活动断裂带断层泥研究与流体地球化学结合的可能性探讨

程书婷,曹建劲

(1.中山大学地球科学与地质工程学院，广东 广州 510275；2.广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室，广东 广州 510275)

活动断裂带断层泥研究与流体地球化学结合的可能性探讨

程书婷1,2,曹建劲1,2

(1.中山大学地球科学与地质工程学院，广东 广州 510275；2.广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室，广东 广州 510275)

活动断裂带是防震减灾工作中的研究重点。目前，对于活动断裂带断层泥的研究集中在矿物学、显微构造方面，无法直接运用于地震短期临震预报。而活动断裂带的流体地球化学研究虽有利用CO2异常进行地震临震预报的成功案例，但无法筛选与地震活动直接关联的异常指标，缺乏异常气体与地震活动关联的理论解释。本文旨在总结上述两个方向上的研究，对于活动断裂带断层泥研究与流体地球化学结合的可能性进行探讨。

活动断裂带；断层泥；流体地球化学；临震预报

地震具有突发性的特征，地震持续时间短但频度高，伴随着强烈地面震动、变形等，给人类生命与财产造成巨大损失，危害性很高。因此，防震减灾工作是地震科学工作者面临的一个重要议题。在地震研究工作中，活动断裂带科学钻探是研究地震断裂机制的一种有效方法之一。根据Zoback et al. 和Brodsky et al. 的研究，通过快速提取大地震后地下深部断层泥(断层岩)，同时获取地震波速、断层渗透性等物理参数，能够研究地震机制，提供余震信息[1,2]。最早由陈国达[3]、涂光炽[4]倡导的构造地球化学研究领域，从上世纪80年代起，经过30余年的发展，在活动断层研究方向，也出现了有关活动断裂带的断层泥、流体地球化学、相关水-岩作用的多点研究[5]。这些研究着重观察活动断层形成演化后应力矿物生长、断层泥矿物表面微形貌、气体同位素异常等，用来判断活动断层活动性、启闭性、断裂带展布等。但若为防震减灾工作服务，应用于实际工作具有一定缺陷：如断层泥样品多来源于科学钻探，取样难度较大，成本较高，断层泥微形貌研究判断断层活动属性不够便捷；利用断裂带流体异常进行地震短期临震预报不确定性高，无法筛选出与构造地震直接相关的异常指标。本文的目的是在总结前人工作的基础上，探讨活动断裂带构造地球化学方向上，断层泥研究与流体地球化学结合的可行性，从而对该领域尚未解决的科学问题进行初步探讨。

1 活动断裂带断层泥研究

断层泥属于断层岩中碎裂岩系列中的一种，往往具有单颗粒不易分辨、未固结、被强烈研磨呈泥状的特征[5-7]。断层岩的研究应用范围较广，不仅可用于判断断层存在，指示断层属性，测定断层形成温度与压力，而且可以根据其发育程度和展布状况提取有关断层规模、活动史、活动深度变化等信息。断层泥不仅具有一般断层岩的研究应用价值，其显微构造特征对于判断断层滑动性状具有十分重要的意义。

断层泥是具有特殊结构和构造的变形物质，主要在剪切过程中形成[8,9]。黏土矿物，包括蒙脱石、高岭石、伊利石和绿泥石是构成断层泥的主要矿物，除此之外，还有与母岩有关的碎屑物质，例如石英、长石、方解石碎屑等[6]。关于断层泥的矿物研究分为矿物成分、组合、微观形貌、高温高压模拟实验等多个方向[6,10-14]。

在不同断裂带、同一断裂带不同位置断层泥的黏土矿物成分含量不同。汶川映秀—北川断裂带，主要造岩矿物含量从围岩、角砾岩，再到老断层泥和新断层泥逐步降低，但黏土矿物含量与之相反[15]。海原断裂带西段沈家庄—兴泉堡地震断层中黑色断层泥与云南小湾坝区断层中断层泥的黏土矿物含量就有明显的差别[16,17]。

同一断层剖面断层泥矿物显微特征能反映断层活动方式。断层活动的方式一般为蠕滑或黏滑，前者很少引发大地震(最多为中小型地震)，后者极有可能诱发大地震。因此鉴别活动断层的断层活动方式具有十分重要的意义。张秉良对紫荆关断裂南台段断层泥进行了一系列显微构造观察，其中黏土矿物以蒙脱石为主，存在少量伊利石、高岭石、绿泥石[11]。南台断层段剖面不同位置断层泥中构造压力长宽比扩大，吕德剪切角减小，断层滑移速率由上盘到下盘逐渐减弱。缎状黏土矿物集合体、高蒙脱石含量和无片理的特征，指示了断层的蠕滑特性。

断层泥中石英颗粒的微形貌，如大小、深度、粒形特征、擦痕、坑型、裂纹等是研究断层的活动年代和活动方式。石英微形貌从简单到复杂排列，简单形貌有较光滑贝壳状、次贝壳状和桔皮状；稍粗糙结构有苔藓状、鱼鳞状；较复杂有蛀蚀状、钟乳状结构；最复杂的则呈珊瑚状、洞穴状[18,19]。这种微形貌特征，以及微形貌特征组合不仅与形成的地质年代有对应关系，也反映了溶蚀时间与溶蚀结构的相关关系。一般来说，溶蚀结构越复杂，石英颗粒表面遭受的溶蚀时间越长。

有关于断层泥矿物的高温高压模拟试验研究显示，断层的地震滑动事件有可能使断层泥产生脆性、韧性两种变形共存的现象[20-22]。局部化脆性变形的纤维构造特征是在黏滑或快速加载条件下形成的[13,23]，而散布的韧性变形显微构造特征是断层稳滑活化满加载的产物，亦即断层蠕滑的产物[12,13,23]。在台湾“9.21”集集大地震带内断层泥以局部化脆性变形为特征，同震断层滑动使浅部断层泥中的伊利石/蒙脱石混层转化为伊利石，并认为伊利石是地震滑动的产物，蒙脱石是非地震滑动的结果[24-26]。

上述各方面研究对于判断断层活动方式等有实际应用价值。但天然断层泥与高温高压模拟实验对比分析时，往往难以做到实验条件严格一致。影响断层活动方式的因素除了矿物在不同温压下的性质，含水量等因素外，往往难以和地质历史时期条件保持高度一致。但据刘彬等人研究，断层泥强度参数中内摩擦角和黏聚力都与含水量有关，可见干湿体系不同会在一定程度上影响模拟实验结果[27]。并且，深部断层泥的采取通过科学钻探，取样条件受到制约。虽然可以通过浅部断层泥来研究活动断层，但浅部由于围压、温度等因素改变，与深部断层泥并不一定具有一致性，并且较易受到后期改造。基于上述研究的局限性，断层泥往往不能单独作为地震预测中的一环，因此，考虑是否有其他构造地球化学手段能与之结合。

2 活动断裂带流体地球化学

上世纪80年代，瑞典科学家Malmqvist L和Kristiansson K提出地球内部存在着上升气流，能携带深部成矿信息到达地表沉积物中[28-30]。地球内部气体不仅具有敏感性高、迁移性强的特征，也是将深部信息携带至地表的重要载体[31]。活动断裂带，就是这些地球内部气流在陆地上的首要排气通道。在活动断裂带处，地球排气作用往往规模大，速度快，排气活动集中[32]。除了气体信息以外，活动断裂带流体还包括深源岩浆排出的流体和幔源流体，这些流体在构造作用以及地震活动强烈期出现的地球化学异常，可以为地震短临预报提供证据。

活动断裂带异常流体信息可以指示断裂破裂位置，断裂带附近土壤气体地球化学特征可反映地震活动断层的活动情况。土壤气Rn、CO2、He、Hg、CH4等组分异常在国内外许多断裂带都被观测到，例如中国的福州隐伏断裂、意大利Pernicana断裂、日本跡津川断裂和美国圣安德烈斯断裂[33-35]。随后，周晓成在海原断裂带的工作结果显示，四个不同地点的跨断层测量均显示了土壤气中He、Rn、N2、O2、CH4、C2H6、H2和Hg的浓度异常以及He、Rn、CH4、H2和Hg的通量异常[36]。其中，H2和Rn是一组能指示海原断裂东南段破裂位置的有利气体组分，其他异常不能单独判断，仅供参考。前人在汶川8.0地震断裂剖面上测量，发现土壤气氡浓度高于没有断裂存在地区，且土壤气氡浓度距离震中越近，浓度值越高；此断裂剖面上土壤气氡浓度异常阈值和背景值之比不大于3，最大值/背景值小于5[37]。土壤气中Rn固有活动性不强，可以用来示踪，它的半衰期只有3.8d，迁移距离也较短。而CO2作为重要的载体，当地震造成垂直的上升通道打开时，就有了快速运移、高扩散的垂直通道，可与Rn一同扩散至地表[38,39]。同时，根据Walia et al.对台湾新城断裂的研究，浅层活动断裂对于CO2的影响比对Rn更大[39]。

活动断裂带流体地球化学中温泉气体地球化学与地震关系密切。活动断裂带地区的4He/20Ne、21Ne/22Ne、40Ar/36Ar等温泉同位素气体的浓度，组分比值等，在地震前后都显示出异常[32,40,41]。刘仕锦等在对康定二道桥、龙头沟温泉逸出气CO2检测中发现，CO2在震前发生了短临突跳，地震活动发生在突跳30天内[42]。但利用断裂带流体异常进行临震预报存在诸多不确定性，没有找出与地震直接相关的异常指标，并且不清楚这些异常指标的演化机理，局限于大量数据监测总结，可预测性不是很强。

上述活动断裂带土壤气、温泉同位素等研究，利用流体地球化学异常进行活动断层探测和活动性研究时间仍比较短，虽然成效显著，但存在活动断裂与非活动断裂异常信息鉴别困难、断层活动强度与流体异常强度难以关联、气体来源不唯一具有多解性等问题。

3 初步探讨

Sciarra et al. 在对意大利北部的伊米莉亚地震影响区域做土壤气研究时发现，震中区有明显液化现象[43]。土壤液化使得土壤强度、刚度降低。并且，在震中区土壤液化地带与地面裂缝的CO2浓度和通量、He浓度、Rn的浓度、CH4均存在显著差异，土壤液化区CO2浓度、CH4浓度异常值较高，He和Rn浓度异常不如地面裂缝区域显著。从流体地球化学角度，这其中有个值得注意的异常指标——He浓度。He通常具有高活动性，在水中具有较低的溶解度，它具有极强的扩散特性，扩散系数比N2、O2高10倍左右[36]。Zhu et al认为岩石、岩体中He的发射能反映地质体现存应力状态，在应力集中区He量值比空气中高几十倍，且能随应力集中带迁移[44]。

根据工程领域对于土壤液化的研究，邓荣贵等根据饱和砂土地层地震后液化现象，对比饱和砂土动力学试验，从砂粒—孔隙水两相介质相互作用角度解释了饱和砂土在振动荷载作用下的液化过程[45]。土壤液化的作用机理及相关研究众多，但多数理论均肯定了地下水、孔隙水等在其中的作用[46]。并且，土壤中黏粒成分影响土壤的抗液化性能，如蒙脱石<伊利石<高岭石。土壤黏粒的质量分数与接触方式对土壤的稳定、镶嵌起着十分重要的作用[47]。借用工程领域对于土壤液化的研究手段、思路，看待断层泥显微结构研究现状。断层泥显微构造研究通常利用偏光显微镜和体视镜观察显微结构、构造；用X射线衍射分析快速对全岩进行半定量分析，主要区分不同黏土矿物[48]。如果能先利用断裂带断层泥中对于氧化还原敏感元素的分布特征判断断裂带的氧化还原条件，通过深部断层泥与浅部地表断层泥氧化还原敏感元素价态、分布不同，判断断层的启闭性和活动性。如果在与深部连通状态好的断层周围土壤跨断层收集断层气，考虑Rn、CH4等通量和浓度数值可能更能反映深部由地幔脱气作用带来的异常信息，同时，若地表断层泥受其他流体影响仍能表现出较为还原的环境，对于CO2浓度、通量等指标来源就需要考虑是否是流体带来碳酸盐岩变质等造成的；相反，如果浅部地表断层泥由于氧化、沉积物堆积、矿物沉淀等造成断裂自封闭[49,50]，深部的连通性变差，那么CO2作为Rn的重要载体，因为来源多解性的问题就不能单独作为异常判据使用，考虑到4He的高扩散性和水中低溶解度特征，对于连通性较差断裂带周围土壤气的研究应该能作为一个重点考察的指标。而地震荷载影响的土壤液化地带土壤气研究，同样亦可将重心放在He上。以上思考建议对于断层泥的研究可以不单从矿物学、构造角度判断断层活动方式，还可对比新老、深浅断层泥氧化还原条件判断断层启闭性，并结合流体地球化学异常辅助筛选出可能与地震作用直接相关的异常临跳指标。

4 结语

基于前人对于断层泥结构、显微特征、高温高压模拟实验研究，浅部断层泥碎岩可以用来研究活动断层，但由于温压、围岩条件改变，与深部断层泥特征不一，并易受到后期改造，不能作为单一的预测手段。而活动断裂带流体地球化学的异常信息，虽然在震前震后均有临震异常，但局限于大量数据监测总结，可预测性不是很强，并且存在活动断裂与非活动断裂异常信息鉴别困难、断层活动强度与流体异常强度难以关联、气体来源不唯一具有多解性等问题。基于上述研究结果，建议从新老断层泥氧化还原条件与断层启闭性入手，用流体地球化学异常筛选可能与地震作用直接相关的异常临跳指标。

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Discussions about Combination Possibilities between Fault Gouge Researches and Fluid Geochemistry in Active Fault Zones

CHENG Shuting1，2，CAO Jianjin1，2

(1. School of Earth Science and Geological Engineering, Sun Yat-Sen University,Guangdong Guangzhou 510275;2. Guangdong Key Laboratory of Geological Process and Mineral Resources Exploration,Guangdong Guangzhou 510275, China)

Active fault zones are the major research direction in earthquake prevention. Recent researches on fault gouge in active fault zones focus on mineralogy and micro-structure, which can’t be used to short-and temporary-term earthquake forecast. There are successful cases in short-term and temporary-term earthquake forecast by monitoring CO2concentration through fluid geochemistry researches. However, it is limited to further studies because of lack of theoretical explanations between abnormal gas index and seismic activities. There are not directed abnormal gas index. This paper aims at summarizing previous researches in both directions and make discussions about combination possibilities between fault gouge researches and fluid geochemistry in active fault zones.

active fault zones; fault gouge; fluid geochemistry; impending earthquake prediction

2016-07-14

程书婷(1993-)，女，河南省光山县人，硕士研究生，E-mail:chengsht@mail2.sysu.edu.cn.

曹建劲(1958-)，男，广西省合浦县人，教授，博士生导师，E-mail: eescjj@mail.sysu.edu.cn.

P315.724

B

1001-8115(2017)01-0024-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.01.006