浮来山断裂带流体活动期次分析——断裂带内方解石脉的阴极发光证据

李 月，刘 铮

（山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590）

浮来山断裂带流体活动期次分析
——断裂带内方解石脉的阴极发光证据

李 月，刘 铮

（山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590）

浮来山断裂带为郯庐断裂带在山东境内沂沭断裂带的一条分支断裂，经历了多次构造运动。通过对取自浮来山断裂带内方解石样品的阴极发光分析，探讨断裂带流体活动期次以及构造运动与流体活动的相关性。研究表明：断裂带内方解石表现为3期不同的阴极光，说明不同期次流体所含有的微量元素种类不同，断裂带内方解石脉受到的影响不同；浮来山断裂带流体活动分为3个期次，说明浮来山断裂带经历了3次大规模的构造运动，与沂沭断裂带的活动期次相一致。

浮来山断裂；沂沭断裂带；流体活动期次；阴极发光技术

浮来山断裂是沂沭断裂带东部安丘-莒县断裂右旋走滑派生的一条次级断裂[1]（图1），其活动过程受到沂沭断裂带活动的影响，经历了多期次的构造活动。关于沂沭断裂带的活动期次研究，前人开展过大量的研究工作，其认识主要集中在以下几个方面：①在野外露头调查的基础上，结合地球物理、地球化学特征，将沂沭断裂带划分为4个演化阶段[1]；②通过对沂沭断裂带活断层的结构特征、运动学及动力学特征分析，认为沂沭断裂带第四纪以来呈现为逆右行平移的活动性，且总体表现为东强西弱、南强北弱[2]；③应用重力勘探方法，对断裂带由浅部到深部多层次研究，揭示该区具有强震发育的孕震环境[3]。关于浮来山断裂带的研究，主要描述了几何展布特征及最新活动时代为晚更新世[4]。

断层大规模“幕式”活动导致断裂带内的流体活动具有期次性，不同期次活动流体的性质、温度和压力存在差异，这些信息会以成岩作用保存在断裂带内充填的矿物中。断裂带的矿物岩石学、流体活动热力学特征以及流体改造岩石的地球化学特征是研究断裂活动时间、规模和断裂带流体性质、成分、期次、方式和规模的有效信息。断裂带中方解石脉的形成和发育表明流体沿断裂和裂缝的大规模运移，其化学特征可以反映成岩流体性质、沉积环境等，还可以记录多期成岩流体作用过程。由于碳酸盐岩矿物的阴极发光特征主要受活化剂Mn2+和猝灭剂Fe2+的控制，因此通过对方解石脉阴极发光特性的分析，可以推断形成脉体的流体性质，确定流体的活动期次。目前国内外学者已将阴极发光技术应用到成岩成矿规律研究中[5]，主要用于分析母岩性质，推断物源方向及成岩环境，较少用于探讨碳酸盐岩成岩作用及其受外界条件的影响因素。

浮来山断裂带两盘均为碳酸盐岩，断裂带内发育大量被方解石脉充填的裂缝，本文以浮来山断裂带为研究对象，主要利用阴极发光技术研究碳酸盐岩成岩过程中流体的作用，并以此推断断裂带内流体活动期次，为探讨浮来山断裂带的构造演化提供新的佐证。

1 地质背景

浮来山断裂带位于S336道界碑南侧，出露较好，整体走向呈北北东向，倾向45°～50°。发育两条断裂带，其中1号断裂带（图1（b））内部为一宽约20 m的灰白色正长岩侵入体，断裂带两盘均为寒武系朱砂洞组灰黑色灰岩，两侧灰岩中裂缝发育且多被方解石脉充填，上盘距侵入体3 m处发育一次级断裂，且断层核部被断层泥充填。2号断裂带（图1（c））位于正长岩侵入体东侧200 m处，断层核部被一宽约1 m的方解石脉充填（图1（g）），断层面上可见清晰的擦痕和阶步（图1（f）），两侧亦为寒武系朱砂洞组灰黑色灰岩，灰岩中发育不同走向的裂缝（320°、40°），均与断面（走向280°）斜交。野外露头观察发现，方解石脉体主要表现为以下特征：部分脉体被后期地质作用错断；产状不稳定，延伸距离较短且自行消失；距断层核越远，数量越少，宽度越窄。

图1 浮来山断裂带宏观剖面及取样图Figure 1 Macroscopic section of Fulaishan fault zone and sampling points

2 浮来山断裂带内方解石脉阴极发光特征

2.1 方解石阴极发光实验原理

实验采用山东科技大学阴极发光实验室RE⁃LIOTRON阴极发光仪配以偏光显微镜，将束流调至0.15～1 mA（当束流较小时，视域较暗；束流大于1 mA时阴极光亮度随束流的增大变化不明显），观察样品的阴极发光情况（图2（a）、图3）。研究表明，碳酸盐岩矿物的阴极发光性受控于晶格中Fe2+、Mn2+的质量分数，Mn2+为重要激活剂，Fe2+为猝灭剂，根据方解石脉体中Mn2+/Fe2+比值的不同，脉体在镜下呈现不同强度的阴极光[5]。早期形成的方解石脉阴极发光较弱，呈红色到暗红色，可能是因为脉体中Mn2+/ Fe2+比值较低，阴极光被猝灭；晚期形成的方解石脉发光较强，Mn2+/Fe2+比值相对较大，呈鲜红色到橙红色。根据阴极发光下方解石脉表现出的发光特性不同，可区分不同期次的流体特征。取自浮来山断裂带的样品共22个，均来自断裂带东盘（图1）。选取其中5个进行流体期次分析，样品可见3期发光，对反映流体活动情况具有一定代表性。

2.2 实验结果分析

单偏光下，样品中方解石脉的形态较为单一，仅能识别出脉体轮廓、裂隙位置及形态，而脉体的形成期次则难以确定；但脉体中的方解石呈现不同颜色的阴极光，脉体与围岩的阴极光也会存在明显的差异，利用这种差异性就可以明确地分析脉体的形态、确定脉体的形成期次（图2，图3）。5块样品的阴极光表明，方解石脉的宽度为1 mm～5 cm，阴极光存在明显差异，其中方解石的大部分区域阴极光颜色较暗，为暗红色，发暗红色阴极光的方解石脉被发橙黄色阴极光的方解石脉穿插，或者方解石颗粒呈现为橙黄色与亮红色的环带状，或者方解石颗粒从边缘向中心由暗红色变为亮红色，阴极光为暗色的脉体多与早期注入的流体有关，而亮色的脉体则为后期流体沿早期脉体中的裂缝进入形成的。

图2 方解石脉阴极发光（a）单偏光下（b）特征对比图(50×)Figure 2 Calcite vein cathodoluminescence(a)under plane-polarized light;(b)features comparison chart(50×)

图3 浮来山断裂带样品阴极发光照片(50×)Figure 3 Photos of cathodoluminescence samples from Fulaishan fault zone(50×)

样品Fls-w-9（图2a）中的方解石脉阴极光下呈红褐色、暗红色及亮红色，其中除a1外，其余均为方解石的阴极光，a4处为整个样品中阴极光最亮的区域，为亮红色，表明该区方解石脉体形成时，流体中Mn2+的含量最高，a2、a3处阴极光为暗红色、红褐色，说明该区方解石脉体形成时，流体中Mn2+含量较低，形成的方解石为低镁方解石，激发的阴极光也较弱，3种不同颜色阴极光表明，样品中方解石脉的形成与3期流体活动有关。样品Fls-w-3（图3a）方解石脉中发育一条宽约10 um的裂隙，裂隙两侧方解石的阴极光呈亮红色，明显比靠近围岩方解石的阴极光（暗红色）亮，其原因为流体沿裂缝注入，方解石首先沿围岩结晶析出，由裂缝两侧逐渐向裂缝中心生长，靠近围岩的方解石阴极光颜色较暗，原因是该时期注入的流体中含有少量激活剂Mn2+或过量猝灭剂Fe2+，致使阴极光被猝灭，也体现了晚期流体对早期沉淀形成的方解石具有进一步的浸染作用[6-7]。裂隙中心不发光，说明裂隙尚未闭合，该样品中方解石脉形成于两期流体活动。样品Fls-w-16（图3b）中方解石脉的阴极光主要呈暗红色，仅在方解石颗粒边缘为红色，阴极光下表明，该样品中方解石呈菱形（b3）或不规则六边形（b1、b2），环带宽度较小，在1～5 μm，环带亮度均较大。方解石的形态与结晶空间有密切关系，在生长空间充足时方解石环带呈规则自形，在与周围晶体竞争生长环境时发生变形[7]。样品Fls-w-20（图3c）方解石脉中明显存在由暗红色到亮红色的环带，表明有两期流体活动。样品Fls-w-14（图3d）方解石脉的阴极光较复杂，紧邻围岩的方解石脉阴极光呈红色，向脉体中心变为暗红色，上述两部分方解石晶形不明显，脉体中心为橙黄色与红色相间的条带状，方解石结晶好，自形程度高，反映了晶体生长空间充足。阴极光的差异反映不同期次流体的差异，发光强度大的方解石，代表流体中Mn2+/Fe2+值更大，发光强度低的方解石，说明Mn2+/Fe2+值较小[8]。从形成环境方面分析，亮暗相间环带的出现可能是由于外界条件发生改变导致流体成分的变化[9]。因此，样品Fls-w-14中方解石脉的形成与3期流体活动有关，d1部分中含有许多相似的环带结构，环带发光强度大致相同，推断该区可能为一方解石晶洞，由于晶洞中空间充足，方解石晶体表现为规则生长。d2贯穿于d3之间，可以推断其形成时间晚于d3，因而表现出的阴极发光性也较d3强。

3 浮来山断裂带内流体活动分析

3.1 流体活动影响范围

对取自浮来山断裂带的22个样品中方解石脉的阴极发光特征进行统计（表1），可以反映流体活动期次及各个期次的流体所能影响的断裂带范围。总体来看，方解石脉主要表现为2～3种阴极光区域，且随着与断层核距离的增大，发光区域减少。具有2种发光强度的方解石脉相较于3种发光强度的方解石脉来说，主要缺乏最强发光强度的黄色（图3），反映具有高Mn2+/Fe2+值的流体对断裂带的影响范围有限，主要涉及到距断层核1～10 m。而且根据不同发光强度脉体之间的相互关系，发黄色光的方解石脉应为最晚期流体活动形成的，说明最后一次流体活动并未影响整个断裂带，在0～1 m及＞10 m内均已波及。

表1 浮来山断裂带方解石脉阴极发光特征表Table 1 Fulaishan fault zone calcite vein cathodoluminescence features

对于脆性断层而言，断层活动初期，首先产生微裂隙，且多为张裂隙，微裂隙逐渐扩展联合，最终形成宏观破裂面。在后期的活动过程中破裂范围不断扩大，先期形成的裂缝在水岩相互作用下逐渐闭合不利于后期流体的进入，这就造成了在距断层核0～1 m内缺少最后一期流体活动。而随着距断层核距离的增大（＞10 m），断层活动逐渐减弱，裂缝密度降低，也不利于流体的活动。因此，对于浮来山断裂带，3期流体活动的范围主要集中于距断层核1～10 m内。

3.2 流体活动期次

碳酸盐岩中方解石胶结物的结构与微量元素构成是碳酸盐岩成岩作用研究中反应成岩流体性质的重要手段，原始沉积的碳酸盐岩中Mn2+质量分数较小，因此在阴极光的照射下表现为不发光或发光较弱；而受含Mn2+较多的流体影响的碳酸盐岩矿物，在阴极光的照射下，发光较强。

浮来山断裂带内以脉体产出的碳酸盐岩矿物阴极光的颜色不同，与以下两方面因素有关：①多期构造运动的影响。浮来山断裂内流体活动频繁，流体域碳酸盐岩矿物发生元素交换形成了不同颜色相间的环带结构，环带数量代表热液活动期次；②受构造运动影响，碳酸盐岩破裂形成断裂带，后期流体沿开放断裂带注入，流体过饱和的碳酸盐矿物结晶析出，由于每一期次流体中微量元素的含量存在差异，造成不同期次结晶析出的方解石对阴极光的激发能力也不同。详细分析取自断裂带的22块样品发现，脉体中的方解石形态主要有两类：①沿裂隙生长的方解石，沿裂隙两侧向中心生长，越靠近中心受流体影响越大，受流体中Mn2+影响，表现为较强的阴极光，距围岩较近部分受流体影响小，表现为较弱的阴极光。部分样品中的裂隙闭合程度较好，仅能观察到裂隙的位置，部分样品中裂隙未闭合，因此不发光；②呈环带状的方解石，自形程度较好，呈规则六边形或菱形，不同环带在阴极光的照射下发光特征不同，说明方解石生长空间充足以及环境变化导致流体成分的变化。两种类型的方解石样品中大多可以观察到3种不同颜色的阴极光区域，部分可以观察到2种，少数有1种，但这两类方解石均能说明该断裂带内经历过3期流体活动。

4 流体活动期次与构造运动之间的耦合关系讨论

断层是一个具有复杂结构的三维地质体，可以是流体运移的通道，也可以起封堵流体的作用，导致每一期流体活动的影响范围存在差异。断裂带内的方解石脉体是由流体沿断裂带活动、流体中过饱和的碳酸盐矿物结晶析出而成，而断裂带内的流体活动与断裂的活动期次密切相关，在断裂活动期，断裂带内发育大量裂缝，这为流体活动提供了空间，流体的注入会对早期结晶析出的方解石产生影响[10-12]，断裂的多期活动伴随着多期次流体注入，在多期次流体与方解石的相互作用之下，断裂带内充填的方解石脉在阴极光的照射下必然会呈现出不同的颜色；在两次断裂活动间歇期，断裂带逐渐闭合，流体无法注入，断层内部的方解石不受流体的影响，成分简单，在镜下表现的阴极发光特征也较为单一。

浮来山断裂带隶属于沂沭断裂带的分支断裂，其活动性受控于沂沭断裂带。沂沭断裂带位于郯庐断裂带中段，长330 km，宽20～60 km，南、北端被第四系所盖，总体呈10°～25°方向展布，由北向南渐趋收敛变窄。通过前人对沂沭断裂带构造运动的研究[1]，认为该断裂带经历了四个阶段的构造运动：①诞生时期：晚侏罗世在蒙阴盆地出现坊子组含煤线建造，是沂沭断裂带活动导致，诞生于早侏罗世；②左行平移阶段：沂沭断裂带在诞生期已开始了左行剪切运动并逐渐增强，同时形成了四条剪切断裂，晚期初具“堑垒”构造。③张扭性裂谷阶段：沂沭断裂在莱阳期平移过程中持续下切，导致地幔隆起，驱动沂沭带横向扩张，诱发大规模火山喷发，使沂沭断裂带左行走滑受到影响，变为以差异升降为主，沂沭断裂带下部地壳由于火山喷发产生断陷，在火山岩台地基础上形成了地堑内的拉分盆地，导致断裂带东西沉积条件发生差异。④挤压断块运动阶段：新生代以来，沂沭断裂带进入挤压隆起阶段，该期沂沭带活动时伴随微弱的左行平移，使断裂带两侧表现为不同沉积建造。总之，沂沭断裂带经历了燕山运动和喜马拉雅运动的演化，最终在断裂带两侧表现为不同沉积特征以及活动强度、方式的纵向差异，南部区段以隆升为主，北部则形成断陷-凹陷盆地。

沂沭断裂带的后三个运动阶段派生了大量的次级断层，浮来山断裂带即为此时派生。浮来山断裂带在白垩纪青山期之前表现为压扭性平移断裂，在八亩地组沉积以后活动性减弱，并长期被改造，因此控制了断裂带内的流体活动。受沂沭断裂带的影响，浮来山断裂带经历的构造运动大致分为3期，这与采用方解石脉的阴极发光特征判断的流体活动期次相吻合，而部分样品中只有1～2期阴极光，原因可能有：①取样点距断层核的距离：距离断层核距离越远，断层开放程度越差，流体活动范围越小，甚至不受某些期次流体影响，表现为流体期次与构造运动期次不一致，另外，在靠近断层核（0～1 m）处，受断层后期活动的影响，早期裂缝被充填，导致后期流体不易进入，与整体活动期次不一致；②流体中所含元素的差异：若两期流体中含有等量的Mn2+、Fe2+，样品将表现出相同的阴极光。

5 结论

通过对浮来山断裂带内方解石样品的阴极发光分析，结合沂沭断裂带的构造演化历史，得到如下结论：

①方解石晶体在阴极发光下表现的形态由其生长空间所决定，仅在生长空间充足时呈规则形态生长。断裂带中的方解石表现为3期不同的阴极光，反映断裂带内流体活动分为3个期次，3期流体活动的范围主要集中于距断层核1～10 m内。

②浮来山断裂带经历了3次大规模的构造运动，与沂沭断裂带的构造演化期次基本一致。

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Fulaishan Fault Zone Fluid Activity Phase Analysis——Evidence from Calcite Vein Cathodouminescence within Fault Zone

Li Yue,Liu Zheng
(College of Earth Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590)

The Fulaishan fault zone is a branch of the Yishu faulted zone—Shandong segment of the Tancheng-Lujiang discordogenic fault,had experienced multiple tectonic movements.Through cathodoluminescence analysis of calcite samples from Fulaishan fault zone discussed fluid activity phase and interrelation between tectonic movement and fluid activity.The study has shown:the fault zone calcite has 3 different cathodoluminescence phases,illustrated different phases fluid contained different trace elements,and different impacts on calcite vein.The 3 phases of fluid activity can illustrate the fault zone has experienced 3 massive tectonic movements,con⁃sistent with activities in Yishu faulted zone.

Fulaishan fault;Yishu faulted zone;fluid activity phase;cathodoluminescence technology

P542

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.02

1674-1803(2017)03-0005-05

山东省高等学校科技计划项目“脆性正断层断裂带水-岩相互作用机理研究”（J13LH02）

李月（1979—），女，河北沧州人，博士，讲师，主要从事构造地质学的教学科研工作。

2016-11-23

责任编辑：宋博辇