应用石英微形貌特征测定断层活动年龄

陈 艳

确定活断层最新一期的活动时代，对大型工程选址、建/构筑物的地震安全性评价等具有重要意义。如地层出露或揭露情况良好，可以通过地质学方法进行确定(最老未错断地层的形成时代即为断层最后一次活动时代)。但是，对隐伏于第四系之下或发生歼灭的活动性断层，通常很难发现其地层切割关系，因此需要对断层产物(断层泥、断层角砾等)进行形成时代判定。利用断层泥中的稳定矿物如石英、长石、磷灰石等的热力学、形貌特征等反演断层的最新活动时代，是主要工作方法。其中，电子自旋共振法(ESR)、热释光法(TL)和矿物微形貌法是三种最主要的测年手段。通过这些测试手段，不仅可以查明地质方法无法探明的隐伏断层的活动年龄，而且测定的年龄可以比地质方法更精确(如TL法可测定距今几百年的活动性断层)，因此得到广泛应用。

值得注意的是，ESR法和TL法均有其不足之处。如在应用TL测年时，如果最新一期断层的活动强度较小(温度压力不足)，会导致该方法测定的年龄偏老。基于此，20世纪80年代由Kanaori等[1]发明了通过矿物微形貌特征判定断层活动年代的方法，通过30年的发展，该方法尽管还存在较多的不足，但业已成为ESR法和TL法测年的重要验证方法。由于石英是地球表层岩/地层中广泛分布的矿物(占地壳含量的12.6%)[2]，同时其具有很难风化分解的特征，因此被广泛用作形貌测年。

应用断层泥中石英的微形貌特征进行活动性断层测年业已在理论和工程应用方面获得了许多进展，然而，该方法尚存在一些理论和应用方面的问题，因此值得做进一步研究。本文的目的是通过总结石英形貌测年的基本原理、应用情况和存在的问题，探讨解决问题的主要方法和手段，为发展和完善该测年方法提供一些工作思路。

1 基本原理

通常认为，石英是表生环境中最稳定的矿物。与其他硅酸盐矿物相比，石英具有简单的元素组成(Si和O)，同时其结构中的Si-O键均为桥氧键，在(近)地表的温度和压力条件下，桥氧键不易断裂，因此石英不易分解。根据前人的研究，25℃条件下硅的溶解度为11 ppm[3];pH=7.5，温度25℃条件下石英的溶解速率很慢，约为 10－16.1mol·cm－2·s－1，并且其溶解速率在 pH ＜ 9 时受温度压力的影响较小[4]。由此，可假设地球表生环境中的石英具有相同的溶解度和溶解速率。断层形成或再活动过程中，会导致断层带内的石英颗粒破碎，产生新鲜面，这些新鲜面会在随后的地质历史中经历风化作用;由于石英的风化速率与所处环境条件无关，因此，可以认为，断层带内石英颗粒表面形貌和结构的复杂程度，仅仅为时间的函数，即新形成的表面经历的时间越久，其溶蚀微形貌和结构越复杂;相应地测定了石英颗粒的表面微形貌和结构特征，即可反推其形成的时间。此即应用石英形貌学进行断层测年的基本原理。Kanaori等[1]依据扫描电镜的结果，应用统计的方法，将石英表面形貌特征分为四组共九种，按溶蚀形貌由简单到复杂依次分为:贝壳状、次贝壳状、桔皮状;鱼鳞状、苔藓状;钟乳状、蛀蚀状;洞穴状、珊瑚状。不同的溶蚀形貌对应不同的形成年龄，其中洞穴状和珊瑚状形貌代表的年龄可达上百万年，因此，根据石英表面溶蚀微形貌可以反映中新世以来的断层活动。值得注意的是，一个断层可能经历多期活动，因此断层泥中的石英会经历多次构造运动的改造，每一次构造运动均会造成其形貌发生改变或形成新的破碎面。因此，断层泥中石英的复杂微形貌通常与多期构造运动叠加有关，其显微形貌特征通常反映了最后或最强一次断裂活动[5]。

除了溶蚀形貌，断层泥中的石英颗粒表面还可能残留部分断层活动过程中因机械应力产生的特殊形貌如擦痕、断口等，利用这些形貌特征，可以判定断层的滑动方式(蠕滑和粘滑)[5-8]，如弯曲擦痕、研磨坑、晶内微裂隙、阶步状刻痕等通常代表蠕滑运动，而撞击碎裂痕、平直擦线等代表粘滑运动。

2 应用进展

Kanaori等[1]于1980年首先提出应用石英形貌学测定断层活动时代这一思路，经过30余年的发展，该方法已发展为成熟的测年方法。尽管不能确定断层活动的绝对年龄，但该方法已成为ESR法和TL法的重要补充方法。在确定活动性断层的最新活动时代研究中，利用这几种方法的组合开展研究，获得了许多重要进展。

国内于20世纪80年代初即利用该方法开展了许多断层活动时代的研究，如杨主恩等[9]率先研究了红河断裂带和曲江断裂带活动时代与断层泥中石英微形貌的关系，同时通过模拟实验开展了采用石英微形貌特征判定断层活动方式的研究[10];随后王华林、张秉良、尹功明、张瑛杰、林传勇等[11-15]在90年代开展了大量的相关研究，不仅发展和完善了该方法，而且实现了其在地震研究中的广泛应用。21世纪以后，该方法得到进一步发展，其应用领域更加广泛，如汪明武等[16]利用该方法对润扬大桥的桥基断裂活动性进行了评价;申俊峰等[8]应用该方法对西藏那林卡断裂的活动期次、各期次的活动类型和最新活动时代进行了综合研究。该方法业已广泛应用到构造、地震、工程地质等诸多研究领域。

3 存在的问题

石英风化速率问题:通常认为，表生条件下影响矿物风化的因素有温度，pH，Eh，盐度，氧逸度等，近年的研究发现生物也是影响风化速率和风化程度的重要因素。如微生物代谢可以产生酸、有机络合物等，这些物质可以与矿物作用，显著加速矿物的分解;微生物还可以形成生物膜，改变矿物表面的微环境，影响矿物的分解;此外，微生物的氧化还原作用，也会影响矿物的形成和分解。研究表明[17]，虽然石英是表生环境中稳定性很好的矿物，但在微生物的作用下，其分解速率仍然会有数量级的增长。在地表以下不太深、温度不太高的位置，往往会存在较大数量的微生物[18]，这些微生物会显著加速围岩中矿物的分解速率。由此可见，石英的风化速率并非一成不变，而是受环境条件(尤其是微生物)的影响较大。

当断层泥由多期断层活动产生时，在通过石英形貌学判定最新一期断层活动的研究中，需特别注意样品的采集方式。在断层泥厚度较大的情况下，需区分断层泥的形成顺序，采集最新活动形成的断层泥;在断层泥厚度较小的情况下，则可以进行全序列采样。但是，两种采样方法均存在较多的问题，如很难确定哪个层位的断层泥是最新断层活动的产物，尽管前人业已提供了不少判定方法，但这些方法均有其适用的条件[11，13，14];而进行全序列采样时，则会导致分析和统计的工作量增大。

4 展望

石英形貌学测年方法业已成为活动性断层定年的有效手段，通过该方法可以弥补ESR和TL法测年的不足，然而，如前所述，该方法尚存在较多的科学问题，因此需要开展进一步的工作将该方法从理论和应用方面加以完善。

目前对石英形貌的分类还存在较多的问题，其中一个重要的问题是对石英形貌仅仅进行了定性分类，因此通过形貌比对获得的构造年龄也是定性的，即很难精确定年。除了形貌观察外，有必要应用其他先进的现代分析技术如X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子谱(AES)等，对具有特殊形貌的石英表面进行成分分析，发展石英形貌学定年的定量化标准。

“石英溶解速率不变”这一假设受到了近年相关研究的挑战，有必要进一步开展石英溶解速率的研究，以修正石英溶解速率同其表面形貌特征的对应关系。

样品的采集方法通常会对石英形貌特征研究产生较大影响，在科研过程中，很有必要发展更方便快捷且准确的采样方法。

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