何祥麗 李海兵 王煥 張蕾 孫知明 司家亮

1. 應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085 2. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，自然資源部深地動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037 3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣州 511458 4. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

根據(jù)美國地質(zhì)勘探局(USGS)統(tǒng)計(jì)，2000 年以來全球發(fā)生7級(jí)以上大地震有近300次，造成的人員傷亡達(dá)80 多萬(https://earthquake.usgs.gov/)。在地震和斷裂活動(dòng)關(guān)系的傳統(tǒng)認(rèn)知中，大部分地震都是由斷裂活動(dòng)引起的，且地殼中普遍發(fā)育的活動(dòng)斷層可分為粘滑斷層和蠕滑斷層(Reinen, 2000; Gratieretal., 2011, 2013b)。粘滑斷層表現(xiàn)為數(shù)十年到數(shù)百年不活動(dòng)后突然產(chǎn)生破裂發(fā)生大地震，蠕滑斷層則主要表現(xiàn)為長期連續(xù)且穩(wěn)定的緩慢滑動(dòng)(Harris, 2017)。大地震就是沿著斷裂傳播并釋放多年積累的應(yīng)變的突然滑移事件(Davison, 1901)，并且間震期內(nèi)，粘滑斷層主要是閉鎖狀態(tài)，而蠕滑斷層長期處于緩慢滑動(dòng)狀態(tài)，主要伴隨許多微震。另外，蠕滑變形還可分為兩種類型：第一種是永久的穩(wěn)態(tài)蠕滑，這與斷層巖的特性及其環(huán)境有關(guān)。在這種情況下，變形具有相當(dāng)恒定的應(yīng)變速率(Azzaroetal., 2001; Titusetal., 2006)；另一種蠕滑是在地震后幾個(gè)月到幾十年的時(shí)間段內(nèi)的變形，被認(rèn)為是震后余滑過程，發(fā)生在地震斷層以下的下地殼，或發(fā)生在斷層地震部分周圍的上地殼(Gaoetal., 2000; Barbotetal., 2009)。

根據(jù)傳統(tǒng)的地震斷裂認(rèn)知，非地震蠕滑變形可以明顯地釋放活動(dòng)斷裂帶的構(gòu)造應(yīng)力，減少大地震發(fā)生的可能性或降低地震的震級(jí)(Gratieretal., 2013b)，因此，蠕滑斷裂被認(rèn)為危險(xiǎn)性較小。但是，越來越多的證據(jù)表明蠕滑斷裂比傳統(tǒng)認(rèn)為的要復(fù)雜，最近的研究表明蠕滑斷層的壓力并不總能完全釋放，應(yīng)力值的逐漸增加也可能導(dǎo)致蠕滑部分發(fā)生地震破裂，造成重大危險(xiǎn)(Chen and Bürgmann, 2017; Harris, 2017)，從此可見蠕滑斷裂作用研究的重要性。目前，學(xué)者們已經(jīng)對(duì)全世界多個(gè)蠕滑斷層進(jìn)行研究，如中國海原斷裂(Jolivetetal., 2015)、鮮水河斷裂(Allenetal., 1991)、中國臺(tái)灣池上斷裂(Leeetal., 2003; Thomasetal., 2014)、日本Atotsugawa 斷裂(Ohzonoetal., 2011)、意大利Alto Tiberina低角度正斷層(Anderlinietal., 2016)、土耳其North Anatolian斷裂(Aslanetal., 2019)、菲律賓萊特島Philippine斷裂(Fukushimaetal., 2019)、厄瓜多爾Quito斷裂(Mariniereetal., 2020)以及美國著名的San Andreas斷層(Steinbrugge and Zacher, 1960; Titusetal., 2006; Richardetal., 2014)等。然而，他們?nèi)浠瑱C(jī)制尚不明確，即使是研究較為成熟的San Andreas斷層的蠕滑機(jī)制也存在爭議。蠕滑斷層和粘滑斷層截然不同的滑移方式形成的斷層巖的物質(zhì)組成和構(gòu)造變形特征無疑具有明顯的差別，斷裂滑移機(jī)制的信息總是蘊(yùn)藏在斷層巖物質(zhì)組成與內(nèi)部構(gòu)造中(Schleicheretal., 2010; Gratieretal., 2011; Holdsworthetal., 2011)，因此，對(duì)斷層巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造和礦物成分等進(jìn)行詳細(xì)研究是揭示斷裂蠕滑機(jī)制的有效途徑。

龍門山灌縣-安縣斷裂帶位于青藏高原東緣，與映秀-北川斷裂、汶川-茂縣斷裂構(gòu)成龍門山構(gòu)造帶(圖1)。2008 年Mw7.9(USGS)汶川大地震沿映秀-北川和灌縣-安縣斷裂產(chǎn)生約240～275km和50～80km 長的地表破裂帶(付碧宏等, 2008;李勇等, 2009; Heetal., 2010; Jiaetal., 2010)。據(jù)已有研究表明，映秀-北川斷裂帶內(nèi)發(fā)育多期假玄武玻璃，說明該斷裂曾多次發(fā)生大地震(Wangetal., 2015, 2019; Zhangetal., 2017)，而灌縣-安縣斷裂帶多發(fā)育褶皺彎曲陡坎和撓曲變形(冉勇康等, 2008; 陳立春等, 2009; 李海兵等, 2010)，且斷層巖特征表明其具有蠕滑性質(zhì)(Heetal., 2018)，但對(duì)其蠕滑機(jī)制只進(jìn)行了初步說明，尚沒有明確。汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程(WFSD)為此研究提供了完整的斷層巖樣品，創(chuàng)造了難得的機(jī)遇。本研究基于新的微觀結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)合之前的研究結(jié)果，將詳細(xì)分析龍門山灌縣-安縣斷裂帶巖石的巖屑分布、礦物組成和微觀構(gòu)造，目的是為了更進(jìn)一步了解斷裂帶蠕滑機(jī)制，且為將來更好地了解地震周期以及區(qū)域防震減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 青藏高原東緣龍門山汶川大地震構(gòu)造背景與WFSD 鉆孔位置圖(a)龍門山構(gòu)造地質(zhì)平面圖(據(jù)Li et al., 2014 修改)；(b)龍門山逆沖斷裂帶垂直剖面(據(jù)Hubbard and Shaw, 2009 ). F1-灌縣-安縣斷裂；F2-映秀-北川斷裂；F3-汶川-茂縣斷裂. Pc-前寒武系；Pz-古生界；T-三疊系；J-侏羅系；K-白堊系Fig.1 The tectonic background of Wenchuan earthquake and the locations of WFSD boreholes in the Longmen Shan, eastern Tibet Plateau(a) structural geological plan in the Longmen Shan (modified after Li et al., 2014); (b) vertical profile of Longmen Shan thrust fault zone (after Hubbard and Shaw, 2009). F1-Guanxian-Anxian fault zone; F2-Yingxiu-Beichuan fault zone; F3-Wenchuan-Maoxian fault zone. Pc-Precambrian；Pz-Paleozoic; T-Triassic；J-Jurassic；K-Cretaceous

1 地質(zhì)背景

龍門山地區(qū)位于青藏高原和四川盆地的過渡區(qū)域(圖1)，是高原強(qiáng)烈隆升和向外擴(kuò)展的最新位置(Tapponnieretal., 2001; Zhangetal., 2007)，同時(shí)也是我國大陸地震活動(dòng)和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分活躍的典型地區(qū)。龍門山構(gòu)造帶在中國南北地震帶中段，大約長500km，寬30～60km，由于處在特殊的地理構(gòu)造位置，且具有復(fù)雜的構(gòu)造變形與強(qiáng)烈的地震活動(dòng)，因此一直以來都是國際地球科學(xué)界廣泛關(guān)注的對(duì)象，尤其在2008 年5 月12 日汶川特大地震發(fā)生后，該地區(qū)更是成為研究的焦點(diǎn)之一(Xuetal., 2009; Wangetal., 2012; Yangetal., 2014; 李海兵等, 2018; 靳志同等, 2019)。

龍門山構(gòu)造帶具有復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和演化歷史，經(jīng)過地質(zhì)學(xué)家們多次的勘察和研究，普遍認(rèn)為龍門山斷裂帶由三條主干斷裂所組成，由西向東分別是汶川-茂縣斷裂、映秀-北川斷裂、灌縣-安縣斷裂，它們?cè)谕硇律詠矶季哂谢顒?dòng)跡象，且可能具有發(fā)生強(qiáng)烈地震的能力(許志琴, 2007; Burchfiel, 2008；徐錫偉, 2008; Zhangetal., 2010)。汶川-茂縣斷裂、映秀-北川斷裂、灌縣-安縣斷裂在垂直剖面上呈疊瓦狀展布，逆沖推覆方向均指向四川盆地，呈鏟狀構(gòu)造發(fā)育，直到地下約20多千米處匯聚成一條大剪切帶(許志琴等，2018)，它們所組成的龍門山構(gòu)造系控制著青藏高原與四川盆地的相互作用。

灌縣-安縣斷裂是三條主干斷裂中最東邊的一條，構(gòu)造形態(tài)上呈鏟狀，傾向北西方向，在約1250m深處傾角約38°，在地表傾角約為60°(Lietal., 2016)。灌縣-安縣斷裂主要發(fā)育在中生代地層中，是龍門山三疊紀(jì)地層與四川盆地侏羅紀(jì)地層的邊界，斷裂帶內(nèi)發(fā)育角礫巖和斷層泥。該斷裂晚更新世晚期以來的活動(dòng)構(gòu)造較為強(qiáng)烈(鄧起東等，1994)，不僅地貌上切割了河流谷坡，形成斷層崖、斷層溝槽及埡口等，還控制了晚第四紀(jì)地層的分布；晚更新世中期以來以純逆沖運(yùn)動(dòng)為特征，根據(jù)構(gòu)造地貌特征，估計(jì)其垂直滑動(dòng)速率約為0.2mm/y(馬保起等，2005)。

2008年Mw7.9汶川地震造成了多條同震逆沖地表破裂帶(圖1)，總體走向?yàn)镹E 10°～30°，主破裂帶沿龍門山斷裂帶的映秀-北川斷裂發(fā)育，長約275km，破裂帶具有逆沖兼右旋走滑性質(zhì)。次級(jí)破裂帶沿前山斷裂灌縣-安縣斷裂南段發(fā)育，長約80km，破裂帶基本為純逆沖性質(zhì)。另一條長約6km 呈 NW 走向、由 SW 向 NE 逆沖并兼有左旋滑動(dòng)的地表破裂帶(小魚洞破裂帶)連接映秀-北川破裂帶和灌縣-安縣破裂帶，成為側(cè)向斷坡。另外, 在灌縣-安縣斷裂東側(cè)的四川盆地內(nèi)，由都江堰的聚源到江油發(fā)育一條 NE 向的沙土液化帶，可能是四川盆地西部深部盲斷裂活動(dòng)的結(jié)果(李海兵等, 2008; Liu-Zengetal., 2009; Xuetal., 2009; Fuetal., 2011)。其中，灌縣-安縣破裂帶從南端都江堰 NW 約6km的紫坪鋪水庫北，向NE不連續(xù)分布至彭州市通濟(jì)場WS側(cè)，然后，從彭州市通濟(jì)場過白鹿鎮(zhèn)、什坊市八角鎮(zhèn)、綿竹市九龍鎮(zhèn)和漢旺鎮(zhèn)，至安縣睢水鎮(zhèn)南連續(xù)分布；主要由地表褶皺彎曲陡坎組成，最大垂直位錯(cuò)3.5～4.0m，破裂帶走向NE40°～70°，在一些地區(qū)可看見深部斷裂面向NW傾，傾角約30°～50°，相對(duì)于映秀-北川破裂帶要小。

為了認(rèn)識(shí)汶川地震斷裂作用和變形過程，地震后的178天(2008年11月6日)，由科技部、國土資源部和中國地震局聯(lián)合行動(dòng)組織快速實(shí)施了汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探計(jì)劃(WFSD)。沿兩條主要的汶川地震地表破裂帶布置六口科學(xué)鉆井(WFSD-1、WFSD-2、WFSD-3P、WFSD-3、WFSD-4和WFSD-4S)。這是世界上最快回應(yīng)大地震的科學(xué)鉆探，也是第一次研究陸內(nèi)大地震的科學(xué)鉆探。其中，WFSD-3P 和WFSD-3則位于灌縣-安縣斷裂附近(圖1)。

2 樣品采集與研究方法

2.1 樣品采集

本文巖屑分布統(tǒng)計(jì)樣品為WFSD-3P鉆孔463.11～469.04m 處具有代表性的斷層角礫巖和斷層泥巖芯。X射線粉末衍射(XRD)礦物分析樣品是采自WFSD-3P鉆孔巖芯中灌縣-安縣斷裂帶的斷層巖及其外部的圍巖，包括三疊紀(jì)須家河組灰色粉砂巖和侏羅紀(jì)棕紅色和灰綠色砂巖。33個(gè)XRD粉末分析的樣品位置如圖2所示，包括8個(gè)未蝕變的上盤圍巖和破碎帶巖石(主要為三疊紀(jì)砂巖)，23個(gè)斷層巖樣品(10個(gè)灰黑色斷層泥樣品，9個(gè)灰黑色斷層角礫巖樣品，2個(gè)棕紅色斷層泥巖樣品，2個(gè)棕紅色斷層角礫巖樣品)，2個(gè)下盤未蝕變侏羅紀(jì)圍巖(棕紅色和灰綠色砂巖)。斷層巖顯微構(gòu)造分析樣品分別采自WFSD-3P鉆孔巖芯以及其附近的九龍?zhí)讲?圖3)。

圖2 WFSD-3P鉆孔巖性柱狀圖和XRD礦物分析采樣位置Q-第四紀(jì)；T-三疊紀(jì)；J-侏羅紀(jì)Fig.2 Lithology chart along WFSD-3 cores and sampling locationsQ-Quaternary; T-Triassic; J-Jurassic

圖3 九龍?zhí)讲燮拭婕叭狱c(diǎn)TN-探槽北面；紅色粗線表示汶川地震地表破裂面位置；紅色箭頭指示斷裂運(yùn)動(dòng)方向；白色虛線指示黑色斷層泥與斷層角礫巖的大致分界線Fig.3 The Jiulong trench profile and sampling locationsTN-north of the trench; the thick red line represents the location of the surface rupture in Wenchuan earthquake; the red arrow indicates the direction of fault movement; the white dashed line indicates the approximate boundary between the black fault gouge and the fault breccia

2.2 研究方法

巖屑統(tǒng)計(jì)方法主要是通過對(duì)所選代表性巖芯進(jìn)行對(duì)半切制，對(duì)切至制平面進(jìn)行高分辨率圖像掃描，并通過Photoshop軟件對(duì)圖像進(jìn)行對(duì)比度處理，再通過人工視譯對(duì)四個(gè)粒徑范圍(<0.005m、0.005～0.01m、0.01～0.02m和>0.02m)的巖屑數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以10cm為單元進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后將統(tǒng)計(jì)結(jié)果隨深度變化呈現(xiàn)為曲線圖。礦物成分分析是將33個(gè)代表性樣品碾磨成粉末做礦物半定量分析，采用的方法是SY/T 5163—2010沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法，測試儀器為X射線衍射儀(D/max-rA)。該實(shí)驗(yàn)在北京北達(dá)燕園微構(gòu)分析測試中心有限公司完成。另外，選擇具有代表性的地表破裂帶和關(guān)鍵巖芯的斷層巖制成薄片以進(jìn)行顯微構(gòu)造觀測，主要通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡(SEM)對(duì)巖石的礦物組成、顆粒大小、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及相互關(guān)系等進(jìn)行研究，從而對(duì)巖石種類及其變形行為進(jìn)行分析判斷。結(jié)合能譜儀(SEM-ESD)可測定其化學(xué)成分，來探究斷層巖微構(gòu)造對(duì)斷裂滑移性質(zhì)和機(jī)制的指示意義。顯微構(gòu)造觀測在自然資源部深地動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 灌縣-安縣斷裂帶巖石組成

3.1 WFSD-3P鉆孔巖性組成

灌縣-安縣斷裂帶逆沖斷裂作用造成晚三疊世須家河組沉積巖(上盤)疊覆在侏羅紀(jì)地層(下盤)之上。WFSD-3P鉆孔位于灌縣-安縣斷裂帶上盤的晚三疊世須家河組中，深約551.5m(圖2)，其巖芯主要由晚三疊世須家河組沉積巖(包括灰色粉砂巖和砂巖)、侏羅紀(jì)沉積巖(紅棕色和灰綠色砂巖和粉砂巖)以及斷層巖(斷層泥和斷層角礫巖)組成，受圍巖影響，斷裂巖也具有黑灰色和紅棕色兩種色系，典型巖性的巖芯掃描照片如圖4所示。

3.2 斷層巖碎屑分布特征

斷層巖是圍巖在斷裂作用過程中發(fā)生物理、化學(xué)變化所形成的產(chǎn)物。灌縣-安縣斷裂帶的斷層巖類型主要是斷層泥和斷層角礫巖，它們均主要由圍巖巖屑與細(xì)?；|(zhì)組成，但二者比例不同，其中的巖屑數(shù)量和大小也存在差異。本研究通過對(duì)深度為463.11～469.04m的斷層泥和斷層角礫巖巖芯中的巖屑數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖5a)，結(jié)果顯示斷層泥段的巖屑顆粒數(shù)量明顯小于斷層角礫巖，斷層泥內(nèi)部碎屑顆粒數(shù)量也有所起伏，局部幾乎不見碎屑存在，顯示斷層泥中還存在次級(jí)高應(yīng)變帶。另外，還對(duì)斷層泥和斷層角礫巖中不同大小粒徑的巖屑數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖5b，c)，斷層泥中粒徑為<0.005m、0.005～0.01m、0.01～0.02m和>0.02m的巖屑數(shù)量分別占總數(shù)量的91.62%、6.44%、1.09%和0.85%，斷層角礫巖中四個(gè)粒徑范圍的巖屑數(shù)量百分比分別為80.65%、14.29%、3.65%和1.41%；結(jié)果明顯展示了斷層角礫巖中粒徑小于0.005m的巖屑數(shù)量是斷層泥的3倍多(圖5b)，但其所占百分比卻小于斷層泥，顯然，斷層角礫巖中粒徑大于0.005m的巖屑數(shù)量所占百分比高于斷層泥(圖5c)。

3.3 斷層巖礦物組成變化特征

根據(jù)WFSD-3P鉆孔巖芯中33個(gè)樣品XRD測試結(jié)果顯示灌縣-安縣斷裂帶圍巖、破碎帶未蝕變巖石、斷層角礫巖和斷層泥的礦物成分均可分為可溶解礦物和不溶解礦物?？扇苄缘V物包括石英、斜長石、微斜長石、碳酸鹽礦物等，不溶解礦物以黏土礦物為主(圖6)。從礦物含量變化趨勢(shì)可見上盤圍巖和破碎帶未蝕變巖石中的可溶解礦物含量明顯大于對(duì)應(yīng)斷裂核部斷層角礫巖和斷層泥，與粘土礦物含量變化趨勢(shì)恰好相反。斷裂核部中礦物含量變化趨勢(shì)也具有明顯規(guī)律，斷層角礫巖中可溶解礦物含量明顯高于斷層泥，而粘土礦物含量則小于斷層泥，這與上述斷層角礫巖中巖屑顆粒明顯多于斷層泥的現(xiàn)象吻合。斷層泥樣品的粘土礦物甚至可高達(dá)50%以上。然而，這種變化趨勢(shì)則未顯示在斷層下盤圍巖及其對(duì)應(yīng)斷層巖中。從圖6中還可看出只有侏羅紀(jì)圍巖及其演變成的斷層巖含有赤鐵礦。鐵白云石則幾乎只出現(xiàn)在上盤三疊紀(jì)砂巖或粉砂巖中，其中501.78m深的斷層角礫巖樣品也含有少量鐵白云石，這可能是由于斷層角礫巖中含有相應(yīng)圍巖碎塊。石鹽只存在與個(gè)別樣品中，可能與局部流體作用有關(guān)。特別的是，黑灰色斷層泥樣品的測試結(jié)果中未見方解石，局部含有少量菱鐵礦和白云石，而未蝕變砂巖中完全不含菱鐵礦。

圖6 WFSD-3P鉆孔代表性巖芯樣品的XRD礦物含量分析紅色折線表示粘土礦物(不溶礦物)和剛性礦物(可溶解礦物)含量變化趨勢(shì)；FG-斷層泥；FB-斷層角礫巖；RFG-紅色斷層泥；RFB-紅色斷層角礫巖Fig.6 XRD mineral content analysis of representative core samples in the WFSD-3P boreholeThe red line shows the content variation trend of clay minerals (insoluble minerals) and rigid minerals (soluble minerals). FG-fault gouge; FB-fault breccia; RFG-red fault gouge; RFB-red fault breccia

4 灌縣-安縣斷裂巖顯微構(gòu)造特征

本文綜合對(duì)九龍?zhí)讲酆蚖FSD-3P鉆孔的灌縣-安縣斷裂巖進(jìn)行顯微構(gòu)造分析。根據(jù)光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果顯示黑灰色斷層泥壓溶構(gòu)造明顯，主要表現(xiàn)為面理發(fā)育，面理在里德爾剪切體系中發(fā)生變形，形成似S-C組構(gòu)特征(圖7a, b, e)，且其中的巖屑隨剪切作用發(fā)生變形，長軸與面理方向一直，兩端呈拖尾構(gòu)造(圖7a，e)，有的碎屑甚至呈現(xiàn)揉皺現(xiàn)象(圖7b)，碎屑邊緣富集黑色含碳物質(zhì)(不溶解礦物)；基質(zhì)主要由定向排列的粘土礦物和細(xì)小巖屑或剛性礦物顆粒及黑色含碳物質(zhì)組成，所形成的面理隨剪切方向或圍繞大碎屑發(fā)生變形(圖7a，b，e)。微觀顯示黑灰色斷層角礫巖的砂巖碎屑顆粒明顯多于斷層泥，其粒度也要大得多，與宏觀現(xiàn)象一致，但變形程度則較弱，碎屑呈現(xiàn)出弱定向排列，只有碎屑邊緣發(fā)生溶解現(xiàn)象(圖7c，f)，這種溶解現(xiàn)象多見于碎屑與富含粘土礦物的基質(zhì)的接觸面，但也有發(fā)生于兩種不同巖性的接觸面，如細(xì)砂巖和粉砂巖的接觸面，溶解邊呈波浪狀(圖7g)。然而這些構(gòu)造變形現(xiàn)象則少見于紅色斷層泥和斷層角礫巖中，紅色斷層角礫巖中的碎屑定向不明顯，也少見碎屑拉長現(xiàn)象(圖7d)，紅色斷層泥中的巖屑也多以圓粒狀鑲嵌于基質(zhì)中(圖7h)。這可能于斷層下盤被動(dòng)運(yùn)動(dòng)相關(guān)。

圖7 灌縣-安縣斷裂巖光學(xué)顯微鏡下構(gòu)造特征(a、b)九龍?zhí)讲刍液谏珨鄬幽啵?c)九龍?zhí)讲酆谏珨鄬咏堑[巖；(d)九龍?zhí)讲奂t色斷層角礫巖.樣品號(hào)標(biāo)于照片左下角，采樣位置如圖3所示;(e)WFSD-3P鉆孔灰黑色斷層泥；(f、g)WFSD-3P鉆孔黑色斷層角礫巖；(h)WFSD-3P鉆孔紅色斷層泥.樣品深度標(biāo)于照片左下角.紅色箭頭指示碎屑顆粒邊緣的溶解-沉淀作用；黃線指示里德爾剪切系統(tǒng)；紅色半箭頭指示剪切方向；白色虛線指示變形的面理Fig.7 Structural characteristics of fault rocks in the Guanxian-Anxian fault zone under the optical microscope(a, b) gray-black fault gouge of the Jiulong trench; (c) black fault breccia of the Jiulong trench; (d) red fault breccia of the Jiulong trench. The sample numbers are marked in the lower left corner of the photos, and the sampling location is shown in Figure 3; (e) gray-black fault gouge in WFSD-3P borehole; (f, g) black fault breccia in WFSD-3P borehole; (h) red fault gouge in WFSD-3P borehole. The sample depths are marked in the lower left corner of the photos. The red arrows indicate dissolvation-precipitation at the clasts edges; the yellow lines indicate the Riedel shear system; the red half arrows indicate the direction of shear; the white dotted lines indicate the deformed foliation

通過掃描電鏡對(duì)斷層泥的基質(zhì)進(jìn)行顆粒尺度的微觀構(gòu)造觀測，結(jié)果顯示在流體的輔助及壓溶作用下，石英、長石、碳酸鹽礦物等發(fā)生溶解現(xiàn)象，尤其常見于礦物顆粒邊緣，并且發(fā)生水巖反應(yīng)，新生成粘土礦物。圖8a中展示了經(jīng)歷蝕變的礦物富含鐵元素，且縫隙及邊緣新生出粘土礦物。從圖8b可以看出鐵白云石在壓溶作用下Ca元素流出并重新在裂隙中沉淀為方解石。鐵元素富集于礦物周圍及表面，或者與流體反應(yīng)生成鐵硫化物，如黃鐵礦(圖8c)。長石在流體和壓力作用下則逐漸蝕變成粘土礦物(圖8d)。石英邊緣以及其與碳酸鹽礦物接觸部位發(fā)生溶解，與流體反應(yīng)新生成粘土礦物(圖8e, f)。另外?？扇芙獾V物的溶解，導(dǎo)致了粘土礦物的被動(dòng)富集，在剪切應(yīng)力下作用他們圍繞著剛性礦物顆粒邊緣滑動(dòng)、變形，呈定向排列(圖8e, f)。這些顯微構(gòu)造現(xiàn)象與礦物成分分析結(jié)果一致，顯示出經(jīng)過斷裂作用演變成的斷層泥富含粘土礦物和含鐵礦物。

圖8 灌縣-安縣斷裂巖掃描電鏡下顯微構(gòu)造特征(a)九龍?zhí)讲刍液谏珨鄬幽? 樣品號(hào)標(biāo)于照片左下角；(b-f)WFSD-3P鉆孔灰黑色斷層泥，樣品深度標(biāo)于照片左下角Fig.8 Microstructure characteristics of fault rocks in the Guanxian-Anxian fault zone under the scanning electron microscope(a) gray-black fault gouge of the Jiulong trench, the sample numbers are marked in the lower left corner of the photos, and the sampling location is shown in Fig.3; (b-f) gray-black fault gouge of WFSD-3P borehole, the sample depths are marked in the lower left corner of the photo

5 討論

5.1 龍門山灌縣-安縣斷裂帶蠕滑機(jī)制

目前至少有三種主要的機(jī)制可以解釋斷層弱化和蠕滑變形的增強(qiáng)。第一種與孔隙流體超壓有關(guān)(Etheridgeetal., 1984; Sleep and Blanpied, 1992; Chesteretal., 1993)，但后來研究表明，這一機(jī)制并不能單獨(dú)解釋該斷層的弱化及其觀測到的蠕滑速率(Fulton and Saffer, 2009; Holdsworthetal., 2011; Mittempergheretal., 2011)。第二種變形機(jī)制是摩擦滑移，該機(jī)制需要具有速度增強(qiáng)行為的弱礦物，如滑石、蒙脫石和其他低摩擦系數(shù)粘土礦物。因此，這一機(jī)制既取決于巖石成分，又受溫度和壓力條件控制(Moore and Rymer, 2007; Carpenteretal., 2009, 2011; Collettinietal., 2009; Tembeetal., 2010; Lockneretal., 2011)。實(shí)驗(yàn)還表明，低摩擦系數(shù)物質(zhì)還有利于抑制地震成核(Ikarietal., 2011)。地震粘滑和非震蠕滑這兩種滑移方式的出現(xiàn)與滑動(dòng)面的摩擦特性相關(guān)，滑移帶物質(zhì)的摩擦性能可分為速度弱化和速度強(qiáng)化兩大類，這意味著斷層滑移模式的轉(zhuǎn)變通常與斷層滑移帶物質(zhì)的變化有關(guān)(Kocharyanetal., 2017)。有學(xué)者提出斷層泥的速度依賴性可以解釋斷層不穩(wěn)定粘滑和穩(wěn)定的非震滑移行為，即速度弱化的物質(zhì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的粘滑運(yùn)動(dòng)，而速度強(qiáng)化的物質(zhì)表現(xiàn)出穩(wěn)定的摩擦滑移(Heetal., 2016)。第三種能夠適應(yīng)大的非震變形而不產(chǎn)生熱量的蠕滑過程是壓溶作用蠕變(Schleicheretal., 2009; Gratieretal., 2011; Holdsworthetal., 2011)。這種變形機(jī)制是一種應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的流體輔助傳質(zhì)過程，在上地殼巖石中得到廣泛認(rèn)識(shí)(Gratieretal., 2013a)。

此外，實(shí)驗(yàn)和自然觀察都表明，摩擦和壓溶作用機(jī)制可相互作用，結(jié)合為一種摩擦-粘滯蠕滑機(jī)制來調(diào)節(jié)滑動(dòng)(Bosetal., 2000; Bos and Spiers, 2002; Jefferiesetal., 2006)。

壓溶作用是個(gè)非常緩慢的過程(應(yīng)變速率小于10-10s-1, Richardetal., 2014)，從上文對(duì)灌縣-安縣斷裂巖的顯微觀測結(jié)果可以看出壓溶作用變形普遍存在于斷裂帶中(圖7和圖8)，特別是在斷層泥中，這也是導(dǎo)致斷層泥中巖屑數(shù)量較少，且粘土礦物較多的主要原因(圖5和圖6)，從圖5 和圖6 中，我們可以看出斷層泥帶中還發(fā)育有次級(jí)高應(yīng)變帶，幾乎不存在巖屑，粘土礦物含量大于50%，這對(duì)斷層蠕滑具有重要貢獻(xiàn)，也說明灌縣-安縣斷裂帶大部分位移發(fā)生在非常緩慢的速率下，但斷層核部并非均勻蠕滑。本研究觀測結(jié)果還顯示礦物溶解作用多發(fā)生在可溶性礦物與粘土礦物接觸的邊界或不同礦物接觸帶(圖7a-c, e-g和圖8e, f)，該結(jié)果和前人自然觀察和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果一致，表明在所有條件相同的情況下，不溶解礦物和可溶性礦物的混合物在壓力作用下比只有可溶物組成的單礦物巖石更容易變形(Zubtsovetal., 2004; Gratier, 2011)。這是由于沿層狀硅酸鹽與可溶礦物邊界擴(kuò)散轉(zhuǎn)移物質(zhì)速率比沿可溶礦物邊界快得多，該現(xiàn)象在自然界和實(shí)驗(yàn)中均有發(fā)現(xiàn)(Zubtsovetal., 2004; Gratier, 2011)。并且，由于可溶性礦物物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，層狀硅酸鹽礦物等不溶性礦物被動(dòng)富集，這有利于溶解作用的加強(qiáng)，由此可見壓溶作用與粘土礦物的富集相輔相成。

此外，從WFSD-3P鉆孔斷層巖礦物組成研究結(jié)果可見，相較于未變形的圍巖，斷層巖粘土礦物含量增長，可溶性礦物，如石英、長石、碳酸鹽礦物等含量減小(圖6)。實(shí)驗(yàn)表明，斷層泥礦物學(xué)對(duì)斷層帶摩擦特性具有重要影響作用(Carpenteretal., 2009; Ikarietal., 2011)，層狀硅酸鹽礦物含量增加導(dǎo)致摩擦減少，沿層狀硅酸鹽礦物的摩擦比沿其他礦物(石英和長石，甚至是巖鹽)的摩擦更容易(Bosetal., 2000; Bos and Spiers, 2002)。并且，從微觀構(gòu)造觀察和礦物組成分析結(jié)果可以推斷，在流體和壓溶過程共同作用下，粘土礦物含量的增長并非全部是由可溶解礦物含量減少被動(dòng)富集造成的，還有部分是由于水巖作用新生形成的(圖6和圖8)，這當(dāng)中還伴隨著富鐵礦物的生成。有學(xué)者通過室內(nèi)摩擦實(shí)驗(yàn)確定的圣安德烈亞斯蠕滑段的平均摩擦系數(shù)在0.16～0.21之間(Carpenteretal., 2011; Lockneretal., 2011)。Tembeetal.(2010)表明在粘土礦物和石英混合的情況下，粘土含量必須大于50%，摩擦系數(shù)才能達(dá)到小于0.2。據(jù)測試結(jié)果可知灌縣-安縣斷裂帶斷層泥的粘土礦物含量確有大于50% (圖6)，滿足低摩擦系數(shù)條件。實(shí)驗(yàn)研究還表明在濕潤條件下更少的層狀硅酸鹽的含量可導(dǎo)致低摩擦系數(shù)(Collettinietal., 2009; Niemeijeretal., 2010)。因此，低摩擦系數(shù)蠕滑機(jī)制的最重要參數(shù)是斷層核的礦物組成，即弱礦物含量應(yīng)足夠高。

從灌縣-安縣斷裂巖的顯微構(gòu)造中觀察到粘土礦物沿許多微剪切面滑動(dòng)形成類似S-C的組構(gòu)，或隨礦物碎屑旋轉(zhuǎn)而滑動(dòng)形成碎屑-粘土組構(gòu)(圖7a, b, e和圖8e, f)。除此之外，在灌縣-安縣斷層泥顯微構(gòu)造中還可見新形成的多種方向生長的粘土礦物和折疊和扭結(jié)的粘土礦物(圖8a; Heetal., 2018)，這些均是強(qiáng)應(yīng)變斷層泥中脆弱組構(gòu)的表現(xiàn)(Janssenetal., 2012)。粘土礦物的滑動(dòng)可能與微剪切面的發(fā)育和多礦物碎屑或顆粒的旋轉(zhuǎn)有關(guān)，所有這些剛性碎屑的旋轉(zhuǎn)拖拽使得面理發(fā)生變形。如果碎屑不能在兩個(gè)剪切面之間旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)就會(huì)被鎖定，繼續(xù)變形的唯一方法是不斷地形成新的面理，疊加在之前的面理上，或者破壞碎屑(Richardetal., 2014)。壓溶作用對(duì)蠕滑斷裂帶所有礦物顆粒碎屑邊界滑動(dòng)都有貢獻(xiàn)，這與層狀硅酸鹽巖石的摩擦-粘性流動(dòng)模型相一致(Bosetal., 2000; Bos and Spiers., 2002; Jefferiesetal., 2006)，該模型將摩擦和擴(kuò)散顆?；瑒?dòng)變形結(jié)合在一起。顆?；剖俏ㄒ荒苓m應(yīng)無限剪切過程的機(jī)制(Ashby and Verrall, 1973)，這正是穩(wěn)態(tài)蠕滑所需要的。

本研究的顯微觀察和成分分析記錄了蠕滑斷裂帶巖石在壓力和流體的作用下隨時(shí)間變化的變形過程(圖9，Heetal., 2018)。在最初較堅(jiān)硬的巖石中，發(fā)生壓裂，促進(jìn)流體進(jìn)入巖石內(nèi)(圖9a)；在流體和壓力作用下，可溶性礦物發(fā)生溶解，顆粒變小，不溶解礦物如層狀硅酸鹽被動(dòng)富集，加上與流體的反應(yīng)，新生層狀硅酸鹽礦物形成，優(yōu)先沿已存在的裂隙分布(圖9b)，因此粘土礦物含量逐漸增加，巖石逐漸軟化。隨著壓溶作用的增強(qiáng)，顆粒尺寸減小，層狀硅酸鹽礦物不斷形成，粘土礦物沿剪切面和顆粒邊緣滑動(dòng)，形成碎屑-粘土組構(gòu)(圖9c)，詳見圖9d。因此，灌縣-安縣斷裂蠕滑機(jī)制結(jié)合了壓溶作用和摩擦-顆?；茩C(jī)制。

圖9 蠕滑斷層在壓溶作用下斷層巖變形過程的示意圖及對(duì)應(yīng)的顯微照片(據(jù)He et al., 2018修改)(a)受里德爾剪切系統(tǒng)的作用，圍巖塊體在斷裂過程中發(fā)生裂隙，形成多個(gè)棱角狀碎塊或具有發(fā)散裂縫的礦物顆粒;(b)棱角狀碎塊或礦物顆粒在里德爾剪切體系中連續(xù)破碎并在壓溶作用中溶解，使顆粒尺寸減小，在流體作用下形成以石英顆粒和層狀硅酸鹽礦物為主的細(xì)粒基質(zhì), 新形成的層狀硅酸鹽礦物和細(xì)粒的石英顆粒在剪切方向(R1、P和Y)上定向排列;(c)殘留的碎屑或礦物顆粒不斷變小，新形成的層狀硅酸鹽礦物在增加，同時(shí)由于隨著細(xì)粒物質(zhì)的增加，水巖反應(yīng)面積增加，從而壓溶作用增強(qiáng)；以往新形成的層狀硅酸鹽礦物包裹著殘余碎屑或礦物顆粒，并隨著R1和Y剪方向堆積變形，呈現(xiàn)出粘土-碎屑組合的結(jié)構(gòu)；隨機(jī)取向的(新形成的)粘土礦物顆粒間的空隙形成；殘余碎屑或礦物顆粒沿P和Y剪切方向排列;(d)被放大的壓溶構(gòu)造. 紅色半箭頭為剪切方向，紅色箭頭為主壓應(yīng)力方向, 藍(lán)色箭頭表示流體流動(dòng)Fig.9 Schematic depiction and corresponding photomicrographs of deformation processes of fault rocks under pressure solution in a creeping fault (modified after He et al., 2018)(a) a host rocks patch is fractured during faulting to form several angular clasts or mineral grains with divergent cracks subjected to the Riedel shear system; (b) the angular clasts or mineral grains are continuously are fractured in the Riedel shear system and dissolved under pressure solution, to decrease in grain size and form a fine-grained matrix mainly composed of quartz grains and phyllosilicate minerals under the effect of fluids; the newly formed phyllosilicate minerals and fine-grained quartz grains are aligned in the shear directions (R1, P, and Y); (c) the residual clasts or mineral grains are continuously getting smaller, and newly formed phyllosilicate minerals are increasing, as pressure solution becomes enhanced due to increasing fluid-rock contact areas with increasing fine-grained materials. Previous newly formed phyllosilicate minerals envelope the residual clasts or mineral grains and are stacked and deformed with R1 and Y shears, which show the fabric of CCAs. Randomly oriented (newly formed) clay particles form in intergranular spaces. The residual clasts or mineral grains are aligned in P and Y shear directions; (d) amplified details of residual clasts or mineral grains, red half arrows show shear directions, and red arrows show the direction of the principal compressive stress; blue arrows represent fluid flows

5.2 蠕滑斷裂的地震作用

活躍的蠕滑斷層段通常發(fā)生小地震，且在時(shí)間和地點(diǎn)上經(jīng)常有規(guī)律地重復(fù)發(fā)生，學(xué)者們通常通過這個(gè)特征推斷斷層的蠕滑行為(Nadeauetal., 1995; Senobari and Funning, 2019)。灌縣-安縣斷裂帶同樣具有這樣的特征。鄭晨等(2015)通過滑動(dòng)窗口的波形互相關(guān)方法對(duì)布設(shè)在灌縣-安縣斷裂周邊17個(gè)流動(dòng)地震臺(tái)的連續(xù)地震記錄進(jìn)行處理，識(shí)別出很多重復(fù)地震，這表明灌縣-安縣斷裂一直比較脆弱，汶川地震后并未愈合。

上文闡述了斷裂蠕滑的機(jī)制，那其發(fā)生地震的機(jī)制是什么呢？雖然強(qiáng)烈的破裂可通過減小傳質(zhì)距離來促進(jìn)壓溶作用，但之后的裂隙愈合可增加傳質(zhì)距離來減緩蠕滑，從而強(qiáng)化巖石。應(yīng)力可能因此累積，導(dǎo)致新的脆性變形，這將加速壓溶作用蠕滑的速度，并重復(fù)變形形成一個(gè)周期(Gratieretal., 1999)。由于斷裂流體局部差異性，蠕滑斷裂的部分區(qū)域?qū)?huì)出現(xiàn)地震破裂-壓溶蠕滑-愈合強(qiáng)化-應(yīng)力積累-地震破裂的循環(huán)，因此會(huì)出現(xiàn)重復(fù)地震現(xiàn)象。我們可以從碎屑方解石脈中發(fā)現(xiàn)這種可能性的存在(圖8b)。然而，灌縣-安縣斷裂帶不僅具有這種蠕滑斷裂重復(fù)地震的特征，還在2008年Mw7.9汶川地震中發(fā)生破裂，這又是如何造成的呢？雖然可取到的斷層巖樣品中少有方解石脈，這與長期流體性質(zhì)相關(guān)，但當(dāng)下地殼或地幔運(yùn)動(dòng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，流體性質(zhì)可能發(fā)生改變，水巖作用可造成斷裂帶中存在大量的方解石脈體，這樣往往會(huì)加強(qiáng)巖石，因?yàn)榕c可溶性和不溶性顆粒的混合物相比，溶解單礦物巖石更加困難(Gratieretal., 2013b)，在脈體的晶粒尺度上不易發(fā)生，只在薄流體相所在的脈體邊界處會(huì)發(fā)生溶解。這最終導(dǎo)致大面積斷層裂縫愈合，因此變得越來越強(qiáng)，應(yīng)力大量積累，這可能正是大地震破裂過程會(huì)發(fā)生的位置(Richardetal., 2014)。

根據(jù)傳統(tǒng)認(rèn)知，大地震不會(huì)在斷層蠕滑段上成核，而是在蠕滑和閉鎖段之間的邊界或者閉鎖段成核(Scholz, 1998)。但近些年有研究表明雖然斷層可以通過蠕滑容納其大部分滑動(dòng)來降低地震危險(xiǎn)性，但孕震區(qū)以下相對(duì)穩(wěn)定的震間蠕滑仍可能導(dǎo)致整體應(yīng)力積累，最終導(dǎo)致地震破裂(Harris，2017)?；蚴牵瑪鄬娱]鎖段成核的大地震可能通過近地表斷層蠕滑段或薄弱部分上傾而導(dǎo)致破裂(Noda and Lapusta, 2013；Maurer and Johnson, 2014)。并且，有學(xué)者認(rèn)為斷層的變形行為也可能隨著斷層性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)的改變從連續(xù)的蠕滑變形向突發(fā)的地震破裂轉(zhuǎn)變(McLaskey and Kilgore, 2013；Rosenauetal., 2019)。另外，還有學(xué)者認(rèn)為斷層蠕滑可能是大地震的后作用(Cakiretal., 2012)。然而，Bilhametal.(2016)并不認(rèn)可該觀點(diǎn)，表明盡管有些地震確實(shí)存在一些長期影響，但斷層蠕滑大部分都是由于構(gòu)造載荷造成。

到目前為止， 人們對(duì)地震機(jī)制、地震概率、地震爆發(fā)的很多研究都受傳統(tǒng)觀點(diǎn)的約束，沒有一個(gè)簡單的非地震蠕滑和地震能量釋放的模型能夠解釋所有的斷層運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。斷層蠕滑與大地震之間的關(guān)系仍然沒有得到解決，還有待進(jìn)一步研究。

6 結(jié)論

本文通過對(duì)具有蠕滑性質(zhì)的龍門山灌縣-安縣斷裂帶九龍?zhí)讲酆蚖FSD-3P鉆孔斷層巖物質(zhì)組成和顯微構(gòu)造的進(jìn)一步分析，得到以下結(jié)論：

(1)壓溶作用造成灌縣-安縣斷裂帶斷層巖中可溶性礦物，如石英、長石、碳酸鹽礦物等發(fā)生溶解，粘土礦物等不溶性物質(zhì)富集，面理增加，呈拖尾構(gòu)造、似S-C組構(gòu)、碎屑-粘土組構(gòu)等蠕滑變形構(gòu)造，弱化了斷層。

(2)斷層泥粘土礦物含量高達(dá)50%以上，是造成灌縣-安縣斷裂帶低摩擦性質(zhì)的主要因素，也是促進(jìn)顆?；坪蛪喝茏饔貌粩噙M(jìn)行的關(guān)鍵所在。因此，灌縣-安縣斷裂帶的蠕滑過程主要是壓溶作用和摩擦-顆?；茩C(jī)制共同作用。

(3)在地殼應(yīng)力狀態(tài)、流體性質(zhì)等外部環(huán)境以及斷層內(nèi)部物質(zhì)和結(jié)構(gòu)多種因素復(fù)雜的作用下，蠕滑斷裂局部可發(fā)生重復(fù)地震現(xiàn)象，甚至可發(fā)生大地震，但斷層蠕滑與大地震之間的準(zhǔn)確關(guān)系仍然需要進(jìn)一步探究。

致謝汶川地震斷裂科學(xué)鉆研工程實(shí)驗(yàn)中心魏金川和吳建國在薄片制備和采集樣品時(shí)給予了幫助；中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所施斌博士在觀察掃描電鏡時(shí)給予了幫助；二位審稿人中國地質(zhì)大學(xué)(北京)劉俊來教授、西北大學(xué)董云鵬教授以及本刊編輯對(duì)本文提出了寶貴的修改意見；在此一并表示衷心的感謝！