论述现代分析测试技术对活动断裂带内断层泥“微纳米尺度”的作用

华嵘辉

（江西省地质矿产勘查开发局赣中地质大队，江西 南昌 330013）

断层泥是断层活动的信息载体，通过解析断层泥中矿物颗粒表面微形貌信息，可以了解断层活动性历史，有助于对断层的地震危险性作出正确评价。因此，通过研究活动断裂带内断层泥中的“微纳米尺度”可以正确的出构造活动的年代、断层活动期间的剪切作用及活动间歇期。

1 分析测试技术在断层泥中的运用

断层泥中的“微纳米尺度”所运用的现代分析测试方法，主要是通过扫描电子显微镜（SEM）对断层泥中矿物颗粒测年及其TEM 透射电镜等方法对断层泥进行解析。其中，断层泥中矿物颗粒测年方法主要包括：石英表面溶蚀微观形貌特征测年、断层泥电子自旋共振测年（ESR）、断层泥释光测年（TL,OSL）等。

石英表面溶蚀微观形貌特征测年是利用断层泥中石英颗粒来进行扫描电子显微镜（SEM）测年，目前中国大部分地质院校、研究所在对断层泥进行测年都使用这种方法。通过断层泥中石英颗粒SEM扫描电镜分析，观察石英微形貌，了解这些微形貌类型并根据石英颗粒表面微形貌特征类型的相对时间标尺（Kanaori et al.,1980）可推测出断层的最新活动时间。Kanaori（1980）通过日本Atotsugawa 断裂中断层泥石英颗粒表面的SEM 微形貌观察将微形貌分为溶蚀微形貌和应力破裂微形貌。

扫描电子显微镜（SEM）主要有几大特点：成像直观、分辨率高、景深长、立体感好、样品制备简单等优点，已成为地学中分析测试仪器家族的重要成员之一，是自然科学研究领域的一种显微样品。特征研究所必需的观测工具已逐渐广泛应用于地质科学研究领域（陈莉等，2015）。将扫描电子显微（SEM）运用到断层泥石英颗粒微形貌测年中，其优点在于成像直观、分辨率高、景深长、立体感好、样品制备简单等；但是缺点为受时间限制，因断层泥中石英颗粒受溶蚀的时间足够长时，大约10Ma 后，其表面结构趋于相同，故测年的时间最多为10Ma，时代为中新世，且SEM 扫描电镜很难观察断层泥中石英颗粒里比较细的黏土矿物。其中SEM 扫描电子显微镜上通常配有X 射线能谱仪，可在观察微形貌的同时进行成分分析。可以将X 射线能谱分析运用到断层泥特征研究，通过分析样品中的能谱就能推测出大部分样品中的纳米颗粒属于哪一类矿物，并且还能对一些细小矿物进行鉴定和半定量分析。例如，沉积岩中的黏土矿物（＜2μm），伊利石、蒙脱石、绿泥石等，在形貌上几乎没法区分，而能谱的微区分析即可快速、有效地区分出这些矿物（Li 和Xiao，2012）。但是X 射线能谱仪也有缺陷：由于大部分地质样品不导电，在低真空模式下进行能谱分析时，会因为电子束的散射，而检测到检测区域外的元素所导致测出的能谱可能有一定的误差。

断层泥电子自旋共振测年方法（ESR）广受地质学界的关注。断层泥ESR 测年原理可简述为：断层中的主动摩擦产生的热量和活动过程中的剪切作用使断层泥的ESR 信号归零。断层活动后，断层泥中的定年矿物是由自然环境中的电离辐射损伤产生的，并积累了新的磁心，通过用ESR 谱仪测量顺磁中心的数目，可以确定样品所接收到的等效剂量ED（Gy），然后根据样品所处环境的剂量率D（Gy/ka），即A 等于ED/D，确定故障最后一次强烈活动的年龄A（高璐等，2011）。ESR 测年法是一种实验方法。但仍有许多不确定因素，如样品含水量的变化、剂量率的计算以及后期的活动对ESR 年龄有重要影响（Fukuchietal.,2001）。ESR 测年的缺点是，如果断层活动强度不强，ESR 信号可能不归零，导致ESR 年龄偏大；由于采集的断层泥不是断层活动的产物，在测量过程中不能形成不同的周期，石英颗粒被分离，导致ESR 年龄与野外地质地貌对比年龄相差较大。

断层泥释光测年（TL，OSL）以石英或方解石脉等矿物为试件。断层盘两端挤压摩擦产生的温度和压力，会导致这些矿物中热释光信号的早期释放消失，又可称为“地质时钟”归零。然后，当板块中的断层处于静止状态时，这些矿物再次接受来自周围辐射场的核辐射，开始储存热释光能量，“地质时钟”又开始重新计时，此时存储的时间信息便是迄今为止的断层终止活动时间。因此，测得的热释光年龄相当于热事件的年龄，即断层活动相当于一个热时间，由此计算得出断层的年龄。热释光测年具有测时范围大(10～2—n×10～6a)、可供测年的物质广泛、样品需求量少等优点（盛小青等，1994）。张家富等（2007）认为断层泥释光测年一般测量用于第四纪石英颗粒，假设断层泥中颗粒是第四纪以前的岩石，在形成断层泥的时候又没有明显加热，则这些物质可能并无足够的释光灵敏度来进行测年。断层泥释光测年最大的问题在于埋藏前释光信号回零，因此取的样必须装入黑色塑料样品袋避光保存，样品入袋前将大于2mm 砾石剔除（申俊峰等，2007）。

透射电子显微镜（TEM）（Transmission electron microscopy）是1932 年Ruska 以电子束为光源所发明的一种显微镜。TEM 的作用在于观察纳米粒子的形貌、评估纳米粒子的粒径，常用于观察普通显微镜不能分辨的细微物质结构。目前TEM 的分辨率可达0.2nm，其应用于断层泥矿物颗粒分析中的优点在于可以针对同一微区位置进行形貌、晶体结构、成分的全面分析，并可以观察颗粒非常细的黏土矿物(大约＜0.2μm)。石英颗粒在断层泥中因多次断裂活动而发生磨损和溶解，相对较难；而用相对柔软的粘土包裹的石英颗粒受磨损的影响较小（Niwa M etal.,2016）。然而TEM 缺点在于电子束的穿透力很弱，因此用于TEM 的矿物颗粒标本必须制成厚度约50nm 左右的超薄切片。

2 分析测试技术存在的问题

综上所述，断层泥中矿物颗粒测年法的最大优点在于测年方法种类多，能够进行选择性的分析，可依据不同断层泥颗粒样品使用不同测年方法。其中断层泥中石英表面溶蚀微观形貌特征测年优点在于可根据其形貌特征反映断层活动的复杂程度、断层的多期次活动，并推测出断层泥被地下水侵蚀的时间年限；而断层泥电子自旋共振测年方法（ESR）可确定断层最后一次剧烈活动的年龄；断层泥释光测年（TL,OSL）具有测时范围大(10～2-n×10～6a)、可供测年的物质广泛、样品需求量少等优点。SEM 扫描电子显微镜的X 射线能谱不仅使人们能够对样品的形态分布进行微观分析，同时又能对样品中不同组成成分进行定性及半定量分析。TEM 透射电子显微镜应用于断层泥颗粒分析优势在于可以针对同一微区位置进行形貌、晶体结构、成分的全面分析，并可以观察颗粒非常细的黏土矿物(大约＜0.2μm)，与SEM 扫描电镜互补。

3 认识

1）运用一些分析测试技术方法对断层泥中的“微纳米尺度”研究可以准确判断出断层活动的年代、断层活动期间的剪切作用及活动间歇期。

2）根据断层泥中石英表面溶蚀微观形貌特征分析可推测出断层的最新活动时间；断层泥热释光测年具有测时范围大、可供测年的物质广泛、样品需求量少等优点；SEM 扫描电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌，而TEM 透射电子显微镜常用于观察普通显微镜不能分辨的细微物质结构，有时，将两者有机结合可以得到比较全面的材料分析结果。