青藏高原sn向正斷層假玄武玻璃的結構與成因

青藏高原sn向正斷層假玄武玻璃的結構與成因

在擾動的高速滑動過程中，斷裂帶上的巖石隨著快速滑動而失效，因為斷裂帶上的巖石被磨碎，導致與地震有關的巖石，如碎巖、斷裂角礫巖、斷層泥、虛假玄武巖玻璃等。這些巖石作為斷裂活動的載體記錄和保存了重要信息，是認識斷裂帶活動、變形行為和演化歷史的重要物質(zhì)。其中假玄武玻璃，也稱假熔巖，是地震斷層帶高速滑移造成滑動面及附近巖石發(fā)生熔融并快速冷卻形成的產(chǎn)物，被喻為“地震化石”(本文以羌塘地塊中部SN向裂谷帶正斷層古地震活動的證據(jù)———假玄武玻璃和碎裂巖為研究對象，通過野外露頭調(diào)研，借助光學顯微鏡、掃描電鏡等對其結構構造進行詳細描述，同時應用能譜-掃描電鏡、粉末X射線衍射和微區(qū)原位X射線熒光分析法對其化學元素分布和礦物組成進行測試，認識其結構構造、變形行為、礦物組合與元素分布，探討其形成機制、斷裂帶演化及羌塘中部古地震活動歷史，對區(qū)域地震活動及斷裂帶演化過程的認識具有重要的意義。1地質(zhì)地貌單元青藏高原周緣及內(nèi)部發(fā)育一系列規(guī)模與性質(zhì)不同的活動斷裂，這些斷裂控制了青藏高原復雜的構造格局和獨特的地貌特征(日干配錯斷裂位于羌塘地塊南緣(圖1)，是一條長約340km、走向約NE70°的左行走滑斷裂，與北側的依布茶卡地塹、角木茶卡半地塹以及兩條小規(guī)模半地塹相連(圖2a)。依布茶卡地塹由走向NE30°～40°、長約80km的西依布茶卡斷裂和長約40km的東依布茶卡斷裂控制，地塹(盆地)長約80km、寬5～20km，呈NNE走向。東、西依布茶卡斷裂向南與日干配錯斷裂相連，并切割了基巖與第四紀地質(zhì)地貌單元。羌塘地塊的地震活動強烈，塊體東部發(fā)生多次M7級以上的地震，西部主要發(fā)生M7以下的地震，沿近南北向的裂谷發(fā)生多次M7級以下的地震(2樣品采集與分析2.1斷裂巖顯微結構特征野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在依布茶卡地塹東側角木日山前古近系與二疊系的接觸界線附近出露正斷層，該觀測點發(fā)育3條近平行的正斷層(圖2b)，其中F1為主斷層，F(xiàn)2、F3為次級斷層。斷裂帶上盤為古近系紫紅色砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r，下盤為二疊系灰綠色凝灰質(zhì)砂巖、泥巖、泥晶灰?guī)r。從南到北，3條斷圖4斷裂巖顯微結構特征(樣品SH16)層的產(chǎn)狀分別為F1:344°∠41°～60°，從上向下傾角變陡，F(xiàn)2:348°∠51°，F(xiàn)3:8°∠43°。其中F1斷層滑動面擦痕明顯(圖3a)，擦痕產(chǎn)狀測量結果顯示其平均傾伏向為321°，傾伏角為42°(沿3條次級正斷層滑動面附近均可見到深灰-褐色假玄武玻璃，這些假玄武玻璃呈斷層脈沿斷層面分布或呈注入脈貫入滑動面附近的裂隙中(圖3b,c)，局部也可見到網(wǎng)絡狀分布的細脈。我們對假玄武玻璃及其圍巖進行了詳細的樣品采集，本文選取其中沿F1斷裂分布的兩塊斷裂巖標本SH16(圖3d)和SH18(圖3e)進行了詳細的研究，樣品采集位置見圖2b。在手標本中我們可以看到在假玄武玻璃斷層脈的表面覆有一薄層紅褐色鐵銹狀的物質(zhì)(圖3d,e)，并且在滑動表面可以清晰地看到擦痕(圖3d)。2.2粉末x射線衍射分析我們對SH16和SH18兩塊標本均沿擦痕方向且垂直于滑動面進行切割磨制構造巖石薄片，并對SH18不同位置取樣進行粉末X射線衍射(XRD)分析。對切制的薄片借助光學顯微鏡(蔡司Axioskop40Pol)、掃描電子顯微鏡(SEM型號:FEINovaNanoSEM450，工作電壓:高壓20kV，工作距離:4.9～6.8mm)進行顯微結構的分析，結合能譜儀(SEM-EDX,OXFORDX-Max50mm3斷裂帶的微觀特征及成分分析3.1基質(zhì)組成及構造從切制的巖石構造薄片來看，沿F1斷層發(fā)育的斷裂巖具有明顯分層的結構特征(圖4、圖5)。從樣品SH16來看，從上到下可劃分為5個不同的特征層(圖4a):層(1)滑動面最上部為紅褐色富鐵層，厚度小于1mm，在該樣品中呈不連續(xù)分布，僅在左側有部分保留;層(2)位于樣品頂部靠右位置，厚度不均一，薄片中最厚處約3mm，可見暗色巖石碎屑和少量亮色的石英碎屑無定向的散布在淺色硅質(zhì)基質(zhì)中，為基質(zhì)支撐結構;層(3)見于樣品左側靠近頂部，2～3mm厚，該層特征為破碎的暗色巖石裂隙中充填有淺色基質(zhì)，呈碎屑支撐結構;層(4)厚度2～4mm，較為均質(zhì)的暗色基質(zhì)中含少量淺色長英質(zhì)巖石碎屑;層(5)具有碎裂結構，左側結構較均一，右側可見多個粒徑較大的石英碎粒。在單偏光顯微鏡下我們可以看到層(2)中暗色碎塊大小不一，從幾十微米到大于一毫米，呈棱角狀、無定向的雜亂排列，散布于亮色的基質(zhì)之中(圖4b,c)，且該層與下部假玄武玻璃薄層(4)之間界限分明。假玄武玻璃層在單偏光鏡下呈棕褐色，厚度約3～4mm，富細?；|(zhì)(～80%)，含次圓狀的礦物或巖石碎屑(～20%)，碎屑顆粒相對較小，可見少數(shù)大于500μm的巖石碎屑，在假玄武玻璃中間分布較多，邊緣較少。棕褐色基質(zhì)中可見4條裂隙，沿裂隙有流體作用形成的暗色浸染邊(圖4b)。棕褐色假玄武玻璃層與下部灰黑色碎裂巖層之間也呈現(xiàn)明顯的突變邊界(圖4b,d)。碎裂巖層具有碎裂結構，巖石已破碎為碎粉、碎粒，大小不一的巖石碎屑無定向排列，被細?；|(zhì)包圍，基質(zhì)含量約30%。在SH18薄片中也可以看到明顯的斷裂巖分層結構特征，樣品最頂部為薄層深色假玄武玻璃，向下分別為超碎裂巖、碎裂巖和初碎裂巖，且各分層之間具有清晰的界限(圖5)。從局部放大照片中，可以看見在最靠近滑動面的位置有～1mm厚的黃褐色薄層假玄武玻璃，與下部超碎裂巖呈突變的接觸關系(圖5b)。更細節(jié)的照片顯示，在黃褐色薄層假玄武玻璃之上還發(fā)育一層～100μm厚的黑色假玄武玻璃，其上覆有一層紅褐色的富鐵物質(zhì)層，黑色和黃褐色假玄武玻璃中均顯示有不同大小的碎屑散布于細粒基質(zhì)中(圖5c)。超碎裂巖中次棱角狀的碎塊大小不一、無定向排列地分布于細?；|(zhì)中(圖5b,d,e)，并且在遠離滑動面的方向，碎屑粒度由小變大。在超碎裂巖和碎裂巖中，均有黑色和淺黃褐色的巖石碎屑，并在超碎裂巖中可見粒徑大小不一的黑色碎屑被包裹在淺黃褐色碎屑之中(圖5f,g)。相較于超碎裂巖，碎裂巖中碎屑粒徑更大、含量更高(圖5h)。初碎裂巖基本保留原巖結構特征，亮色脈體發(fā)育，局部發(fā)育有磨碎的細?；|(zhì)，基質(zhì)含量15%左右。總體來看，從上部黑色、黃褐色假玄武玻璃，到超碎裂巖、碎裂巖、初碎裂巖，其中碎屑顆粒的粒度和不均一性逐漸增大，碎屑磨圓度和基質(zhì)含量逐漸減小。我們對SH16的假玄武玻璃層在掃描電鏡下進行了詳細的結構觀測，結果顯示在假玄武玻璃中發(fā)育有大量的微晶(圖6)，這些微晶比較集中的出現(xiàn)在假玄武玻璃層中的不同位置:(1)在假玄武玻璃最上部與富鐵物質(zhì)接觸的地方，可以看到多個長柱狀的微晶與石英熔蝕殘留碎粒無定向地分布于淺色富鐵的基質(zhì)中(圖6a,b)，淺色基質(zhì)中可見流體作用的環(huán)邊結構，石英碎粒多呈次圓狀少數(shù)具棱角狀，且在圖6a右下可見兩塊較大的石英殘粒與周圍細小的碎裂聚集呈橢圓狀;(2)成束的微晶聚集體密集分布于假玄武玻璃層中富鐵的基質(zhì)中(圖6c);(3)在假玄武玻璃層的微裂隙中充填有不同的礦物碎粒和新生的長柱狀微晶，在微晶和碎粒周邊包圍有一層細小的毛刺狀的富鐵微粒(圖6d)。此外，我們在假玄武玻璃層中還觀察到有石英碎粒的港灣狀熔蝕邊(圖6e)和蜂窩狀氣孔構造(圖6f)。3.2礦物組成分析在對SH18手標本沿擦痕且垂直于滑動面方向進行切開后，在剖面上可見斷裂巖具有不同的分層特征，從滑動面向下，大致可分為5層(圖7a)，簡單描述如下:(1)主滑動面位置，為標本最上部約2～3mm厚的薄層深色物質(zhì)，該層取樣標編號為SH18-1;(2)緊鄰主滑動面下部的深灰色-褐色層，巖石較致密均一，其中分布有次棱角狀-次圓形的更深色的巖石碎屑，靠近上部碎屑較密集且粒度小(<2～3mm)，下部碎屑顆粒較大且稀疏，偶見直徑近1cm的石英碎粒。在該層上部和下部分別取樣SH18-2和SH18-3;(3)該層為暗紫紅褐色，其中含較多粒度較大的淺黃色次棱角狀巖石碎屑和深灰色次圓形的巖石碎屑，碎屑無定向排列。該層取樣SH18-4;(4)該層為深灰色和紅褐色碎屑分布于黃褐色細?；|(zhì)之中，孔隙發(fā)育，取樣SH18-5;(5)最下部暗紫紅色致密層，取樣SH18-6。XRD譜圖分析結果顯示(圖7b)，各分層物質(zhì)的礦物組成基本一致，僅在含量上稍有區(qū)別(表1)。其主要礦物成分為石英(52%～72%)和云母(11%～16%)，其他礦物包括高嶺石(4%～6%)、斜長石(2%～3%)、微斜長石(3%～4%)、鐵白云石(1%～7%)、黃鐵礦(1%～5%)、菱鐵礦(2%～16%)。其中SH18-1石英(72%)含量最高、鐵白云石(1%)含量最低，SH18-2、SH18-3、SH18-4中菱鐵礦含量較高，分別為12%、16%、12%。3.3假玄武玻璃中si的富集特征我們選取SH16薄片中包含假玄武玻璃與下部碎裂巖的區(qū)域進行了微區(qū)原位XRF元素豐度面掃描。從掃描結果來看，碎裂巖與上部假玄武玻璃層化學元素豐度分布具有明顯的變化(圖8)?？傮w而言，假玄武玻璃中Si的豐度相對碎裂巖中要高(圖8a,b)，而Al、K、Fe、Ba、Ti等元素在碎裂巖中豐度相對較高(圖8c-g)，呈彌散狀分布，其中Al和K、Ba與Ti之間具有較好的相關性。在頂部滑動面位置和假玄武玻璃層的裂隙中，可以看到Fe具有較明顯的富集趨勢(圖8e)。在掃描電鏡下，我們應用能譜分析對假玄武玻璃頂部微晶發(fā)育的局部區(qū)域進行了元素面掃描(圖9a)。掃描結果顯示，假玄武玻璃為富Si基質(zhì)(圖9b)，頂部亮色物質(zhì)為富Fe基質(zhì)(圖9c)，中間為以石英為主的碎粒和新生的富Al微晶(圖9d),K、Na分布均不明顯(圖9e,f)。4討論4.1斷層組織特征假玄武玻璃可以形成于大地震、滑坡及隕石撞擊等環(huán)境下(Ferréetal.,2005)，通常以斷層脈、注入脈和網(wǎng)狀脈等形式產(chǎn)出，具有多種顏色和習性，如具有暗色隱晶質(zhì)基質(zhì)、冷凝邊結構和突變的侵入邊界等。斷層相關的假玄武玻璃通常被認為是地震過程中斷層高速摩擦的證據(jù)(從野外宏觀產(chǎn)狀來看，東依布茶卡斷裂中的假玄武玻璃有其特征習性，如具有斷層脈、注入脈和網(wǎng)狀脈等產(chǎn)狀，并且與下部超碎裂巖之間具有突變的邊界;顯微鏡和掃描電鏡下微構造顯示，其具有明顯分層結構(圖4、圖5)，且可見微晶、港灣狀熔蝕邊、蜂窩狀氣孔構造(圖6)等熔融成因的特征。從XRD譜圖來看，東依布茶卡斷裂中的假玄武玻璃(SH18-1)，其礦物峰值與超碎裂巖、碎裂巖峰值類似，在2θ低角度20°～40°區(qū)域沒有出現(xiàn)明顯的玻璃質(zhì)的寬峰帶(圖7b)，但其曲線較其他而言波峰會稍少一些。假玄武玻璃中這些峰值可能代表了其蝕變或者脫?；漠a(chǎn)物。因為假玄武玻璃中的玻璃質(zhì)成分在地質(zhì)環(huán)境中很容易發(fā)生蝕變或重結晶。最近的實驗模擬研究表明，假玄武玻璃中的微觀結構在熱液存在的條件下，只能保存幾天到幾個月的時間(Fondriestet圖9假玄武玻璃中元素強度分布圖al.,2020)。因此，綜合來看，我們認為東依布茶卡斷裂中的假玄武玻璃為斷層滑動摩擦熔融形成的，并且在長期的地質(zhì)歷史中已發(fā)生了蝕變，同時表明該區(qū)域正斷層具有中、大地震成核的條件。從XRF掃描結果來看，假玄武玻璃層中Si的含量高于下部碎裂巖中的含量，這可能是因為其他礦物熔點低(云母650℃)，石英礦物熔點高(1730℃，4.2正斷層角礫質(zhì)目前國際上關于假玄武玻璃的報導很多，如在中國新疆富蘊斷裂(從SH16假玄武玻璃上部角礫層，我們可以看到，其中的角礫與下部假玄武玻璃成分類似，而中間充填的亮色基質(zhì)成分主要為SiO4.3斷層剪切作用地震斷裂相關的變形機制通常形成在低溫、低圍壓、應變速率很快的狀態(tài)，在地殼淺部(15km以上)的斷層剪切作用即以脆性變形為主。一般破壞性大地震的發(fā)震帶多位于上、中部地殼內(nèi)(約15km深度內(nèi))(青藏高原中部羌塘地塊具有EW向伸展作用，其中發(fā)育有拉張環(huán)境下具彌散變形的SN向裂谷系正斷層(5羌塘地段中假玄武玻璃假玄武玻璃作為古地震化石其結構組分保留了斷裂活動的重要信息。本文以羌塘中部依布茶卡地塹正斷層中發(fā)育的假玄武玻璃和碎裂巖為研究對象，通過偏光顯微鏡、掃描電鏡，XRD以及微區(qū)原位XRF分析等多種手段，對其顯微構造、礦物成分和元素分布進行分析研究，獲得以下幾點認識:(1)首次在羌塘地塊內(nèi)部依布茶卡地塹東邊界斷裂帶中發(fā)現(xiàn)假玄武玻璃。東依布茶卡斷裂帶中發(fā)育的假玄武玻璃呈斷層脈、注入脈和網(wǎng)狀脈的形式產(chǎn)出，脈體厚度從幾毫米到一厘米不等。這些出露于地表的假玄武玻璃經(jīng)過長期地質(zhì)演化，已發(fā)生了