五家垄断层泥地球化学-矿物学特征及其地质意义

王超，尹皓，张航，邓广超，赵学伟，陈献云



五家垄断层泥地球化学-矿物学特征及其地质意义

王超，尹皓，张航，邓广超，赵学伟，陈献云

（东华理工大学地球科学学院，南昌 330013）

通过对绍断裂的次级构造，浙江省江山市五家垄3条小断层，F1、F2、F3断层泥和断层围岩扫描电子显微镜-X射线能谱、主量元素及铁的价态系统研究发现：F1、F2断层泥中发现了菱锰矿，显示该断层的早期活动中卷入了陡山沱组（Z2d）的含锰地层，断层泥中Na、Al、Si、Mg和Fe等活泼元素的含量变化较大。F1上、下盘以还原铁为主，断层泥以氧化铁为主；F2上盘以还原铁为主，断层泥和下盘以还原铁为主；F3断层均以氧化铁为主，指示断层近期不活动或者为地质块体内断层；而F1和F2断层围岩与断层泥氧化还原环境的差异性显示断层存在多期活动。

断层；断层泥；活动期次；五家垄

由于断层活动，断层上盘与下盘之间产生摩擦，从而在断层带中形成了断层角砾岩。随着摩擦的继续，便会出现更细粒的物质，就是我们称之为断层泥的粘土和泥质。断层泥的形成和积累很大程度上依赖于物理化学条件[1-3]，特别是断裂带内的氧化还原梯度[3]。通过研究断层泥的物质组成、微观形貌、矿物成分和化学成分等，可帮助恢复断层活动的相关信息[4-7]。断层泥已成为研究断层活动性的重要媒介[8]。通过对断层泥的研究来获取断层活动的信息，目前已经取得了一些成果，例如通过分析断层泥中矿物表面微观结构来确定断层活动年代及其地震活动性[9-12]；研究断层泥的粒度特征及粒度分形来判断断层活动性[7]；对断层泥进行矿物学特征研究，分析断层活动特征，还能助力矿床的研究和找矿预测[13-14]；通过分析断层泥中铁元素化学种，来判断断层活动性和活动期次[3]、 [8]。目前对断层泥进行构造地质背景，矿物学，微观结构，元素地球化学特征全面研究的报道罕见。

近年来构造地震灾害的频繁发生，导致国民经济和生命财产受到严重损失，如2008年汶川地震。浙江江山五家垄断层为一正-左行平移断层，断层带内发育有断层角砾和断层泥[15]，我们在其最近开挖出的新鲜断层面发现断层泥内出现了黑色断层泥（图1b），黑色断层泥与土黄色断层泥共生，将黑色断层泥剥开，里面包裹着土黄色的断层泥，而江山于2013年3月发生过M1.2级地震。为探索摸清黑色断层泥是否与构造地震有关，是否为断层活动的产物，本文将对五家垄断层泥进行开展矿物学、微观结构和元素地球化学特征研究展开工作，初步探讨五家垄断层的活动性。

图1 五家垄断层野外露头

（a）断层面及采样点。（b）黑色断层泥出现在土黄色断层泥中。（本研究中样品采集时间是该断面开挖的两天后，野外采集后用干燥的聚乙烯样品袋密封装袋，尽快运回实验室分析处理）

1 江山地质概况

浙江省江山市位于扬子板块东南缘，以江山-绍兴深断裂为其东南界，毗邻华夏板块武夷地块[15]。晋宁运动后，扬子板块与华夏板块对接，震旦纪浙皖裂陷盆地演化开始，加里东运动造成了江山地区总体抬升和盆地的消亡；印支运动时期，在受到古太平洋向欧亚板块的南东向挤压作用下，江山地区形成的北东-南西向的印支期褶皱、断裂以及其它伴生和派生构造奠定了本区的构造格架；燕山-喜马拉雅期，江山地区开始受太平洋板块的影响，从震旦纪到中三叠世的板内发展时期转化为大陆边缘活动带时期，形成大陆边缘活动带[16-20]。

野外踏勘结果显示，五家垄断层切割了砚瓦山组（O2y）、黄泥岗组（O3h）和长坞组（O3c）地层。砚瓦山组厚155.2m，下部为灰绿色瘤状泥灰岩、灰黑色微晶灰岩夹钙质页岩，中部为紫红色瘤状泥灰岩，上部为灰色砾屑灰岩夹钙质页岩、灰色瘤状泥灰岩，产化石。黄泥岗组厚22.4m，岩性为泥岩、砖红色页岩、粉砂质页岩，下部含较多硅钙质、钙质结核，其中钙质结核中心一般为保存完整的化石，钙质结核中未见，产有丰富的化石。长坞组厚320m，岩性为灰绿色、灰黄绿色页岩、钙质页岩夹粉砂岩、细砂岩，构成了韵律层。斜层理、水平层理、包卷层理、透镜状层理、波痕及槽模发育，化石稀少，五家垄断层主要在该组出露。

2 围岩及断层泥特征

五家垄断层为一斜向上-左行平移断层。该断层主要出露于奥陶系地层中，由五家垄南部沿北北西方向延伸至郑家坞东部，全长约2km。断层面产状64°∠81°，存在宽窄不一的断层破碎带，一般都小于1m。斜切五家垄背斜，沿走向方向左行水平错开断距近200m。断层两盘五家垄背斜核部的出露宽度具明显的变化，北东盘（上盘）背斜核部出露窄，根据背斜两翼产状推测，上盘下降的垂直分量约120m。断层上盘滑动线在断层面上的侧伏角约31.5°。

图2 断层围岩镜下照片（Qz-石英，Ms-白云母）

a.围岩JS01样品镜下照片，正交偏光； b.围岩JS09样品镜下照片，正交偏光。

表1 五家垄断层泥和断层围岩样品特征

2.1 围岩岩石学特征

断层两侧岩石较为破碎，挤压片理不发育，岩性以灰绿色泥岩、紫红色结核页岩、黄绿色细砂岩-粉砂岩-泥岩为主（图1）。断层围岩样品JS01、JS03、JS04、JS08、JS09在显微镜下观察，可见泥状结构、水平纹理构造，主要由粘土矿物、石英、白云母和隐晶质矿物集合体组成。粘土矿物呈泥状集合体产出，矿物粒径小，多小于0.005mm，为伊利石、高岭石等粘土矿物微晶—隐晶质集合体，多富集成微层平行层面排列，均匀分布，含量约60%；石英呈它形粒状，粒径0.04×0.1～0.1×0.14mm，分选中等、磨圆较差，具弱定向性。单偏光镜下无色透明，表面较为毛粗，发育波状消光，正低突起，正交偏光下可见一级黄白最高干涉色，含量约30%；白云母呈鳞片状，粒径0.03×0.05～0.05×0.08mm，单偏光镜下无色，多色性不明显，正低突起，最高干涉色达Ⅱ级蓝绿—Ⅲ级蓝，近平行消光，均匀分布于样品中，含量约5%；还存在无固定形态的碳质，偶见炭屑，多与粘土矿物相伴，单偏光镜下呈深褐色或黑色，正交镜下全消光，零星分布，含量约1%；此外，还存在有零星分布含量约5%的不透明矿物（图2）。

2.2 断层泥特征

五家垄断层的下盘靠近断层面处发育若干条产状和性质均相近的小断层，观察面上表现为左行错开，呈阶梯状（图1a）。可见断层角砾和断层泥。断层泥为土黄色，还夹有略潮湿黑色断层泥（表1，图1b）。角砾多呈尖棱状，大小不一，定向性不明显，挤压片理发育，局部可见胶结松散的碎裂岩。

3 围岩及断层泥矿物学特征

为确定断层泥和断层围岩的矿物组成，对采自F1和F2断层的7个样品进行SEM-EDS（扫描电子显微镜-X射线能谱）分析测试。进行SEM-EDS分析测试之前，首先将样品进行粉碎，选择破裂面新鲜、存在相对平坦面的碎块，然后对碎块样品编号，使用导电胶将其固定在样品靶上。值得注意的是样品待测面应尽量水平、等高，装入干燥器皿中镀金。之后将待测样品放入真空的扫面电镜室。在电脑上选择不同的放大倍数来观察矿物表面的结构并拍照，寻找目标位置，对其进行EDS分析，SEM仪器型号为NNS450，EDS仪器型号为X-Max，均为捷克FEI公司所生产，分析电压15kV，spot size值为3。

图3 五家垄断层泥、断层围岩矿物扫面电镜图

a.书页状高岭石；b.丝发状伊利石；c.椭球状菱锰矿；d.绿泥石与石英；

表2 五家垄断层泥和断层围岩样品主量元素分析数据

SEM二次电子像中最常见矿物是石英，也可见书页状高岭石（图3a），丝发状伊利石（图3b）和椭球状菱锰矿（图3c），由于五家垄断层围岩和断层泥中最常见的矿物是石英。SEM-EDS分析结果显示：①样品JS01、JS02-1、JS02-2、JS03、JS06均含有较多的石英以及少量粘土矿物；②样品JS07、JS08则以伊利石等粘土矿物为主，JS02-2和JS07样品中还含有菱锰矿；③所有样品中伊利石和高岭石是最常见的粘土矿物（图3）。断层泥中以石英、伊利石、高岭石绿帘石和菱锰矿等矿物为主，而断层围岩中存在的矿物有石英、伊利石、高岭石，指示具有一定的继承关系，在江山的地层中，只有陡山沱组（Z2d）出现了含锰灰质白云岩，可能是由于断层滑动过程中卷入了陡山沱组（Z2d）含锰地层[21]。

4 断层泥地球化学特征

对采自F1、F2和F3断层的11个样品（断层泥及围岩）进行主量元素分析：首先将干燥样品研磨至200目，然后称取全岩粉末加入助熔剂（含硝酸锂），充分混合后，进行高温熔融。再将熔出物倒入铂金坩埚融化成扁平玻璃薄片，采用X射线荧光光谱仪分析。同时称取相同重量的另一份试样放入马弗炉，于1 000℃光加热1小时。冷却后称重。样品加热前后的重量差即是烧失量（LOI）。X射线荧光光谱仪型号为Philips PW2404，为荷兰所产。对采自F1、F2和F3断层的11个样品进行氧化亚铁含量分析：首先将干燥样品研磨至200目，然后称取全岩粉末使用硫酸和氢氟酸消解，再倒入装有稀硫酸的烧杯中，用重铬酸钾溶液滴定。

五家垄F1、F2、F3断层泥及断层围岩的主量元素分析结果见表3。样品（断层泥及围岩）中Al2O3和SiO2的含量相对富集，与样品中主要矿物为石英和成分为铝硅酸盐的粘土矿物相对应。JS02-2和JS07样品中MnO含量高于其它所有样品。除JS07之外，其它4个断层泥样品的Al2O3均要高于断层围岩。Al2O3、K2O随着SiO2的增加均显明显降低的趋势；Na2O和TiO2则呈增加趋势。SiO2含量的变化对CaO、TFe2O3、MgO、MnO的影响不明显。由于断层活动，断层带内与地下深部存在物质交换，特别是还原性物质的加入，导致断裂带为还原环境。通过测定断裂带内的氧化还原环境能够间接得说明断层的活动性。F1断层的JS01和JS03两个灰绿色断层围岩样品以三价铁占主导，显示相对还原的环境；而含黑色有机质土黄色断层泥JS02-1、JS02-2和JS02-3则全是以二价铁为主，显示相对氧化的环境。在F2断层中，断层上盘的JS06样品，以二价铁为主，显示相对还原的环境，而处于下盘的JS08与其断层泥样品JS07则相反，以三价铁为主导，显示相对氧化的环境。在F3断层中，两个断层围岩和三个断层泥样品则全部是以三价铁为主，都是氧化的环境。

表3 五家垄断层泥和断层围岩样品铁元素赋存状态

5 结论

通过野外实地考察和对断层泥和断层围岩进行SEM-EDS、主量元素、铁的价态研究，得出以下观点：

1）断层泥和断层围岩中矿物成分有所不同，断层泥中粘土矿物含量高于断层围岩，而粘土矿物的含量与断层活动性密切相关，粘土矿物的含量越高，断层活动的几率则越大；特别是在F1和F2断层泥样品中发现了菱锰矿，而其断层围岩没有，说明断层在早期有过活动，并且卷入了陡山坨组（Z2d）含锰地层；

2）断层泥中Na、Al、Si、Mg和Fe等活泼元素的含量变化较大，说明断裂曾经的活动程度较大。

3）F1断层上、下盘是还原环境，断层泥是氧化环境；F2断层上盘是还原环境，断层泥和下盘是氧化环境；F3断层上、下盘和断层泥均是氧化环境，说明3条小断层近期不活动或者是地质块体断层。而F1和F2断层围岩与断层泥氧化还原环境的差异性正好说明断层活动的多期性。

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Geochemical-Mineral Characteristics and Their Geological Significances of Fault Gouge of the Wujialong Faults In Jiangsu

WANG Chao YIN Hao ZHANG Hang DENG Guang-chao ZHAO Xue-wei CHEN Xian-yun

(College of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013)

6 small faults are developed in the Wujialong Fault belt, Jiangshan, Zhejiang. Geological survey, SEM and EDS for fault gouge and wallrock samples from the faults F1, F2, and F3 indicate that (1)rhodochrosite occurs in fault gouges from F1 and F2, suggesting that the fault was involved in the Mn-bearing beds of the Doushantuo Formation (Z2d), (2) content of active elements such as Na, Al, Si, Mg and Fe in the fault gouge varies greatly, (3) the hanging and foot walls of the fault F1 show the reducing environment, the fault gouge was formed in an oxidizing environment, the hanging wall of the fault F2 shows the reducing environment, the fault gouge and the foot wall show the reducing environment, fault F3 show the oxidizing environmentwithout exception. The differences in redox environment between faults F1, F2, wall rock and fault gouges indicate multiple activity.

Jiangshan; fault gouge; organic matter; active stage; geochemistry

2017-06-01

王超（1992-），男，硕士研究生，专业方向：构造地质学

P548

A

1006-0995（2018）01-0019-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.01.004