王超，尹皓，張航，鄧廣超，趙學(xué)偉，陳獻(xiàn)云

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五家壟斷層泥地球化學(xué)-礦物學(xué)特征及其地質(zhì)意義

王超，尹皓，張航，鄧廣超，趙學(xué)偉，陳獻(xiàn)云

（東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013）

通過對(duì)紹斷裂的次級(jí)構(gòu)造，浙江省江山市五家壟3條小斷層，F(xiàn)1、F2、F3斷層泥和斷層圍巖掃描電子顯微鏡-X射線能譜、主量元素及鐵的價(jià)態(tài)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)：F1、F2斷層泥中發(fā)現(xiàn)了菱錳礦，顯示該斷層的早期活動(dòng)中卷入了陡山沱組（Z2d）的含錳地層，斷層泥中Na、Al、Si、Mg和Fe等活潑元素的含量變化較大。F1上、下盤以還原鐵為主，斷層泥以氧化鐵為主；F2上盤以還原鐵為主，斷層泥和下盤以還原鐵為主；F3斷層均以氧化鐵為主，指示斷層近期不活動(dòng)或者為地質(zhì)塊體內(nèi)斷層；而F1和F2斷層圍巖與斷層泥氧化還原環(huán)境的差異性顯示斷層存在多期活動(dòng)。

斷層；斷層泥；活動(dòng)期次；五家壟

由于斷層活動(dòng)，斷層上盤與下盤之間產(chǎn)生摩擦，從而在斷層帶中形成了斷層角礫巖。隨著摩擦的繼續(xù)，便會(huì)出現(xiàn)更細(xì)粒的物質(zhì)，就是我們稱之為斷層泥的粘土和泥質(zhì)。斷層泥的形成和積累很大程度上依賴于物理化學(xué)條件[1-3]，特別是斷裂帶內(nèi)的氧化還原梯度[3]。通過研究斷層泥的物質(zhì)組成、微觀形貌、礦物成分和化學(xué)成分等，可幫助恢復(fù)斷層活動(dòng)的相關(guān)信息[4-7]。斷層泥已成為研究斷層活動(dòng)性的重要媒介[8]。通過對(duì)斷層泥的研究來獲取斷層活動(dòng)的信息，目前已經(jīng)取得了一些成果，例如通過分析斷層泥中礦物表面微觀結(jié)構(gòu)來確定斷層活動(dòng)年代及其地震活動(dòng)性[9-12]；研究斷層泥的粒度特征及粒度分形來判斷斷層活動(dòng)性[7]；對(duì)斷層泥進(jìn)行礦物學(xué)特征研究，分析斷層活動(dòng)特征，還能助力礦床的研究和找礦預(yù)測(cè)[13-14]；通過分析斷層泥中鐵元素化學(xué)種，來判斷斷層活動(dòng)性和活動(dòng)期次[3]、 [8]。目前對(duì)斷層泥進(jìn)行構(gòu)造地質(zhì)背景，礦物學(xué)，微觀結(jié)構(gòu)，元素地球化學(xué)特征全面研究的報(bào)道罕見。

近年來構(gòu)造地震災(zāi)害的頻繁發(fā)生，導(dǎo)致國民經(jīng)濟(jì)和生命財(cái)產(chǎn)受到嚴(yán)重?fù)p失，如2008年汶川地震。浙江江山五家壟斷層為一正-左行平移斷層，斷層帶內(nèi)發(fā)育有斷層角礫和斷層泥[15]，我們?cè)谄渥罱_挖出的新鮮斷層面發(fā)現(xiàn)斷層泥內(nèi)出現(xiàn)了黑色斷層泥（圖1b），黑色斷層泥與土黃色斷層泥共生，將黑色斷層泥剝開，里面包裹著土黃色的斷層泥，而江山于2013年3月發(fā)生過M1.2級(jí)地震。為探索摸清黑色斷層泥是否與構(gòu)造地震有關(guān)，是否為斷層活動(dòng)的產(chǎn)物，本文將對(duì)五家壟斷層泥進(jìn)行開展礦物學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)和元素地球化學(xué)特征研究展開工作，初步探討五家壟斷層的活動(dòng)性。

圖1 五家壟斷層野外露頭

（a）斷層面及采樣點(diǎn)。（b）黑色斷層泥出現(xiàn)在土黃色斷層泥中。（本研究中樣品采集時(shí)間是該斷面開挖的兩天后，野外采集后用干燥的聚乙烯樣品袋密封裝袋，盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室分析處理）

1 江山地質(zhì)概況

浙江省江山市位于揚(yáng)子板塊東南緣，以江山-紹興深斷裂為其東南界，毗鄰華夏板塊武夷地塊[15]。晉寧運(yùn)動(dòng)后，揚(yáng)子板塊與華夏板塊對(duì)接，震旦紀(jì)浙皖裂陷盆地演化開始，加里東運(yùn)動(dòng)造成了江山地區(qū)總體抬升和盆地的消亡；印支運(yùn)動(dòng)時(shí)期，在受到古太平洋向歐亞板塊的南東向擠壓作用下，江山地區(qū)形成的北東-南西向的印支期褶皺、斷裂以及其它伴生和派生構(gòu)造奠定了本區(qū)的構(gòu)造格架；燕山-喜馬拉雅期，江山地區(qū)開始受太平洋板塊的影響，從震旦紀(jì)到中三疊世的板內(nèi)發(fā)展時(shí)期轉(zhuǎn)化為大陸邊緣活動(dòng)帶時(shí)期，形成大陸邊緣活動(dòng)帶[16-20]。

野外踏勘結(jié)果顯示，五家壟斷層切割了硯瓦山組（O2y）、黃泥崗組（O3h）和長塢組（O3c）地層。硯瓦山組厚155.2m，下部為灰綠色瘤狀泥灰?guī)r、灰黑色微晶灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖，中部為紫紅色瘤狀泥灰?guī)r，上部為灰色礫屑灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖、灰色瘤狀泥灰?guī)r，產(chǎn)化石。黃泥崗組厚22.4m，巖性為泥巖、磚紅色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖，下部含較多硅鈣質(zhì)、鈣質(zhì)結(jié)核，其中鈣質(zhì)結(jié)核中心一般為保存完整的化石，鈣質(zhì)結(jié)核中未見，產(chǎn)有豐富的化石。長塢組厚320m，巖性為灰綠色、灰黃綠色頁巖、鈣質(zhì)頁巖夾粉砂巖、細(xì)砂巖，構(gòu)成了韻律層。斜層理、水平層理、包卷層理、透鏡狀層理、波痕及槽模發(fā)育，化石稀少，五家壟斷層主要在該組出露。

2 圍巖及斷層泥特征

五家壟斷層為一斜向上-左行平移斷層。該斷層主要出露于奧陶系地層中，由五家壟南部沿北北西方向延伸至鄭家塢東部，全長約2km。斷層面產(chǎn)狀64°∠81°，存在寬窄不一的斷層破碎帶，一般都小于1m。斜切五家壟背斜，沿走向方向左行水平錯(cuò)開斷距近200m。斷層兩盤五家壟背斜核部的出露寬度具明顯的變化，北東盤（上盤）背斜核部出露窄，根據(jù)背斜兩翼產(chǎn)狀推測(cè)，上盤下降的垂直分量約120m。斷層上盤滑動(dòng)線在斷層面上的側(cè)伏角約31.5°。

圖2 斷層圍巖鏡下照片（Qz-石英，Ms-白云母）

a.圍巖JS01樣品鏡下照片，正交偏光； b.圍巖JS09樣品鏡下照片，正交偏光。

表1 五家壟斷層泥和斷層圍巖樣品特征

2.1 圍巖巖石學(xué)特征

斷層兩側(cè)巖石較為破碎，擠壓片理不發(fā)育，巖性以灰綠色泥巖、紫紅色結(jié)核頁巖、黃綠色細(xì)砂巖-粉砂巖-泥巖為主（圖1）。斷層圍巖樣品JS01、JS03、JS04、JS08、JS09在顯微鏡下觀察，可見泥狀結(jié)構(gòu)、水平紋理構(gòu)造，主要由粘土礦物、石英、白云母和隱晶質(zhì)礦物集合體組成。粘土礦物呈泥狀集合體產(chǎn)出，礦物粒徑小，多小于0.005mm，為伊利石、高嶺石等粘土礦物微晶—隱晶質(zhì)集合體，多富集成微層平行層面排列，均勻分布，含量約60%；石英呈它形粒狀，粒徑0.04×0.1～0.1×0.14mm，分選中等、磨圓較差，具弱定向性。單偏光鏡下無色透明，表面較為毛粗，發(fā)育波狀消光，正低突起，正交偏光下可見一級(jí)黃白最高干涉色，含量約30%；白云母呈鱗片狀，粒徑0.03×0.05～0.05×0.08mm，單偏光鏡下無色，多色性不明顯，正低突起，最高干涉色達(dá)Ⅱ級(jí)藍(lán)綠—Ⅲ級(jí)藍(lán)，近平行消光，均勻分布于樣品中，含量約5%；還存在無固定形態(tài)的碳質(zhì)，偶見炭屑，多與粘土礦物相伴，單偏光鏡下呈深褐色或黑色，正交鏡下全消光，零星分布，含量約1%；此外，還存在有零星分布含量約5%的不透明礦物（圖2）。

2.2 斷層泥特征

五家壟斷層的下盤靠近斷層面處發(fā)育若干條產(chǎn)狀和性質(zhì)均相近的小斷層，觀察面上表現(xiàn)為左行錯(cuò)開，呈階梯狀（圖1a）。可見斷層角礫和斷層泥。斷層泥為土黃色，還夾有略潮濕黑色斷層泥（表1，圖1b）。角礫多呈尖棱狀，大小不一，定向性不明顯，擠壓片理發(fā)育，局部可見膠結(jié)松散的碎裂巖。

3 圍巖及斷層泥礦物學(xué)特征

為確定斷層泥和斷層圍巖的礦物組成，對(duì)采自F1和F2斷層的7個(gè)樣品進(jìn)行SEM-EDS（掃描電子顯微鏡-X射線能譜）分析測(cè)試。進(jìn)行SEM-EDS分析測(cè)試之前，首先將樣品進(jìn)行粉碎，選擇破裂面新鮮、存在相對(duì)平坦面的碎塊，然后對(duì)碎塊樣品編號(hào)，使用導(dǎo)電膠將其固定在樣品靶上。值得注意的是樣品待測(cè)面應(yīng)盡量水平、等高，裝入干燥器皿中鍍金。之后將待測(cè)樣品放入真空的掃面電鏡室。在電腦上選擇不同的放大倍數(shù)來觀察礦物表面的結(jié)構(gòu)并拍照，尋找目標(biāo)位置，對(duì)其進(jìn)行EDS分析，SEM儀器型號(hào)為NNS450，EDS儀器型號(hào)為X-Max，均為捷克FEI公司所生產(chǎn)，分析電壓15kV，spot size值為3。

圖3 五家壟斷層泥、斷層圍巖礦物掃面電鏡圖

a.書頁狀高嶺石；b.絲發(fā)狀伊利石；c.橢球狀菱錳礦；d.綠泥石與石英；

表2 五家壟斷層泥和斷層圍巖樣品主量元素分析數(shù)據(jù)

SEM二次電子像中最常見礦物是石英，也可見書頁狀高嶺石（圖3a），絲發(fā)狀伊利石（圖3b）和橢球狀菱錳礦（圖3c），由于五家壟斷層圍巖和斷層泥中最常見的礦物是石英。SEM-EDS分析結(jié)果顯示：①樣品JS01、JS02-1、JS02-2、JS03、JS06均含有較多的石英以及少量粘土礦物；②樣品JS07、JS08則以伊利石等粘土礦物為主，JS02-2和JS07樣品中還含有菱錳礦；③所有樣品中伊利石和高嶺石是最常見的粘土礦物（圖3）。斷層泥中以石英、伊利石、高嶺石綠簾石和菱錳礦等礦物為主，而斷層圍巖中存在的礦物有石英、伊利石、高嶺石，指示具有一定的繼承關(guān)系，在江山的地層中，只有陡山沱組（Z2d）出現(xiàn)了含錳灰質(zhì)白云巖，可能是由于斷層滑動(dòng)過程中卷入了陡山沱組（Z2d）含錳地層[21]。

4 斷層泥地球化學(xué)特征

對(duì)采自F1、F2和F3斷層的11個(gè)樣品（斷層泥及圍巖）進(jìn)行主量元素分析：首先將干燥樣品研磨至200目，然后稱取全巖粉末加入助熔劑（含硝酸鋰），充分混合后，進(jìn)行高溫熔融。再將熔出物倒入鉑金坩堝融化成扁平玻璃薄片，采用X射線熒光光譜儀分析。同時(shí)稱取相同重量的另一份試樣放入馬弗爐，于1 000℃光加熱1小時(shí)。冷卻后稱重。樣品加熱前后的重量差即是燒失量（LOI）。X射線熒光光譜儀型號(hào)為Philips PW2404，為荷蘭所產(chǎn)。對(duì)采自F1、F2和F3斷層的11個(gè)樣品進(jìn)行氧化亞鐵含量分析：首先將干燥樣品研磨至200目，然后稱取全巖粉末使用硫酸和氫氟酸消解，再倒入裝有稀硫酸的燒杯中，用重鉻酸鉀溶液滴定。

五家壟F1、F2、F3斷層泥及斷層圍巖的主量元素分析結(jié)果見表3。樣品（斷層泥及圍巖）中Al2O3和SiO2的含量相對(duì)富集，與樣品中主要礦物為石英和成分為鋁硅酸鹽的粘土礦物相對(duì)應(yīng)。JS02-2和JS07樣品中MnO含量高于其它所有樣品。除JS07之外，其它4個(gè)斷層泥樣品的Al2O3均要高于斷層圍巖。Al2O3、K2O隨著SiO2的增加均顯明顯降低的趨勢(shì)；Na2O和TiO2則呈增加趨勢(shì)。SiO2含量的變化對(duì)CaO、TFe2O3、MgO、MnO的影響不明顯。由于斷層活動(dòng)，斷層帶內(nèi)與地下深部存在物質(zhì)交換，特別是還原性物質(zhì)的加入，導(dǎo)致斷裂帶為還原環(huán)境。通過測(cè)定斷裂帶內(nèi)的氧化還原環(huán)境能夠間接得說明斷層的活動(dòng)性。F1斷層的JS01和JS03兩個(gè)灰綠色斷層圍巖樣品以三價(jià)鐵占主導(dǎo)，顯示相對(duì)還原的環(huán)境；而含黑色有機(jī)質(zhì)土黃色斷層泥JS02-1、JS02-2和JS02-3則全是以二價(jià)鐵為主，顯示相對(duì)氧化的環(huán)境。在F2斷層中，斷層上盤的JS06樣品，以二價(jià)鐵為主，顯示相對(duì)還原的環(huán)境，而處于下盤的JS08與其斷層泥樣品JS07則相反，以三價(jià)鐵為主導(dǎo)，顯示相對(duì)氧化的環(huán)境。在F3斷層中，兩個(gè)斷層圍巖和三個(gè)斷層泥樣品則全部是以三價(jià)鐵為主，都是氧化的環(huán)境。

表3 五家壟斷層泥和斷層圍巖樣品鐵元素賦存狀態(tài)

5 結(jié)論

通過野外實(shí)地考察和對(duì)斷層泥和斷層圍巖進(jìn)行SEM-EDS、主量元素、鐵的價(jià)態(tài)研究，得出以下觀點(diǎn)：

1）斷層泥和斷層圍巖中礦物成分有所不同，斷層泥中粘土礦物含量高于斷層圍巖，而粘土礦物的含量與斷層活動(dòng)性密切相關(guān)，粘土礦物的含量越高，斷層活動(dòng)的幾率則越大；特別是在F1和F2斷層泥樣品中發(fā)現(xiàn)了菱錳礦，而其斷層圍巖沒有，說明斷層在早期有過活動(dòng)，并且卷入了陡山坨組（Z2d）含錳地層；

2）斷層泥中Na、Al、Si、Mg和Fe等活潑元素的含量變化較大，說明斷裂曾經(jīng)的活動(dòng)程度較大。

3）F1斷層上、下盤是還原環(huán)境，斷層泥是氧化環(huán)境；F2斷層上盤是還原環(huán)境，斷層泥和下盤是氧化環(huán)境；F3斷層上、下盤和斷層泥均是氧化環(huán)境，說明3條小斷層近期不活動(dòng)或者是地質(zhì)塊體斷層。而F1和F2斷層圍巖與斷層泥氧化還原環(huán)境的差異性正好說明斷層活動(dòng)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，碩士研究生，專業(yè)方向：構(gòu)造地質(zhì)學(xué)

P548

A

1006-0995（2018）01-0019-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.01.004