姚 路 馬勝利 王 羽 何宏林陳建業(yè) 楊曉松 嶋本利彥

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100029 2)中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海光源，上海 201800 3)中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100029

汶川地震斷層巖的鏡質(zhì)體反射率
——對斷層同震摩擦滑動性質(zhì)的約束

姚 路1)馬勝利1)王 羽2)何宏林3)陳建業(yè)1)楊曉松1)嶋本利彥1)

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100029 2)中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海光源，上海 201800 3)中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100029

地震斷層滑移過程中的摩擦升溫能夠指示斷層的動態(tài)摩擦性質(zhì)，為我們認(rèn)識地震的動力學(xué)過程及能量分配提供一種途徑； 斷層帶摩擦生熱的殘留標(biāo)志也能作為識別地震活動的依據(jù)。鏡質(zhì)體反射率是煤和石油天然氣領(lǐng)域廣泛使用的地質(zhì)溫度計，在斷層巖和斷層力學(xué)研究中也具有潛在的應(yīng)用價值。文中對采自汶川地震斷裂帶的多種斷層巖樣品開展了鏡質(zhì)體反射率研究，揭示了斷層活動對斷層巖鏡質(zhì)體反射率的影響； 從斷層角礫帶向斷層核部，鏡質(zhì)體反射率呈現(xiàn)出增大的趨勢，指示著地震過程中斷層的摩擦生熱過程。八角廟露頭樣品的鏡質(zhì)體反射率明顯高于深溪溝露頭，可能暗示著2個露頭上斷層活動性質(zhì)的差異。研究還表明，對斷層剖面的鏡質(zhì)體反射率開展系統(tǒng)性研究有助于識別以往地震的滑動帶以及限定滑動帶的寬度。對深溪溝露頭上斷層滑動面樣品開展的測試表明，2條寬度約2mm的局部黑色滑動帶內(nèi)存在鏡質(zhì)體反射率的異常高值； 數(shù)值計算表明汶川地震過程中該露頭附近斷層滑動面上的宏觀摩擦升溫可能<162℃，同震階段的動態(tài)摩擦系數(shù)較低，這些估計與高速摩擦實(shí)驗的結(jié)果總體上是一致的。

汶川地震斷裂帶 斷層巖 鏡質(zhì)體反射率 動態(tài)摩擦強(qiáng)度 摩擦升溫

0 引言

評估斷層同震滑動過程中的摩擦升溫效應(yīng)具有非常重要的科學(xué)意義。一方面，斷層面上的摩擦升溫可用于估算斷層動態(tài)滑動摩擦強(qiáng)度和摩擦力做功，有助于認(rèn)識地震的動力學(xué)過程以及能量分配(Kanamorietal.，2004)。另一方面，摩擦升溫在斷層動態(tài)弱化中起到了決定性的作用(Yaoetal.，2016a，b)，認(rèn)識斷層動態(tài)弱化機(jī)制需要了解其同震摩擦升溫情況。此外，斷層帶內(nèi)是否存在顯著摩擦生熱的殘留標(biāo)志也能夠?qū)鄬拥幕顒臃绞骄烤故堑卣疬€是緩慢蠕滑給出可能的指示(Fukuchietal.，2005)。因此，近年來的震后斷層快速鉆探均將溫度測量作為主要的研究內(nèi)容之一(Lietal.，2013; Fultonetal.，2013)。除了高投入的鉆探項目中的溫度測量外，斷層巖樣品的一些物理化學(xué)性質(zhì)，如黏土礦物含量、 微量元素濃度、 磁化率、 無機(jī)碳含量、 可萃取有機(jī)質(zhì)、 碳質(zhì)組分拉曼光譜、 鏡質(zhì)體反射率等(Mishimaetal.，2006; Hironoetal.，2007，2009; Ikeharaetal.，2007; Polissaretal.，2011; Sakaguchietal.，2011； Yangetal.，2012; Chenetal.，2013a)也能夠間接地對斷層帶的摩擦升溫效應(yīng)給出相應(yīng)的估計。其中，對斷層巖鏡質(zhì)體反射率的研究近年來逐漸受到了重視(Sakaguchietal.，2011; Kitamuraetal.，2012)。

鏡質(zhì)體、 殼質(zhì)體和惰質(zhì)體是煤與干酪根等有機(jī)質(zhì)主要包含的3類顯微組分，三者在成因、 光學(xué)性質(zhì)和化學(xué)組成上存在顯著的不同； 其中，鏡質(zhì)體主要是高等植物的根、 莖、 葉的木質(zhì)組織等經(jīng)歷腐殖化和凝膠化作用形成的(韓德馨等，1996; Killopsetal.，2009)。鏡質(zhì)體反射率是指在波長(546±5)nm(綠光)處，鏡質(zhì)體拋光面的反射光強(qiáng)度對垂直入射光強(qiáng)度的百分比(見相關(guān)國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 6948，SY/T 5124，ASTM D2798)。鏡質(zhì)體反射率隨著有機(jī)質(zhì)的成熟度及所經(jīng)歷溫度的增加而增大，而且這一過程具有不可逆性； 因此，鏡質(zhì)體反射率在評價煤階、 有機(jī)巖的成熟度，探討沉積盆地的溫度演化方面均具有重要的應(yīng)用(Waples，1980; Tissotetal.，1987; 郝芳等，1988; 韓德馨等，1996; 趙孟為等，1996; Killopsetal.，2009)。對于斷層帶樣品的鏡質(zhì)體反射率研究而言，一些學(xué)者先后在斷層帶局部剪切帶內(nèi)揭示出鏡質(zhì)體反射率增大的現(xiàn)象，并將這種現(xiàn)象歸因于地震斷層作用帶來的摩擦生熱效應(yīng)(Bustin，1983; O’Haraetal.，1990; Sakaguchietal.，2007，2011)。

汶川地震出露地表的斷層帶大多沿炭質(zhì)泥巖發(fā)育，多個露頭上均出現(xiàn)碳含量較高的黑色斷層巖(王萍等，2009)。在地表破裂帶東南段穿過的三疊紀(jì)、 石炭紀(jì)地層中，部分?jǐn)鄬訋r的有機(jī)碳含量較高(Togoetal.，2011; Wangetal.，2014a; 張雷等，2014)，可能含有大量的鏡質(zhì)體。本文對龍門山斷裂帶代表性斷層巖樣品的鏡質(zhì)體反射率開展了測試工作，從不同尺度對斷層巖鏡質(zhì)體反射率及其空間分布進(jìn)行了研究，并結(jié)合測試數(shù)據(jù)，對斷層同震摩擦升溫和動態(tài)滑動摩擦強(qiáng)度進(jìn)行估計。

1 斷層帶結(jié)構(gòu)和樣品的選擇

2008年5月12日發(fā)生的MW7.9汶川地震在映秀-北川斷裂和灌縣-江油斷裂上分別產(chǎn)生了長度約240km和超過70km的地表破裂帶(徐錫偉等，2008)。沿地表破裂帶由南向北，在虹口深溪溝、 虹口八角廟、 茶坪肖家橋、 擂鼓趙家溝、 平溪礦坪子均發(fā)現(xiàn)了較好的斷層帶露頭，發(fā)育一定厚度的斷層泥和一定寬度的斷層角礫巖(韓亮等，2010; Togoetal.，2011; Houetal.，2012; Chenetal.，2013a，b; Yaoetal.，2013a; Wangetal.，2014a，b)。由于鏡質(zhì)體主要源自高等植物的根、 莖、 葉等木質(zhì)組織，因此在泥盆紀(jì)以來的陸相沉積地層中比較普遍。從汶川地震地表破裂帶的分布來看，南段主要穿過相對年輕的地層，如虹口附近的地表破裂帶主要分布于三疊系須家河組的巖層中(Liu-Zengetal.，2010)，斷層巖具備開展鏡質(zhì)體反射率研究的條件。

圖1 斷層巖采樣位置示意圖Fig. 1 The schematic diagram of sampling locations of the fault rocks used in this study.a 5種斷層泥樣品的采樣地點(diǎn)： 深溪溝(SXG-1，SXG-2)、 八角廟(BJM-1，BJM-2)及北川(BC-1)，地表破裂引自徐錫偉等，2008; b 深溪溝露頭上斷層巖的分布與采樣位置(據(jù)Liu-Zeng et al.，2010； Wang et al.，2014a)

本文在斷層巖樣品的選用上考慮如下3個方面： 1)在汶川地震斷層帶不同露頭上選擇代表性的斷層泥樣品，探討斷層泥的鏡質(zhì)體反射率是否與斷層的活動性存在一定的關(guān)聯(lián)。為此，所選用的樣品不局限于汶川地震滑動帶附近的斷層泥，也包括露頭上的老斷層泥，以便考慮以往的斷層活動。2)選擇1個代表性的斷層帶露頭，系統(tǒng)地測量斷層巖樣品的鏡質(zhì)體反射率及其在露頭尺度上的空間分布，探討斷層的同震摩擦滑動是否會顯著影響斷層巖的鏡質(zhì)體反射率。3)在同震滑動帶附近和緊鄰滑動帶定向標(biāo)本的尺度上，探討鏡質(zhì)體反射率及其空間分布與斷層的同震摩擦滑動是否存在緊密聯(lián)系。為此，我們從深溪溝、 八角廟和北川露頭上共選擇了5種黑色或深灰色的斷層泥樣品(圖1a)，在深溪溝露頭上選擇了多個部位的斷層角礫、 斷層泥樣品和1塊緊鄰滑動帶的定向樣品。

圖1b展示了深溪溝露頭上斷層巖的分布，該露頭在汶川地震中具有較大的位移，在破裂帶橫穿過的一處水泥路面附近，最大垂直和水平位移分別達(dá)到2.8m和4.8m(何宏林等，2008； 圖1b中A點(diǎn)附近)。前人在該處開挖了1個探槽，并進(jìn)行過系統(tǒng)性的采樣(何宏林等，2008)。下文所用的黑色斷層泥(A1，A2)、 灰色斷層泥(A3)和緊鄰滑動帶的定向樣品均采自探槽。點(diǎn)A東北約100m處，同震斷層分成4個小分支，垂直位移(NW盤上升)分別為1.5m、 約0.2m、 1.2m和約0.2m(Liu-Zengetal.，2010)，出露的斷層巖包括黑色角礫巖(B1)、 灰黑色角礫巖(B2)和深灰色角礫巖(B3)。沿西北支流，左岸出現(xiàn)大量連續(xù)的斷層角礫巖帶與斷層泥帶(圖1b中的點(diǎn)C，D，E)。其中，點(diǎn)C處發(fā)育寬約10m的黑色角礫(C1)和寬約1m的黑色斷層泥(C2)。點(diǎn)D附近發(fā)育斷層角礫(D1)，局部存在數(shù)cm厚的斷層泥層(D2)。點(diǎn)E出露灰黑色的斷層角礫(E1)?？傮w而言，汶川地震斷層帶在深溪溝露頭附近寬250～300m(Wangetal.，2014a)。

圖2a，b是深溪溝處斷層探槽東北壁的照片及素描圖。斷層的上盤(西北盤)在汶川地震中俯沖至礫巖和第四紀(jì)沉積物之上。從上盤來看，斷層核部包含深灰色斷層泥、 黑色斷層泥和淺灰色斷層泥，其中黑色斷層泥的分布不規(guī)則，在有些部位連續(xù)展布，有些部位則零星分布。整個斷層核部平均厚度約為40cm。核部西北方向為灰黑色的細(xì)粒和粗粒斷層角礫巖，斷層巖上方覆蓋有厚3～4m的礫巖和第四紀(jì)沉積物。圖2c所示為斷層帶近距離放大照片(對應(yīng)于圖2a中方框內(nèi)的部位)，可見淺灰色、 深灰色斷層泥及條帶狀分布的黑色斷層泥。我們在不同的單元取了7個樣品用作鏡質(zhì)體反射率的測量(圖中藍(lán)色圓圈，S1—S7)，以便獲得對斷層帶鏡質(zhì)體反射率在m—dm尺度上的認(rèn)識。圖2d展示了包含同震滑動帶的定向樣品(對應(yīng)于圖2c右側(cè)虛線圈內(nèi)的部位)，可見緊鄰滑動面的部位存在強(qiáng)烈的剪切變形，按顏色至少可以劃分出淺灰色、 深灰色、 淺黑色、 黑色等若干單元，深色的條帶連續(xù)展布，大致與同震斷層面平行。我們沿著垂直斷層面的方向，制備了1塊長約10cm，寬約3cm的樣品(圖2d中的橙色虛線框)，用作鏡質(zhì)體反射率的精細(xì)測試。

圖2 深溪溝探槽中揭示的斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)及斷層巖Fig. 2 The internal structure and fault rocks of the Longmenshan fault zone in a trench at Shenxigou.a，b 斷層帶照片及其素描圖； c 斷層帶局部放大照片(對應(yīng)于a中方框部位)及斷層巖取樣位置(藍(lán)色圓點(diǎn)，樣品S1—S7)； d包含汶川地震滑動帶的定向樣品及其結(jié)構(gòu)(右側(cè)為滑動面)

2 斷層巖的鏡質(zhì)體反射率

圖3 龍門山斷裂帶八角廟、 深溪溝和北川斷層露頭斷層泥樣品的鏡質(zhì)體隨機(jī)反射率Fig. 3 The random vitrinite reflectance of fault gouges collected from the Longmenshan fault zone at Bajiaomiao，Shenxigou and Beichuan outcrops.

本文中斷層巖樣品鏡質(zhì)體反射率的測試在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)材料科學(xué)與工程學(xué)院顯微實(shí)驗室進(jìn)行，所用設(shè)備為由萊卡Orthoplan型偏光顯微鏡和MPV-3顯微光度計組成的測試系統(tǒng)。油浸液和反射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的使用、 待測樣品的制備方法、 反射率的測試流程均嚴(yán)格參照國家標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5124-2012《沉積巖中鏡質(zhì)體反射率測定方法》。由于我們并不關(guān)注斷層巖中鏡質(zhì)體顆粒反射率在不同方向上的差異，因此只測量了隨機(jī)反射率(無起偏器情況下不旋轉(zhuǎn)載物臺所測得的反射率)，下文提到的鏡質(zhì)體反射率均為隨機(jī)反射率。

2.1 不同斷層露頭上斷層泥樣品的鏡質(zhì)體反射率

本節(jié)測試所用的5種灰黑—黑色斷層泥分別來自深溪溝、 八角廟和北川斷層露頭(圖1a)。其中，同震斷層在深溪溝和八角廟附近穿過三疊系須家河組，在北川附近穿過寒武系。由于地層較老，這里用作對比的北川灰黑色斷層泥中理應(yīng)不含有鏡質(zhì)體。5種斷層泥的測試結(jié)果如圖3，北川灰黑色斷層泥如預(yù)計的那樣不含鏡質(zhì)體，深溪溝黑色和灰黑色斷層泥的鏡質(zhì)體反射率平均值(含標(biāo)準(zhǔn)差)分別為(1.48±0.21)%和(1.18±0.14)%，而八角廟露頭上2種黑色斷層泥的鏡質(zhì)體反射率非常高。特別是采自須家河組與彭灌雜巖邊界附近的1個巨厚斷層泥層(厚約4m)中的黑色斷層泥，其所含鏡質(zhì)體的反射率平均值高達(dá)(3.49±0.43)%； 另一種斷層泥的鏡質(zhì)體反射率也高達(dá)(2.92±0.22)%。

2.2 深溪溝斷層角礫和斷層泥的鏡質(zhì)體反射率

對深溪溝露頭斷層巖樣品的鏡質(zhì)體反射率測試包括整個露頭尺度、 探槽尺度和滑動帶尺度，分別代表了百m、 m和cm—mm尺度。圖4a展示了深溪溝露頭上A、 B、 C、 D、 E 5個位置上(點(diǎn)位見圖1b)共計11種斷層巖樣品的鏡質(zhì)體隨機(jī)反射率值。其中，斷層泥用菱形表示，斷層角礫用方塊表示，不同的顏色代表了不同的點(diǎn)位。各采樣點(diǎn)離汶川地震深溪溝主滑動面(即圖1 下部主破裂帶穿過處)的垂直距離標(biāo)注在圖中，同一點(diǎn)位上的多個樣品由近及遠(yuǎn)依次從左至右繪在圖中。這11種斷層巖樣品除了A3為灰色之外，均呈現(xiàn)為灰黑或黑色。由圖可見，在遠(yuǎn)離同震滑動帶的C，D，E處，斷層泥和角礫的鏡質(zhì)體反射率比較均一，介于(0.98±0.17)%～(1.16±0.22)%。B處雖然離同震主滑動帶約10m，但3種樣品的鏡質(zhì)體反射率卻存在略有升高的趨勢。在A處，2種黑色斷層泥的鏡質(zhì)體反射率分別為(1.98±0.25)%和(1.48±0.21)%，另一種灰色斷層泥的鏡質(zhì)體反射率相對較小，約為(1.18±0.14)%。

圖4 龍門山斷裂帶深溪溝露頭斷層泥和斷層角礫的鏡質(zhì)體隨機(jī)反射率及其空間分布Fig. 4 The random vitrinite reflectance and its spatial distribution of fault gouge and breccia samples collected from the Longmenshan fault zone at Shenxigou outcrop.

圖4b所示為深溪溝探槽內(nèi)7個位置上斷層泥樣品的鏡質(zhì)體隨機(jī)反射率(采樣點(diǎn)位見圖2c中的S1—S7)，這些樣品距汶川地震同震滑動面的大概距離標(biāo)注在圖中?？梢娍拷鸹瑒用鏄悠返溺R質(zhì)體反射率的空間分布呈現(xiàn)出復(fù)雜性。離汶川地震主滑動面2～5cm的S1和S2深灰色斷層泥樣品，其鏡質(zhì)體反射率約為(1.30±0.14)%～(1.41±0.13)%； 稍遠(yuǎn)的S3和S5灰色斷層泥反射率相對較低，僅為(0.92±0.16)%和(0.91±0.10)%； S4黑色斷層泥具有最高的反射率，約為(1.77±0.14)%； 離滑動面50～70cm的S6和S7黑色斷層泥反射率約為(1.31±0.20)%和(1.23±0.20)%。

2.3 深溪溝含滑動帶樣品的鏡質(zhì)體反射率

考慮到圖4b中探槽樣品鏡質(zhì)體反射率的復(fù)雜性，我們決定對滑動帶附近的區(qū)域開展更精細(xì)的分析測試。圖5a中的照片展示的是深溪溝探槽中采集的1塊包含汶川地震同震滑動帶的定向樣品(圖2d中虛線框內(nèi)的部分)。根據(jù)斷層泥顏色和剪切結(jié)構(gòu)的差異，我們將該定向樣品分成11個小變形單元，分別測量每個單元的鏡質(zhì)體反射率。需要說明的是，圖5a所示的照片只是使用平面磨床粗磨之后的狀態(tài)，最終測試的樣品經(jīng)過了精細(xì)的拋光，符合鏡質(zhì)體反射率測試的要求； 只是由于拋光之后各變形單元顏色和結(jié)構(gòu)的界限變得不太明顯，為方便顯示這里仍使用粗磨后的照片。在測量過程中，對于鏡質(zhì)體較少的單元，我們盡可能地對每個可測點(diǎn)進(jìn)行逐一測量； 對鏡質(zhì)體較豐富的單元，我們沿測線按照適當(dāng)?shù)拈g距對可測點(diǎn)進(jìn)行測量； 整個樣品共計完成576個鏡質(zhì)體測點(diǎn)的測量。

圖5b展示了各單元內(nèi)鏡質(zhì)體測點(diǎn)的隨機(jī)反射率與對應(yīng)單元中心位置(離開滑動面的距離)的關(guān)系圖。可見在離開滑動面約2cm以外的區(qū)域，各單元內(nèi)的鏡質(zhì)體反射率總體變化不大，顏色偏黑的單元3、 9、 11內(nèi)數(shù)值略大； 但在緊鄰滑動帶的單元1內(nèi)，出現(xiàn)了異常高值，多個測點(diǎn)的反射率數(shù)值超過了2.0%，最大值甚至接近3.0%。在測試過程中，我們發(fā)現(xiàn)單元1內(nèi)鏡質(zhì)體反射率的異常高值主要集中在2條黑色細(xì)條帶內(nèi)(圖5a中黃色箭頭所示的部位)，該黑色帶內(nèi)鏡質(zhì)體測點(diǎn)的反射率均 >1.5% ，明顯高于周邊部位。

圖5 深溪溝含同震滑動帶的定向樣品的鏡質(zhì)體隨機(jī)反射率及其空間分布Fig. 5 The random vitrinite reflectance and its spatial distribution of an oriented sample containing coseismic slip zone of the Wenchuan earthquake collected from the Longmenshan fault zone at Shenxigou outcrop.

3 討論

3.1 斷層巖鏡質(zhì)體反射率對斷層活動性的指示意義

圖3 揭示了八角廟露頭代表性斷層泥樣品具有非常高的鏡質(zhì)體反射率，遠(yuǎn)高于與之相距僅數(shù)千米的深溪溝露頭的斷層泥樣品。由于該圖中反射率測試所用的黑色斷層泥并不是采自汶川地震的同震斷層面附近，因此與汶川地震斷層的摩擦滑動是不相關(guān)的，反映的是斷層帶過去的熱歷史。圖3 中的結(jié)果暗示著在過去的地震事件中，八角廟附近可能具有更強(qiáng)烈的斷層作用。這一推斷與斷層帶結(jié)構(gòu)及斷層巖分析取得的認(rèn)識是一致的。在深溪溝至八角廟一帶，斷層帶大概沿著下三疊統(tǒng)須家河組和彭灌雜巖的邊界分布，但2個露頭上的斷層結(jié)構(gòu)和斷層巖分布存在一些差異。深溪溝附近只出露了斷層泥和斷層角礫(Wangetal.，2014a)，而八角廟附近除了出露斷層泥和斷層角礫外，還出現(xiàn)了碎裂巖(Wangetal.，2014b)。作為深部斷層巖的代表，碎裂巖的出露暗示著龍門山斷裂帶在八角廟處比深溪溝處具有更大的抬升量?；谝陨险J(rèn)識，我們認(rèn)為對斷層不同段或不同部位斷層巖樣品開展鏡質(zhì)體反射率測試，可能會對斷層的活動性提供有價值的信息。只是限于鏡質(zhì)體的起源問題，該方法對于志留紀(jì)以前的巖層并不適用(如北川斷層泥樣品中未觀察到鏡質(zhì)體)。

在斷層露頭尺度上，斷層巖的鏡質(zhì)體反射率呈現(xiàn)出越靠近斷層面，數(shù)值越大的特點(diǎn)(圖4a)，反映了斷層活動的熱效應(yīng)對斷層巖鏡質(zhì)體反射率可能存在著重要影響。但是，在緊鄰斷層面1m的尺度內(nèi)，我們觀察到斷層巖的鏡質(zhì)體反射率與距離之間的關(guān)系比較復(fù)雜(圖4b)?？赡艿脑蚴敲看蔚卣鹗录耐鸹瑒訋Т嬖谝恍┢疲鶞y的局部高值可能是過去地震事件的斷層作用造成的。Sakaguchi等(2011)在對日本Nankai海溝鉆探巖心樣品的研究中，曾用鏡質(zhì)體反射率來識別地震滑動帶。由于工作量的限制，本文并未對圖2c中長約1m的斷層泥樣品進(jìn)行密集的連續(xù)取樣測試，盡管如此，圖4b的結(jié)果仍預(yù)示著可能存在多個鏡質(zhì)體反射率高值帶，分別對應(yīng)著過去地震事件中可能的滑動帶。因此，對于成熟斷層帶，如果對橫跨斷層面的斷層巖樣品進(jìn)行精細(xì)的鏡質(zhì)體反射率測試，就有可能識別過去所有的地震滑動帶，甚至對地震事件的個數(shù)也能做出估計。從這個意義上講，斷層巖的鏡質(zhì)體反射率確實(shí)能夠作為指示地震事件的重要地質(zhì)指標(biāo)，對于探討地震活動性具有重要的應(yīng)用價值。

3.2 對同震滑動帶寬度的啟示

按照斷層帶結(jié)構(gòu)描述的一般準(zhǔn)則，考慮到剪切結(jié)構(gòu)方向性和連續(xù)性(參見圖2d)，圖5a中的單元1—5被認(rèn)為是同震滑動帶，總寬度5～6cm。但圖5b中各變形單元鏡質(zhì)體反射率的離散特征似乎對這種認(rèn)識提出了疑問。各單元內(nèi)鏡質(zhì)體反射率的離散度在一定程度上指示了鏡質(zhì)體顆粒摩擦升溫的不均勻性，也暗示著剪切變形的不均勻性。實(shí)際上，僅憑肉眼我們就可以在多數(shù)變形單元內(nèi)分辨出更細(xì)的剪切條帶，特別是單元1內(nèi)存在2條明顯的黑色條帶(圖5a)。這2條黑色條帶具有較大的鏡質(zhì)體反射率值，造成單元1內(nèi)的反射率離散度較大。Lin(2011)曾報道過八角廟同震滑動面上存在由劇烈磨細(xì)和流體化作用產(chǎn)生的黑色超碎裂脈體，圖5a中黃色箭頭所示的黑色條帶很可能具有類似的成因，這或許也正是其具有較高鏡質(zhì)體反射率的原因。那么，無論單元1內(nèi)的黑色條帶代表著單條滑動帶，還是被擠入裂隙之中的滑動帶物質(zhì)，其鏡質(zhì)體反射率高值強(qiáng)烈局部化的事實(shí)是否暗示著真正的同震主滑動帶寬度遠(yuǎn)小于根據(jù)野外剪切結(jié)構(gòu)觀察劃定的寬度呢？

Sibson(2003)曾對地震斷層的滑動帶寬度問題做過總結(jié)，認(rèn)為在地表通常應(yīng)當(dāng)是mm—cm量級，向地下深部延伸有逐漸減小的趨勢。對汶川地震多個斷層帶露頭結(jié)構(gòu)的直觀描述也揭示了同震滑動帶的寬度大約是幾cm(Chenetal.，2013a; Yaoetal.，2013a)。但是，一些學(xué)者認(rèn)為真正容納高度剪切變形的只是名義上 “視”滑動帶中的一部分，其寬度可能只有數(shù)百μm(Rice，2006)。這種觀點(diǎn)在高速摩擦實(shí)驗樣品的微結(jié)構(gòu)觀察中能夠得到一些佐證。經(jīng)歷高速剪切變形的實(shí)驗樣品，一般在靠近旋轉(zhuǎn)端圍巖附近發(fā)育有寬度約數(shù)百μm的高度剪切變形帶，該帶內(nèi)部粒度顯著減小，一般呈現(xiàn)出滑動帶疊覆的特征； 然而，相對于數(shù)百μm的高度變形帶，單條滑動帶的寬度僅有幾μm至幾十μm(Yaoetal.，2013a，b)。同理可以推斷，野外斷層帶上真正容納同震滑動的主滑動帶的寬度也應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)小于依據(jù)宏觀剪切結(jié)構(gòu)劃分的視滑動帶寬度。根據(jù)圖5b的結(jié)果，我們認(rèn)為對斷層滑動面附近鏡質(zhì)體反射率空間分布的精細(xì)觀測能夠?qū)ν鹬骰瑒用娴膶挾冉o出更可靠的估計。

3.3 對同震摩擦生熱和動態(tài)摩擦強(qiáng)度的估計

考慮一維斷層模型，如果將斷層摩擦滑動等效為寬度為2w的滑動帶內(nèi)的剪切變形，那么距滑動帶中心x的位置在摩擦滑動開始后t時刻的溫度可以表示為(Lachenbruch，1986; Fultonetal.，2012)

(1)

式(1)對于x≤w(即滑動帶內(nèi))成立。 其中，A0是生熱率，ρ、c、α、t*分別為密度、 比熱、 熱擴(kuò)散系數(shù)和滑動持續(xù)時間； 生熱率A0可以表示為A0=τ×v/(2w)=τ×u/(2wt*)，這里τ為剪應(yīng)力，v為平均滑動速率，u為滑動位移；i2erfc(x)表示高斯誤差函數(shù)的2次累積分；H(t)為單位階躍函數(shù)。

目前，煤和石油研究領(lǐng)域中常用的鏡質(zhì)體反射率模型是基于平行反應(yīng)的變活化能計算模型(Sweeneyetal.，1990)：

(2)

式(2)中，R為鏡質(zhì)體反射率；F代表著反應(yīng)程度，可以由描述鏡質(zhì)體成熟過程的一系列平行反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)計算得到。然而，Kitamura等(2012)基于中高速摩擦實(shí)驗開展的相關(guān)研究表明，式(2)給出的長時間尺度內(nèi)鏡質(zhì)體成熟的動力學(xué)模型并不適用于斷層同震滑動中短時間內(nèi)急劇升溫的情況。比如對于給定的鏡質(zhì)體反射率增量，該模型將高估摩擦升溫的數(shù)值； 對于給定的摩擦升溫，該模型將低估鏡質(zhì)體反射率的增量。Kitamura等(2014)對高速摩擦樣品的鏡質(zhì)體反射率和計算得到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，給出了1個簡單的經(jīng)驗式：

(3)

式(3)中，ΔR表示鏡質(zhì)體反射率的增量，Tmax為鏡質(zhì)體顆粒所經(jīng)歷的最高溫度。 式(3)中忽略了時間依賴性，只針對類似于地震的快速摩擦升溫情況。該式并不嚴(yán)謹(jǐn)，比如Tmax在常溫時，ΔR就大約為0.2%； 但在快速摩擦升溫比較顯著時，該式能夠較好地描述實(shí)驗數(shù)據(jù)(Kitamuraetal.，2014)。

具體到本文中的深溪溝斷層露頭探槽處，取滑動位移u=5.3m(何宏林等，2008)，滑動持續(xù)時間t*≈ 10s(Zhangetal.，2009)，斷層泥密度ρ=2,160kg/m3，比熱c=800 J/(kg·K)，熱擴(kuò)散率α=6.5e-7m2/s(Chenetal.，2013b; Yaoetal.，2013b)?？紤]到圖5b中單元1內(nèi)的黑色條帶代表著斷層同震變形中局部化的1條滑動帶，其寬度近似為2mm(即2w=2mm)，其內(nèi)鏡質(zhì)體測點(diǎn)的反射率平均值為1.84%。考慮到單元1內(nèi)鏡質(zhì)體測點(diǎn)的反射率平均值為1.33%，我們假設(shè)同震摩擦滑動導(dǎo)致黑色滑動帶的鏡質(zhì)體反射率從1.33%增加到1.84%，即ΔR=0.51%。由式(3)可得，斷層同震摩擦升溫最大值約為162℃。對于同震動態(tài)摩擦系數(shù)的估算，斷層上的正應(yīng)力是1個不確定的量?？紤]到斷層的運(yùn)動是逆沖走滑，最大主應(yīng)力位于水平方向，因此淺表的正應(yīng)力不一定很低，如前人震后在映秀附近20m深度用壓磁應(yīng)力解除法測得的水平方向最大和最小主應(yīng)力為4.3MPa和2.7MPa(吳滿路等，2010)。根據(jù)式(1)和(3)，在正應(yīng)力分別取1.0MPa、 2.0MPa、 3.0MPa的情況下，估算得到的斷層同震動態(tài)摩擦系數(shù)分別約為0.36、 0.18和0.12。Wang等(2014a)曾報道過深溪溝探槽斷層泥樣品在不同正應(yīng)力下發(fā)生高速摩擦滑動的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)(<0.22)，本文上述計算中給出的數(shù)值與高速摩擦實(shí)驗的結(jié)果基本上吻合。

4 結(jié)論

本文對采自汶川地震斷層帶的多種斷層角礫和斷層泥樣品開展了鏡質(zhì)體反射率測試，取得的主要認(rèn)識如下：

在斷層露頭尺度，從斷層角礫帶往斷層核部，斷層巖的鏡質(zhì)體反射率呈現(xiàn)出增大的趨勢，反映了地震過程中斷層的摩擦生熱對斷層帶鏡質(zhì)體反射率的影響。不同露頭上斷層巖的鏡質(zhì)體反射率可能存在顯著的不同，如虹口八角廟的斷層巖的鏡質(zhì)體反射率明顯高于深溪溝露頭，反映了斷層在前者附近可能具有更強(qiáng)烈的活動。在斷層核部，鏡質(zhì)體反射率的空間變化比較復(fù)雜，可能代表著過去多次地震事件帶來的影響。因此，如果橫跨斷層帶開展系統(tǒng)性的鏡質(zhì)體反射率測試，就有可能識別出以往地震的滑動帶，對每次地震滑動帶的寬度也能給出更好的約束。在同震滑動帶明確的情況下，斷層巖的鏡質(zhì)體反射率能夠用于評估斷層的摩擦生熱和動態(tài)摩擦強(qiáng)度。以深溪溝露頭上包含滑動面的1塊樣品為例，計算表明汶川地震過程中該露頭附近的宏觀摩擦升溫可能<162℃，在正應(yīng)力分別被假定為1.0MPa、 2.0MPa和 3.0MPa的情況下，估算得到的斷層同震動態(tài)摩擦系數(shù)分別約為0.36、 0.18和0.12。

致謝 鏡質(zhì)體反射率的分析測試得到了中國地質(zhì)大學(xué)(北京)材料科學(xué)與工程學(xué)院顯微實(shí)驗室孫慶云老師的指導(dǎo)和幫助，中國地震局地質(zhì)研究所魏占玉、 石峰等提供了深溪溝探槽樣品，在此一并致謝。

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THE VITRINITE REFLECTANCE OF FAULT ROCKS FROM THE WENCHUAN EARTHQUAKE FAULT ZONE: CONSTRAINTS ON FRICTIONAL PROPERTIES OF THE FAULT DURING THE EARTHQUAKE

YAO Lu1)MA Sheng-li1)WANG Yu2)HE Hong-lin3)CHEN Jian-ye1)YANG Xiao-song1)SHIMAMOTO Toshihiko1)

1)StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China2)KeyLaboratoryofInterfacialPhysicsandTechnology，ShanghaiInstituteofAppliedPhysics，ChineseAcademyofSciences，Shanghai201800，China3)KeyLaboratoryofActiveTectonicsandVolcano，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China

The temperature rise caused by frictional heating during seismic slip is able to indicate dynamic frictional properties of the seismic fault，which provides an approach to understand the dynamic process and energy budget of an earthquake. The residual indicators of frictional heating within the fault zone also can be taken as an evidence for seismic events. The vitrinite reflectance is a commonly-used geothermometer in the coal，oil and gas industries. It also has some potential applications in the studies of fault rock and fault mechanics. We studied vitrinite reflectance (VR) of fault rocks collected from surface outcrops of the Wenchuan earthquake fault zone in this paper. The measured data reveal that the VR of fault rocks are affected by fault motion，and there is a trend that the VR increases towards the fault core，which indicates the effects of frictional heating. The VR of fault rocks from the Bajiaomiao outcrop is much higher than those from the Shenxigou outcrop，which probably suggests the difference in fault activity at the two outcrops. Our study also suggests that systematic measurement of VR across the fault zone is helpful in identifying slip zones and determining their widths. From the VR measurement on an oriented specimen containing the slip surface of the Wenchuan earthquake from the Shenxigou outcrop，we observed anomalous high VR values in two black-colored slip zones of about 2mm in width near the slip surface. The numerical calculation shows that the maximum temperature rise on the fault plane near Shenxigou was probably less than 162℃ during the Wenchuan earthquake，which means the dynamic fault strength was quite low. These estimations are roughly in accord with the results from the high-velocity frictional experiments.

the Wenchuan earthquake fault zone，fault rocks，vitrinite reflectance，dynamic frictional strength，frictional heating

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.04.002

2015-03-12收稿，2016-07-31改回。

中國地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(IGCEA1311)與地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室自主研究課題(LED2014A06)共同資助。

P315.2

A

0253-4967(2016)04-0817-13

姚路，男，1986年生，2013年在中國地震局地質(zhì)研究所獲固體地球物理學(xué)博士學(xué)位，助理研究員，主要研究方向為斷層力學(xué)及相關(guān)的構(gòu)造物理實(shí)驗，電話： 010-62009010，E-mail: yaolu_cug@163.com; luyao@ies.ac.cn。