断裂、安丘-莒县断裂、沂水-汤头断裂、鄌郚-葛沟断裂[28-29]。

已有研究根据地层接触关系、同位素测年等,对沂沭断裂的活动特征进行了分析。沂沭断裂带在中生代时期构造活动强烈,岩浆从断裂深部上涌,侏罗至白垩纪泰沂蒙断块基底和胶东断块基底发生大幅度的相对平移滑动,导致两大断块拼接在一起,白垩以扩张和断陷为主,在滑动的过程中产生了各自的断陷和隆起[30]。并且中生代以来形成推覆构造行迹特征明显的保留下来,整个沂沭断裂带是由昌邑-大店推覆断裂及沂水-汤头推覆断裂组成的多层体式推覆构造,南东东向北西西向推覆,新生代以来逐渐消亡[31-32]。

2 样品采集与制备

野外调查发现,沂沭断裂北段的昌邑-大店断裂和安丘-莒县断裂出露断层泥,本文在昌邑-大店断裂选取了3个剖面,在安丘-莒县断裂选取了1个剖面,进行了剖面的测量、采样及相关测试工作。采样信息如表1所示。

表1 沂沭断裂带断层泥样品信息

2.1 样品的采集

本文共采集了石英微形貌观测样品5个和光释光年龄样品2个,所有样品采集前均去除了表层,采集新鲜面样品。

CY01样品采于昌邑县于家山下,地理坐标:36°51′N,119°25′E。该剖面发育红褐色、土黄色、灰白色断层泥,如图1所示。

图1 于家山下CY01采样点剖面图

CY02样品采于昌邑县于家山下,地理坐标:36°51′N, 119°25′E。该点发育紫红色断层泥及灰绿色断层泥条带,如图2所示。断层泥宽度约3 m,上盘为桔红色砂,层理不清晰。

图2 于家山下CY02采样点剖面图

CY03样品采于潍坊市寒亭朱里剖面,地理坐标:36°43′N, 119°22′E。该剖面自东向西发育紫红色断层泥、灰绿色断层泥、灰白色-灰绿色断层泥,断层泥露头宽约5 m,如图3所示。

图3 寒亭朱里CY03采样点剖面图

JN02、JN05样品采于莒南县西山龙山地震遗址剖面,如图4所示。该剖面出露完好,可见2条明显的断层面。西侧断层面平直,呈灰白色,产状277°∠65°,发育摩擦镜面,推测为挤压形成的逆断层。上盘发育宽5 cm的紫红色断层泥,可见灰紫色火山角砾岩、断层角砾岩,断层角砾岩的原岩也为火山角砾岩,岩石较破碎。东侧断层面产状70°∠66°,发育宽3～5 cm的灰绿色断层泥,位于灰紫色断层角砾岩岩与黄白色角砾岩间,断层泥在雨水冲刷下,呈凹入状。上盘出露黄白色断层角砾岩,砾石成分为浅灰色硅质,原岩为砂岩。

图4 西三龙山地震遗址剖面

2.2 样品的制备

从断层泥中筛选出石英颗粒样品,主要包含4个步骤:①淘洗:将样品倒入烧杯中进行充分的搅拌,之后静置。②反复搅拌过筛:将静置后的样品进行重复的搅拌过筛,除去样品中的黏土矿物,再将样品烘干。③盐酸浸泡:向烘干后的样品中加入10%的盐酸去除样品中的铁氧化物和碳酸岩类颗粒,进行烘干以便下一步挑选。④双目镜下挑选石英颗粒。

将石英颗粒粘到贴有导电胶带的样品台上,用除尘气枪对石英颗粒进行表面的清洁,喷金后将样品放到扫描电镜中进行观察。文中使用的是Phnome Pure Plus扫描电镜。

3 样品分析

3.1 石英颗粒表面微形貌与年代学分析

石英颗粒溶蚀微形貌与年代学呈较好的对应关系。根据已有研究结果[6],石英表面微形貌可识别出9种形态,溶蚀程度由浅到深依次为贝壳状、次贝壳状、橘皮状、鱼鳞状、苔藓状、钟乳状、虫蛀状、涡穴状和珊瑚状。本文将沂沭断裂断层泥石英微形貌分四大类,分别为破裂型、浅度溶蚀、中度溶蚀和深度溶蚀,又细分为Ru、Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,如图5所示。溶蚀程度越低,说明断层活动时代越新,依此来推测断层活动时代。

图5 石英颗粒微形貌特征与年代关系图[6]

本文对沂沭断裂5个样品中石英微形貌进行了观测,如图6所示,识别出了橘皮状、鱼鳞状、苔藓状、虫蛀状、涡穴状等微形貌。样品CY01中,Ⅱ类及Ib+Ic类微形貌占比最高,共占74%,石英颗粒表面多呈橘皮状和鱼鳞状,为浅度-中度溶蚀;CY02中,Ⅱ类微形貌占比40%,比例最高,Ib+Ic、Ⅲ和Ⅳ类微形貌在20%左右,总体为中度-深度溶蚀;CY03中,石英微形貌总体呈抛物线形正态分布,以中度溶蚀为主;JN02中,Ib+Ic类微形貌占比33%,其次为Ⅱ类和Ⅲ类,总体为中度-深度溶蚀;JN05中,Ⅱ类微形貌占最高,为比49%,其次为Ib+Ic类及Ⅲ类,以中度溶蚀为主,石英颗粒表面微形貌分类频度分布情况如图7所示。值得注意的是,所有样品中都有Ru和Ia类型,即晚更新世以来活动过。在5个样品中,CY03中Ru和Ia型形貌比例最高,达到了29%,其次是JN02和CY02,占比都为17%,说明沂沭断裂在近10万年以来活动过,是一条活断层。

图6 断层泥石英表面微形貌特征

图7 石英微形貌分类频度分布图

总体来讲,沂沭断裂5个样品的石英颗粒以Ⅱ类以及Ib+Ic和微形貌为主,共占总数的59%,如图8所示。说明沂沭断裂在早更新世-中更新世活动较强烈。Ⅲ型占比15%,Ⅳ型占比11%,说明该断裂在上新世和中新世活动过,但不强烈,Ia型和Ru型分别占8%和7%,说明该断裂晚更新世以来也活动过。光释光测年结果如表2所示,样品年龄为中更新世晚期-晚更新世早期,因此,本文认为沂沭断裂具有多次活动的特点,最近一次大规模的运动发生在早-中更新世,之后的活动不强烈。而晚更新世以来有过活动,因此工程建设中还是需要加以关注。

图8 石英微形貌类型占比情况

表2 沂沭断裂断层泥测年结果

3.2 石英颗粒表面微形貌与断层活动方式

断层活动会在石英颗粒表面留下痕迹,不同活动方式下石英颗粒的撞擦特征、破裂特征和形态特征等方面是不同的,因此,可以通过观测石英颗粒表面微形貌特征来推测断层的活动方式。断层蠕滑体现出来的撞擦特征为弧形擦痕,撞擦坑没有明显的定向性,破裂呈曲线型,而黏滑运动会在石英颗粒表面留下直线型擦痕及高速撞擦坑,呈现出高速冲击破裂的特征。已有学者根据这一规律建立了石英微形貌与其断层活动方式的关系,如表3所示[33-34],A为撞擦特征,B为破裂特征,C为碎砾形态特征,每种特征分为4个亚类,分别对应蠕滑、黏滑及之间的过渡类型。

表3 石英微形貌与活动方式的关系[34]

本文观察了沂沭断裂石英微形貌特征,如图9所示。依据表3中分类标准,对石英颗粒进行了详细的分类统计,得到了样品中每个亚类占该类的比例,如表4所示。以CY01为例,撞擦特征中,A1类型的占8.33%,A2类型的占50%,A3类型的占41.67%,A4类型的占16.67%。数据集以矩阵的形式表示为:

图9 石英微形貌特征

表4 石英颗粒表面机械作用分类表

(1)

将CY01、CY02、CY03、JN02和JN05这5个样品都以式(1)的形式表达出来,如式(2)～式(6)所示:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

依据学者的实验研究和理论分析[11,26-28,35-37],在判定断层活动方式时,A撞擦特征、B破裂特征及C碎砾形态特征这3个特征的权重是不同的。其中,A撞擦特征能准确地反映断层运动方式,权重最大。B破裂特征也能较直观地反映断层活动速度,权重居中。C碎砾形态特征可以反映断层活动方式,同时颗粒形态也受到活动年代等因素的影响,因此该因素权重最低。徐叶邦等[38]在1987年根据3种特征对于评价断层滑动方式的重要程度,首次给出了3个应力微形貌因素的权重分配, A、B、C这3个因素的分配权重如式(7)所示:

Q= [0.40 0.35 0.25]

(7)

俞维贤等[32, 39]、朱彤等[34]等应用该权重分配进行了实践和验证,都得到了较好的结果,因此,本文也沿用了的权重分配方法。将撞擦特征、破裂特征和碎砾形态特征综合起来,得到每一个样品的活动方式特点,如式(8)所示:

M=R·Q=[M1M2M3M4]

(8)

式中:M1表征蠕滑运动所占比例;M4为黏滑运动所占比例;M2和M3为过渡类型。由此得到5个样品的运动方式,如式(9)～式(13)所示:

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

断层的蠕滑、黏滑及过渡方式所占比例如图10所示,总体来讲,断层的主要活动方式为黏滑和蠕滑之间的过渡型,黏滑表现较弱。说明晚更新世以来,断层有一定的脆性变形,但脆性变形不活跃,总体以韧性变形为主。

图10 断层活动方式分析结果

4 结论

本次研究沿沂沭断裂北段的安丘-莒县断裂与昌邑-大店断裂选取了4个剖面,采集了5个断层泥样品,利用扫描电子显微镜观测了断层泥中石英颗粒的微形貌,对断层的活动时代及活动方式进行了分析。得到了以下结论。

1)通过鉴别和统计石英表面9种不同的形貌特征,得出石英表面微形貌以橘皮状和鱼鳞状为主,对应了Ⅱ类和Ib+Ic型微形貌,属于浅度-中度溶蚀,反映出该断裂最近一次较强的运动发生在早-中更新世。石英微形貌中出现了Ⅲ型、Ⅳ型、Ia型和Ru型,说明该断裂具有多期活动的特征。其中Ru、Ia之和所占比例基本在15%左右,说明晚更新世以来活动不强烈。光释光测年结果为中更新世晚期-晚更新世早期。因此,沂沭断裂北段的安丘-莒县断裂和昌邑-大店断裂都是活动断层,晚更新世以来活动过,但不强烈。

2)根据断层泥中石英颗粒表面撞擦特征、破裂特征和形态特征等机械作用特征,结合这3种特征对判断断层活动方式的贡献,得到了该断层晚更新世以来以蠕滑及过渡型为主,黏滑较弱。

本文所得结果可能为监测研究区的断层活动提供有力支持。