周琳雄，王道永，吳德超，李友余，云 錕，張墨思

（1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059；2.河北省地震局秦皇島中心地震臺，河北 秦皇島 066100）

0 引言

擬建的四川省雅康高速公路二郎山隧道（FK65＋620～FK79＋030）位于四川省雅安市天全縣和甘孜州瀘定縣接壤的二郎山，F(xiàn) 方案的隧道長度約13.39km，建成后將是中國第二長的公路隧道，進(jìn)口位于天全縣兩路口鄉(xiāng)的長河壩村，出口位于瀘定縣五里溝的堡子上村。隧道進(jìn)口高程約1 484.70 m，隧道出口高程約1 578.16 m，隧道最大埋深約1 600m。該工程是雅康高速公路建設(shè)的關(guān)鍵工程之一，該工程的建設(shè)對發(fā)展四川西部經(jīng)濟(jì)及西部大開發(fā)具有非常重要的意義。

本文著重從兩方面入手對區(qū)內(nèi)斷裂特征及活動性進(jìn)行研究：一、隱伏斷層研究。由于隧址區(qū)地表坡積物掩蓋普遍，尤其斷層通過位置均未見直接露頭出露，為了確切把握部分隱覆斷層位置、規(guī)模及強(qiáng)度等，本次工作在推測斷層可能通過地帶利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP－MS）進(jìn)行了斷層地氣剖面的測量［1－3］。采樣時，先用綱釬在地表打深約50 cm 的孔；然后將采樣器（頭部開有進(jìn)氣孔）插入鉆孔，使采樣器上部的圓錐部分堵住孔口，以阻擋地表大氣進(jìn)入采氣鉆孔；再打開抽氣泵抽取游離于覆蓋層空隙內(nèi)的地氣物質(zhì)，每測點(diǎn)采樣時間30min?；驹恚旱厍騼?nèi)部普遍存在著一種垂直上升的氣流，這些氣流在向地表遷移的過程中，會攜帶走遷移路徑上以納米顆粒尺寸形式存在的固體顆粒，形成含有多種元素的地氣流。斷層的存在，會為地氣的遷移提供便利；因此，在斷層的上方，地氣量將大于其他地區(qū)，地氣中很多元素的含量會明顯高于背景值。測量的目標(biāo)元素包括稀土、微量等多種元素。20世紀(jì)80年代末，我國引入該方法后，在與地學(xué)有關(guān)的生產(chǎn)、科研等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并取得了很多突破性進(jìn)展。二、斷層測年及活動構(gòu)造研究。采集斷層活動時代分析樣品，采用SEM（石英形貌掃描）、ESR（電子自旋共振測年）等方法進(jìn)行斷層年代學(xué)研究，以確定斷層的活動時期、活動歷史及其活動性。采用多種方法進(jìn)行活動性研究克服了單一方法的局限性并保證了研究結(jié)果的可靠性。

1 主要研究方法

斷層形成年代的測定有很多種方法，石英碎礫溶蝕形貌測年法（SEM）是近年來活動斷層時代研究普遍采用的方法之一。由于其它分析方法周期較長，故本次在二郎山遂址區(qū)斷裂形成時代研究的工作中，采用斷層泥中石英碎礫溶蝕形貌測年法（SEM）［4－10］，并結(jié)合區(qū)域斷裂形成時代來確定。

1.1 分析的基本原理

石英碎礫溶蝕形貌測年法，可以簡稱為石英碎礫形貌法，由日本學(xué)者金折裕司于1980年提出。其基本原理是：石英的穩(wěn)定性非常好，溶解性非常差。當(dāng)PH 值小于9時，其溶解度幾乎穩(wěn)定在10ppm 量級。隨著接受溶蝕時間的增加，其表面形貌會形成不同的結(jié)構(gòu)。楊主恩教授等（1984）［8］根據(jù)電子顯微鏡的掃描結(jié)果，將石英碎礫表面溶蝕形貌分為Ⅰ0貝殼狀，Ⅰa次貝殼狀，Ⅰb次貝殼－淺桔皮狀，Ⅰc桔皮狀，Ⅱ魚鱗狀、苔蘚狀，Ⅲ鐘乳狀、蟲蛀狀，Ⅳ鍋穴狀、珊瑚狀等Ⅳ組結(jié)構(gòu)，并分別對應(yīng)于不同的地質(zhì)時代（表1）。據(jù)此，可以選取斷層泥中夾帶的石英碎礫，觀測統(tǒng)計(jì)石英碎礫表面被溶蝕的程度及其形貌結(jié)構(gòu)，推測斷層的形成時間。當(dāng)受溶蝕的時間足夠長，大約10 Ma后，其表面結(jié)構(gòu)趨于相同，不便于再詳細(xì)劃分，所以，測年的時間最多為10 Ma，時代為中新世。

表1 斷層泥中石英碎粒結(jié)構(gòu)分類和相對年代綜合表

理論上講，一條斷層的某一個位置的斷層泥中，各個細(xì)小的石英碎礫受到的各種地質(zhì)作用的類型、強(qiáng)度和時間應(yīng)該是相當(dāng)?shù)?，其表面結(jié)構(gòu)應(yīng)該是相同的，至少是相似的。當(dāng)取得足夠多的樣品時，樣品的溶蝕形貌特征就能夠代表這段斷層中所有石英碎礫的總體溶蝕形貌特征，可以根據(jù)石英碎礫的形貌特征進(jìn)一步確定斷層的活動時代。

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，如果知道了測量數(shù)據(jù)的分布函數(shù)，就可以用參數(shù)估計(jì)的方法，計(jì)算出給定的置信水平下包含數(shù)據(jù)真值的置信區(qū)間［8］。觀測同一條斷層、同一個部位的樣品的溶蝕形貌，其總體的形貌特征應(yīng)該是確定的，可能因?yàn)樽匀唤绲呐既灰蛩兀共煌榈[或同一個碎礫不同表面的特征產(chǎn)生一些差別，但這肯定是少數(shù)的，因此，可以假設(shè)其服從正態(tài)分布，將各種形貌用不同的數(shù)值代表，其平均值就代表了它的總體特征。

統(tǒng)計(jì)學(xué)中的參數(shù)估計(jì)是以樣本指標(biāo)數(shù)值（統(tǒng)計(jì)量）估計(jì)總體指標(biāo)數(shù)值（參數(shù)）及其誤差。我們做的是區(qū)間估計(jì)。區(qū)間估計(jì)是按預(yù)先給定的概率水準(zhǔn)，確定一個包含未知總體參數(shù)的可能范圍。統(tǒng)計(jì)學(xué)稱該范圍為被估計(jì)參數(shù)的置信區(qū)間；稱預(yù)先給定的概率水準(zhǔn)為可信度或置信水平，符號為1－α（α為參數(shù)估計(jì)不準(zhǔn)的概率），常取95%。按此水準(zhǔn)確定置信區(qū)間，意為在此區(qū)間內(nèi)有95%的可能性包含了未知的被估計(jì)參數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

從日立公司引進(jìn)的S－3000N（SEM），配置HORIBA 公司EMAX Energy EX－350X 射線能譜儀（圖1）

圖1 掃描電子顯微鏡（配X 射線能譜儀）

技術(shù)指標(biāo)如下——

二次電子分辨率：3.0nm

背散射電子分辨率：4.0nm

加速電壓范圍：0.3～30kV

放大倍率范圍：×5～×300 000

另外在處理石英砂表層時需要鹽酸、蒸餾水、棉簽、電鏡導(dǎo)電膠帶、燒杯、載玻片、金靶等用具。

泥化夾層石英碎礫表面結(jié)構(gòu)SEM 觀測樣品制備流程為：

①取泥化夾層物質(zhì)300～600g，水浸泡3～4次，分離。

②10%左右的鹽酸浸泡8h 左右，清除碳酸巖。

③60～200目 篩選0.125mm 左右的顆粒。

④超聲波清洗30min左右及干燥。

⑤挑選（30～60顆）及上樁。

⑥在E－1010 離子濺射儀（圖2）或KYKYSB－2樣品表面處理機(jī)（圖3）噴金鍍膜，待用。

1.3 實(shí)驗(yàn)記錄和分析結(jié)果

本項(xiàng)目對二郎山斷層?xùn)|支、西支及門坎河斷層采取了4件代表性樣品。二郎山斷裂東支樣品取自318國道二郎山埡口和團(tuán)牛坪，二郎山斷裂西支樣品取自馬鞍山，門坎河斷層樣品取自門坎河。實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果如圖5所示：

圖2 E－1010 離子濺射儀

圖3 KYKYSB－2樣品表面處理機(jī)

二郎山斷裂東支樣品1：未見貝殼狀石英，次貝殼狀石英占3.7%；桔皮狀石英占74.1%；鱗片狀、苔蘚狀石英占14.8%；鐘乳狀、蟲蛀狀石英及窩穴狀、珊瑚狀石英分別占3.7%。

二郎山斷裂東支樣品2：貝殼狀石英占百分之3.6%，次貝殼狀石英占14.3%；桔皮狀石英占50%；鱗片狀、苔蘚狀石英占10.7%；鐘乳狀、蟲蛀狀石英占17.9%；窩穴狀、珊瑚狀石英占3.6%。

二郎山斷裂西支樣品：次級馬鞍山斷層的石英碎屑形貌中，無貝殼狀及次貝殼狀石英出現(xiàn)；桔皮狀石英占76.0%；鱗片狀、苔蘚狀石英占4.0%；鐘乳狀、蟲蛀狀石英占20.0%；無窩穴狀、珊瑚狀石英。

門坎河斷層樣品：門坎河斷層石英碎屑形貌中，無貝殼狀及次貝殼狀石英出現(xiàn)；桔皮狀石英占36%；鱗片狀、苔蘚狀石英占8.0%；鐘乳狀、蟲蛀狀石英占48.0%；窩穴狀、珊瑚狀石英占8.0%。

據(jù)上述形貌特征說明二郎山隧址區(qū)斷裂其活動性在上新世－早更新世及早更新世、晚更新世以來不具活動性，不屬于活動斷層。

2 隧址區(qū)主要斷裂構(gòu)造特征及活動性

二郎山隧道隧址區(qū)位處川滇南北向（瀘定斷裂帶）、北東向（二郎山斷裂帶）、北西向（保鳯斷裂帶）構(gòu)造的“Y”字形交匯復(fù)合部位，緊鄰瀘定Ⅹ度地震危險(xiǎn)區(qū)，區(qū)域地質(zhì)和地震地質(zhì)背景復(fù)雜，曾多次發(fā)生7.0級以上和6.0～6.9級地震。區(qū)內(nèi)發(fā)育不同性質(zhì)、不同級別斷層16條（表2、圖4）。其中二郞山斷裂帶、瀘定斷裂帶、保鳯斷裂帶為區(qū)域性大斷裂帶，為本次研究的重點(diǎn)。

表2 二郎山隧道隧址區(qū)斷層登記表

圖4 二郎山隧道隧址區(qū)構(gòu)造綱要圖

2.1 保鳯斷裂（F2）構(gòu)造特征及活動性

保鳯斷裂在區(qū)域上長達(dá)100km，斷裂位于隧址區(qū)東部，距隧洞東進(jìn)口約2.4km。斷裂傾向SW，傾角在70°以上，屬一條高角度的逆沖斷層。主要斷于古生代地層中、晉寧期鉀長花崗巖與古生代、中生代地層之間。斷面光滑彎曲，兩側(cè)巖石十分破碎，發(fā)育程度不等、寬度不一的構(gòu)造角礫巖及碎斑巖、碎粉巖，以及破劈理、擦痕、石英脈、方解石脈等。

斷層在通過隧道地段被第四系覆蓋，經(jīng)地氣測量，具明顯的斷層氣異常，測量剖面上出現(xiàn)3個異常（圖6）：異常分別占分析元素的54%（異常1）、86%（異常2）和74%（異常3），表現(xiàn)為多鋸齒狀（異常1）、單鋸齒狀（異常2、異常3）峰值異常，表現(xiàn)出良好的異常與構(gòu)造的對應(yīng)性［1－3］。

在門坎山附近與主斷層平行的次級斷層上取方解石測齡樣品，經(jīng)熱釋光法測定結(jié)果為（46.30±0.56）×104年①。另外在主斷層破碎帶中取斷層泥物質(zhì)經(jīng)SEM 特征［4－10］分析主要為桔皮狀石英，斷裂主要活動期在中更新世末期，以粘滑運(yùn)動方式為主。另外，分析地氣剖面（圖6）發(fā)現(xiàn)斷層僅切割了基巖，并未切割上覆第四系堆積物。上述資料表明，保新廠—鳯儀斷裂在全新世以來不具活動性，沿?cái)嗔训卣鸹顒游⑷酢?/p>

2.2 二郞山斷裂帶構(gòu)造特征及活動性

二郎山斷裂帶屬龍門山斷裂帶西南段組成部分，是穿越隧址區(qū)最為重要的斷裂。斷裂帶總體走向NE20°，主要由大致平行的3條斷裂，即二郎山斷裂東支、中支和西支組成的斷裂帶，向南逐漸收斂合為1條。

2.2.1 二郎山東支斷裂（F3－1）構(gòu)造特征及活動性

東支斷裂在隧道4.3km 處通過，走向NE25°～30°，傾向NW，傾角75°，西盤元古代花崗巖仰沖于下盤奧陶系之上。斷層兩側(cè)巖石破碎，巖層強(qiáng)烈揉皺，片理異常發(fā)育。斷裂帶中常有NNW 向規(guī)模不大的斷裂穿插。

在二郎山埡口SW500 m 公路邊，斷層破碎帶寬約10 m，顯示壓性特征，斷層產(chǎn)狀NE15°／NW∠60°。于破碎帶中采集斷層泥經(jīng)SEM 法鑒定［4－10］結(jié)果顯示：樣品中未見貝殼狀石英，次貝殼狀石英占3.7%；桔皮狀石英占74.1%；鱗片狀、苔蘚狀石英占14.8%；鐘乳狀、蟲蛀狀石英及窩穴狀、珊瑚狀石英分別占3.7%（圖5）。熱釋光（TL）測定，其最新一次活動時間為距今（24.52±1.77）×104年①。

圖5 遂址區(qū)斷層石英形貌類型分布直方圖及掃描圖

另在團(tuán)牛坪，二郎山東支斷裂發(fā)生在中志留統(tǒng)羅惹坪組中，破碎帶寬約20～30 m，斷層帶中主要為構(gòu)造角礫巖，SEM 法鑒 定 結(jié) 果［4－10］顯 示：樣 品 中貝殼狀石英占百分之3.6%，次貝殼狀石英占10.7%；桔皮狀石英占50%；鱗片狀、苔蘚狀石英占10.7%；鐘乳狀、蟲蛀狀石英占21.4%；窩穴狀、珊瑚狀石英占3.6%（圖5）。ESR年齡［11－13］為（15.1±1.0）×104年，說明不具活動性。

上述特征說明東支斷層主要活動時期為早更新世至中更新世之間，晚更新世以來活動不明顯。

2.2.2 二郎山中支斷裂（F3－2）構(gòu)造特征及活動性

二郎山中支斷裂走向NNE，向NW 陡傾斜。上盤元古代花崗巖及奧陶系、志留系仰沖于下盤泥盆系及上三疊統(tǒng)須家河組之上。斷層變形不強(qiáng)烈，兩側(cè)巖石破碎不明顯，僅僅表現(xiàn)為構(gòu)造透鏡體及密集節(jié)理帶，帶中充填石英脈或長英質(zhì)脈，后者進(jìn)一步變形為無根褶皺。

該斷層破碎帶中所采集斷層泥經(jīng)ESR 法測年［11－13］，年齡為（16.1±1.0）×104年，結(jié)合構(gòu)造巖固結(jié)良好且無新構(gòu)造地貌發(fā)育，說明二郎山中支斷裂無新活動性。中國地震局也曾用TL 法測定其最新一次活動時間為距今（18.22±1.35）×104年①，也與上述結(jié)論吻合。

2.2.3 二郎山西支斷裂（F3－3）構(gòu)造特征及活動性

二郎山西支斷裂為二郎山斷裂帶的主斷層，走向NNE－SN，總體向西傾斜，上盤晉寧－澄江期花崗巖及震旦系蘇雄組中酸性火山巖仰沖于下盤泥盆系及上三疊統(tǒng)須家河組地層。斷裂帶中主要發(fā)育破劈理帶、構(gòu)造透鏡體帶，構(gòu)造巖以構(gòu)造角礫巖為主，碎斑巖－碎粉巖少見，不發(fā)育斷層泥。

二郎山斷裂帶次級斷層中所取樣品石英碎屑形貌中，無貝殼狀及次貝殼狀石英出現(xiàn)；桔皮狀石英占76.0%；鱗片狀、苔蘚狀石英占4.0%；鐘乳狀、蟲蛀狀石英占21.0%（圖5）。說明其活動性在上新世－早更新世，晚更新世以來不具活動性［4－10］。同時ESR年齡為（15.49±1.13）×104年，也說明不是活動斷層［11－13］。

2.3 瀘定斷裂帶（F4）構(gòu)造特征及活動性

瀘定斷裂為大渡河斷裂的組成部分，在隧道出口附近通過。斷裂帶發(fā)育于元古代變質(zhì)結(jié)晶基底之中，寬約500～1 000m，實(shí)地調(diào)查和分析研究，瀘定斷裂帶是一套不同成分、不同類型、不同變形強(qiáng)度，具有強(qiáng)烈定向組構(gòu)的糜棱巖系列斷層巖，它們當(dāng)初是在地殼較深處高溫高壓環(huán)境中，原巖經(jīng)強(qiáng)烈韌性變形而形成［14］。因而，整個瀘定斷裂帶實(shí)際上是一條韌性剪切帶，故將其命名為“瀘定韌性剪切帶”。剪切帶東、西邊緣可見后期規(guī)模不大的脆性破裂疊加變形（帶），反映出不同性質(zhì)多期活動的特點(diǎn)。

在隧道出口的堡子上附近，由于第四系洪積物覆蓋嚴(yán)重，斷層未在地表出露。為確定該處斷層特征，在此處進(jìn)行了斷層地氣測量，測量結(jié)果反映出2處明顯的異常：異常1共有25項(xiàng)元素出現(xiàn)峰值，占分析元素的71%；異常2共有24項(xiàng)元素出現(xiàn)峰值，占分析元素的69%，均以單鋸齒狀峰值異常為特征，表現(xiàn)出良好的異常與構(gòu)造的對應(yīng)性［1－3］。（圖6）

經(jīng)綜合分析認(rèn)為該斷裂不具活動性，具體表現(xiàn)在：①錯斷地貌標(biāo)志不發(fā)育，呈明顯的順向河谷，剪切帶通過處不存在差異性活動；同時，通過地氣測量剖面（圖6）分析發(fā)現(xiàn)：在沒有明顯地貌標(biāo)志處，斷層僅切割了前第四系基巖并未切割第四系堆積物［15］；②無強(qiáng)地震活動，因?yàn)o定韌性剪切帶主要為韌性（蠕滑）變形，不能夠誘發(fā)破壞性地震；③無地?zé)峄顒?；④韌性剪切帶通過處，階地和第四系堆積物中未見變形現(xiàn)象；⑤疊加于韌性剪切帶中的小型脆性斷層或擠壓破碎帶石英形貌及測年均顯示其無明顯活動。

2.4 其它斷裂構(gòu)造特征及活動性

隧址區(qū)除上述幾條重點(diǎn)研究的區(qū)域性大斷裂外，還有一系列小規(guī)模斷層（表2）。由于這些斷層規(guī)模均較小、層次淺，無活動構(gòu)造地貌特征，無地?zé)岙惓?，也不可能誘發(fā)地震，因此這里僅將相對重要的斷裂做簡要介紹：位于隧洞進(jìn)口地段的新溝斷裂，第四紀(jì)沖洪積覆蓋未見斷層面出露，由于地層不連續(xù)（D2y／T3x），產(chǎn)狀不協(xié)調(diào)，因此在該地段布置斷層氣測量，存在明顯的2 處異常，說明斷層確實(shí)存在（圖6）；根據(jù)斷層切割關(guān)系表明門坎河斷裂是相對年輕的斷裂［16－17］，所以研究該斷裂的活動性顯得較為重要：我們在該斷裂不同段上采了SEM 樣品，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室掃描分析，發(fā)現(xiàn)主要為鐘乳狀、桔皮狀石英（圖5），因此可以大致判斷斷裂活動時間在上新世－早更新世，晚更新世以來不具活動性。

3 隧址區(qū)斷裂對工程的影響

隧址區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，根據(jù)地質(zhì)、地貌特征、構(gòu)造巖性狀、地震活動、斷層帶石英碎屑形貌類型及同位素測年等綜合資料表明［18－19］：隧址區(qū)斷裂最新活動年代為早－中更新世，晚更新世以來不具活動性或活動性微弱，對工程影響不大。但仍需注意區(qū)內(nèi)的幾條擠壓破碎帶（圖4、表2）可能會對工程產(chǎn)生影響。由于隧道施工對巖石強(qiáng)度要求較高，而擠壓破碎帶往往發(fā)育在巖性較軟的巖層中，且?guī)r層變形非常嚴(yán)重，劈理發(fā)育，巖石十分破碎，因此在隧洞通過擠壓破碎帶時對施工會有不利影響，在施工時必須采取有效措施保證施工安全和隧洞質(zhì)量。

圖6 斷層氣測量剖面

4 結(jié)論

對二郞山隧道隧址區(qū)內(nèi)斷裂的野外調(diào)查、ESR測年、石英形貌掃描、地氣測量及區(qū)域地震資料等綜合分析表明：

（1）通過對隱覆斷層的地氣測量，顯示明顯的元素異常，能夠顯著地反映出隱覆斷裂的位置。

（2）通過幾種測年方法綜合分析得出結(jié)論：區(qū)內(nèi)主要斷裂最新活動年代為早－中更新世，晚更新世以來不具活動性或活動性微弱，對工程影響不大。

（3）區(qū)內(nèi)的擠壓破碎斷層往往巖性強(qiáng)度較軟、變形強(qiáng)度極高且發(fā)育有密集的劈理帶，巖體性狀差，對工程將造成較大的危害，建議施工設(shè)法避開或采取相應(yīng)措施穩(wěn)固巖體。

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