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        論述現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)對(duì)活動(dòng)斷裂帶內(nèi)斷層泥“微納米尺度”的作用

        2021-04-11 14:01:31華嶸輝
        甘肅科技 2021年1期
        關(guān)鍵詞:電子顯微鏡石英礦物

        華嶸輝

        (江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局贛中地質(zhì)大隊(duì),江西 南昌 330013)

        斷層泥是斷層活動(dòng)的信息載體,通過解析斷層泥中礦物顆粒表面微形貌信息,可以了解斷層活動(dòng)性歷史,有助于對(duì)斷層的地震危險(xiǎn)性作出正確評(píng)價(jià)。因此,通過研究活動(dòng)斷裂帶內(nèi)斷層泥中的“微納米尺度”可以正確的出構(gòu)造活動(dòng)的年代、斷層活動(dòng)期間的剪切作用及活動(dòng)間歇期。

        1 分析測(cè)試技術(shù)在斷層泥中的運(yùn)用

        斷層泥中的“微納米尺度”所運(yùn)用的現(xiàn)代分析測(cè)試方法,主要是通過掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)斷層泥中礦物顆粒測(cè)年及其TEM 透射電鏡等方法對(duì)斷層泥進(jìn)行解析。其中,斷層泥中礦物顆粒測(cè)年方法主要包括:石英表面溶蝕微觀形貌特征測(cè)年、斷層泥電子自旋共振測(cè)年(ESR)、斷層泥釋光測(cè)年(TL,OSL)等。

        石英表面溶蝕微觀形貌特征測(cè)年是利用斷層泥中石英顆粒來進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)年,目前中國(guó)大部分地質(zhì)院校、研究所在對(duì)斷層泥進(jìn)行測(cè)年都使用這種方法。通過斷層泥中石英顆粒SEM掃描電鏡分析,觀察石英微形貌,了解這些微形貌類型并根據(jù)石英顆粒表面微形貌特征類型的相對(duì)時(shí)間標(biāo)尺(Kanaori et al.,1980)可推測(cè)出斷層的最新活動(dòng)時(shí)間。Kanaori(1980)通過日本Atotsugawa 斷裂中斷層泥石英顆粒表面的SEM 微形貌觀察將微形貌分為溶蝕微形貌和應(yīng)力破裂微形貌。

        掃描電子顯微鏡(SEM)主要有幾大特點(diǎn):成像直觀、分辨率高、景深長(zhǎng)、立體感好、樣品制備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),已成為地學(xué)中分析測(cè)試儀器家族的重要成員之一,是自然科學(xué)研究領(lǐng)域的一種顯微樣品。特征研究所必需的觀測(cè)工具已逐漸廣泛應(yīng)用于地質(zhì)科學(xué)研究領(lǐng)域(陳莉等,2015)。將掃描電子顯微(SEM)運(yùn)用到斷層泥石英顆粒微形貌測(cè)年中,其優(yōu)點(diǎn)在于成像直觀、分辨率高、景深長(zhǎng)、立體感好、樣品制備簡(jiǎn)單等;但是缺點(diǎn)為受時(shí)間限制,因斷層泥中石英顆粒受溶蝕的時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí),大約10Ma 后,其表面結(jié)構(gòu)趨于相同,故測(cè)年的時(shí)間最多為10Ma,時(shí)代為中新世,且SEM 掃描電鏡很難觀察斷層泥中石英顆粒里比較細(xì)的黏土礦物。其中SEM 掃描電子顯微鏡上通常配有X 射線能譜儀,可在觀察微形貌的同時(shí)進(jìn)行成分分析。可以將X 射線能譜分析運(yùn)用到斷層泥特征研究,通過分析樣品中的能譜就能推測(cè)出大部分樣品中的納米顆粒屬于哪一類礦物,并且還能對(duì)一些細(xì)小礦物進(jìn)行鑒定和半定量分析。例如,沉積巖中的黏土礦物(<2μm),伊利石、蒙脫石、綠泥石等,在形貌上幾乎沒法區(qū)分,而能譜的微區(qū)分析即可快速、有效地區(qū)分出這些礦物(Li 和Xiao,2012)。但是X 射線能譜儀也有缺陷:由于大部分地質(zhì)樣品不導(dǎo)電,在低真空模式下進(jìn)行能譜分析時(shí),會(huì)因?yàn)殡娮邮纳⑸洌鴻z測(cè)到檢測(cè)區(qū)域外的元素所導(dǎo)致測(cè)出的能譜可能有一定的誤差。

        斷層泥電子自旋共振測(cè)年方法(ESR)廣受地質(zhì)學(xué)界的關(guān)注。斷層泥ESR 測(cè)年原理可簡(jiǎn)述為:斷層中的主動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量和活動(dòng)過程中的剪切作用使斷層泥的ESR 信號(hào)歸零。斷層活動(dòng)后,斷層泥中的定年礦物是由自然環(huán)境中的電離輻射損傷產(chǎn)生的,并積累了新的磁心,通過用ESR 譜儀測(cè)量順磁中心的數(shù)目,可以確定樣品所接收到的等效劑量ED(Gy),然后根據(jù)樣品所處環(huán)境的劑量率D(Gy/ka),即A 等于ED/D,確定故障最后一次強(qiáng)烈活動(dòng)的年齡A(高璐等,2011)。ESR 測(cè)年法是一種實(shí)驗(yàn)方法。但仍有許多不確定因素,如樣品含水量的變化、劑量率的計(jì)算以及后期的活動(dòng)對(duì)ESR 年齡有重要影響(Fukuchietal.,2001)。ESR 測(cè)年的缺點(diǎn)是,如果斷層活動(dòng)強(qiáng)度不強(qiáng),ESR 信號(hào)可能不歸零,導(dǎo)致ESR 年齡偏大;由于采集的斷層泥不是斷層活動(dòng)的產(chǎn)物,在測(cè)量過程中不能形成不同的周期,石英顆粒被分離,導(dǎo)致ESR 年齡與野外地質(zhì)地貌對(duì)比年齡相差較大。

        斷層泥釋光測(cè)年(TL,OSL)以石英或方解石脈等礦物為試件。斷層盤兩端擠壓摩擦產(chǎn)生的溫度和壓力,會(huì)導(dǎo)致這些礦物中熱釋光信號(hào)的早期釋放消失,又可稱為“地質(zhì)時(shí)鐘”歸零。然后,當(dāng)板塊中的斷層處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),這些礦物再次接受來自周圍輻射場(chǎng)的核輻射,開始儲(chǔ)存熱釋光能量,“地質(zhì)時(shí)鐘”又開始重新計(jì)時(shí),此時(shí)存儲(chǔ)的時(shí)間信息便是迄今為止的斷層終止活動(dòng)時(shí)間。因此,測(cè)得的熱釋光年齡相當(dāng)于熱事件的年齡,即斷層活動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)熱時(shí)間,由此計(jì)算得出斷層的年齡。熱釋光測(cè)年具有測(cè)時(shí)范圍大(10~2—n×10~6a)、可供測(cè)年的物質(zhì)廣泛、樣品需求量少等優(yōu)點(diǎn)(盛小青等,1994)。張家富等(2007)認(rèn)為斷層泥釋光測(cè)年一般測(cè)量用于第四紀(jì)石英顆粒,假設(shè)斷層泥中顆粒是第四紀(jì)以前的巖石,在形成斷層泥的時(shí)候又沒有明顯加熱,則這些物質(zhì)可能并無足夠的釋光靈敏度來進(jìn)行測(cè)年。斷層泥釋光測(cè)年最大的問題在于埋藏前釋光信號(hào)回零,因此取的樣必須裝入黑色塑料樣品袋避光保存,樣品入袋前將大于2mm 礫石剔除(申俊峰等,2007)。

        透射電子顯微鏡(TEM)(Transmission electron microscopy)是1932 年Ruska 以電子束為光源所發(fā)明的一種顯微鏡。TEM 的作用在于觀察納米粒子的形貌、評(píng)估納米粒子的粒徑,常用于觀察普通顯微鏡不能分辨的細(xì)微物質(zhì)結(jié)構(gòu)。目前TEM 的分辨率可達(dá)0.2nm,其應(yīng)用于斷層泥礦物顆粒分析中的優(yōu)點(diǎn)在于可以針對(duì)同一微區(qū)位置進(jìn)行形貌、晶體結(jié)構(gòu)、成分的全面分析,并可以觀察顆粒非常細(xì)的黏土礦物(大約<0.2μm)。石英顆粒在斷層泥中因多次斷裂活動(dòng)而發(fā)生磨損和溶解,相對(duì)較難;而用相對(duì)柔軟的粘土包裹的石英顆粒受磨損的影響較小(Niwa M etal.,2016)。然而TEM 缺點(diǎn)在于電子束的穿透力很弱,因此用于TEM 的礦物顆粒標(biāo)本必須制成厚度約50nm 左右的超薄切片。

        2 分析測(cè)試技術(shù)存在的問題

        綜上所述,斷層泥中礦物顆粒測(cè)年法的最大優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)年方法種類多,能夠進(jìn)行選擇性的分析,可依據(jù)不同斷層泥顆粒樣品使用不同測(cè)年方法。其中斷層泥中石英表面溶蝕微觀形貌特征測(cè)年優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)其形貌特征反映斷層活動(dòng)的復(fù)雜程度、斷層的多期次活動(dòng),并推測(cè)出斷層泥被地下水侵蝕的時(shí)間年限;而斷層泥電子自旋共振測(cè)年方法(ESR)可確定斷層最后一次劇烈活動(dòng)的年齡;斷層泥釋光測(cè)年(TL,OSL)具有測(cè)時(shí)范圍大(10~2-n×10~6a)、可供測(cè)年的物質(zhì)廣泛、樣品需求量少等優(yōu)點(diǎn)。SEM 掃描電子顯微鏡的X 射線能譜不僅使人們能夠?qū)悠返男螒B(tài)分布進(jìn)行微觀分析,同時(shí)又能對(duì)樣品中不同組成成分進(jìn)行定性及半定量分析。TEM 透射電子顯微鏡應(yīng)用于斷層泥顆粒分析優(yōu)勢(shì)在于可以針對(duì)同一微區(qū)位置進(jìn)行形貌、晶體結(jié)構(gòu)、成分的全面分析,并可以觀察顆粒非常細(xì)的黏土礦物(大約<0.2μm),與SEM 掃描電鏡互補(bǔ)。

        3 認(rèn)識(shí)

        1)運(yùn)用一些分析測(cè)試技術(shù)方法對(duì)斷層泥中的“微納米尺度”研究可以準(zhǔn)確判斷出斷層活動(dòng)的年代、斷層活動(dòng)期間的剪切作用及活動(dòng)間歇期。

        2)根據(jù)斷層泥中石英表面溶蝕微觀形貌特征分析可推測(cè)出斷層的最新活動(dòng)時(shí)間;斷層泥熱釋光測(cè)年具有測(cè)時(shí)范圍大、可供測(cè)年的物質(zhì)廣泛、樣品需求量少等優(yōu)點(diǎn);SEM 掃描電子顯微鏡主要用于觀察固體表面的形貌,而TEM 透射電子顯微鏡常用于觀察普通顯微鏡不能分辨的細(xì)微物質(zhì)結(jié)構(gòu),有時(shí),將兩者有機(jī)結(jié)合可以得到比較全面的材料分析結(jié)果。

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