李成龍 李海兵 王煥 張蕾 孫知明 張佳佳 云錕 張進(jìn)江

1. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，自然資源部深地動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037 2. 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871 3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣州 511458 4. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 5. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，成都 611734 6. 成都理工大學(xué)，成都 610059

2008年5月12日，青藏高原東緣龍門(mén)山斷裂帶發(fā)生了Ms8.0級(jí)地震，這次地震造成龍門(mén)山映秀-北川和灌縣-安縣斷裂帶同時(shí)破裂，分別產(chǎn)生240～270km和～80km長(zhǎng)的地表破裂帶(付碧宏等，2008a；李海兵等，2008；李勇等，2008；劉靜等，2008；徐錫偉等，2008)，并且破裂帶具有不同運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)：沿映秀-北川斷裂帶產(chǎn)生的地表破裂具有斜向逆沖運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，其中南西段(映秀斷裂帶)以由北西向南東逆沖為主伴隨右旋走滑性質(zhì)，北東段(北川斷裂帶)以右旋走滑為主伴隨逆沖性質(zhì)，而沿灌縣-安縣斷裂帶的地表破裂為純逆沖性質(zhì)(付碧宏等，2008a；李海兵等，2008；李勇等，2008；劉靜等，2008；徐錫偉等，2008;李傳友等，2008)。汶川地震余震分布顯示，余震群分布呈北東-南西走向，南西段余震分布寬度大且主要集中在破裂帶西北側(cè)，北東段余震分布寬度較窄，主要在破裂帶兩側(cè)(Zhangetal.，2010)。震后通過(guò)InSAR研究發(fā)現(xiàn)，映秀-北川斷裂帶深部滑動(dòng)面的幾何形態(tài)在西南段向北西方向緩傾，在北東段變?yōu)榻绷⒍竷A(Shenetal.，2009)。因此，汶川地震沿映秀-北川斷裂帶破裂過(guò)程中南西與北東兩段具有不同的破裂行為。然而，造成同一破裂帶南西與北東段不同的破裂行為的原因目前尚不清楚，其破裂機(jī)制和發(fā)震機(jī)理也不明了。斷裂帶的巖石組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)是了解斷裂性質(zhì)、破裂機(jī)制、力學(xué)狀態(tài)和流體行為的關(guān)鍵(Faulkneretal.，2008；Wibberleyetal.，2008)，也是認(rèn)識(shí)斷裂帶地震活動(dòng)性和演化過(guò)程的重要因素(Chesteretal.，1993；Scholz，2002)。因此，汶川地震后，許多學(xué)者通過(guò)地表露頭和汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探(WFSD)巖心對(duì)映秀-北川斷裂帶物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)以及摩擦行為進(jìn)行了多方位的研究(Lietal.，2013，2014; Yaoetal.，2013a，b；Wangetal.，2014a，b；Liuetal.，2016; Togoetal.，2011a，b，2016)，并取得了一系列重要認(rèn)識(shí)：在映秀-北川斷裂帶南西段(映秀斷裂帶)虹口地區(qū)，斷裂帶的寬度約240m，由碎裂巖、斷層泥、斷層角礫巖和多期次假玄武玻璃組成(Lietal.，2013；Wangetal.，2014a，2015)，表明映秀-北川斷裂帶是一條經(jīng)常發(fā)生大地震的斷裂帶(Wangetal.，2019a)。然而，這些研究主要集中在映秀-北川斷裂帶南西段，對(duì)北東段(北川斷裂帶)則少有報(bào)導(dǎo)，僅在地表斷層泥方面有少量研究(付碧宏等，2008b；韓亮等，2010；袁仁茂等，2013)。目前北川斷裂帶的物質(zhì)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然不清楚，這制約著對(duì)汶川地震機(jī)制的全面認(rèn)識(shí)，尤其是制約著對(duì)北川斷裂帶的地震滑移行為和地震活動(dòng)性的認(rèn)識(shí)。

本文以映秀-北川斷裂帶北東段(北川斷裂帶)南壩地區(qū)露頭剖面為研究對(duì)象，通過(guò)野外觀測(cè)以及樣品采集、顯微構(gòu)造觀察和地球化學(xué)分析等，來(lái)探討北川斷裂帶的巖石組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。雖然地表露頭所獲得的斷裂帶物質(zhì)受到風(fēng)化過(guò)程的影響，但是該研究仍然可以揭示斷裂帶的構(gòu)造變形及其活動(dòng)性，為認(rèn)識(shí)龍門(mén)山斷裂帶地震破裂機(jī)制和斷裂動(dòng)力學(xué)提供科學(xué)依據(jù)。

1 構(gòu)造背景與分析方法

1.1 構(gòu)造背景

龍門(mén)山斷裂帶地處青藏高原與四川盆地之間(圖1a)，為中國(guó)東部和西部地形地貌的邊界，也是我國(guó)重要的地震活動(dòng)帶之一(鄧起東等，1994)。龍門(mén)山斷裂帶總體以北東向南西延綿，全長(zhǎng)約500km， 寬約30～50km， 斷裂帶可分為北段、中段和南段(劉樹(shù)根，1993)。該斷裂帶在新生代晚期沿中生代造山帶重新活化(Burchfieletal.，1995，2008；Kirbyetal.，2002，2008)。

龍門(mén)山斷裂帶主要由三條近平行的逆沖斷裂帶組成(圖1b)，由西向東分別為：汶川-茂縣斷裂(龍門(mén)山后山斷裂)、映秀-北川斷裂(龍門(mén)山中央斷裂)和灌縣-安縣斷裂(龍門(mén)山前山斷裂)(Jiaetal.，2006；李勇等，2006)。基于多種構(gòu)造特征及演化歷史，可將龍門(mén)山斷裂帶自北東向南西以高川-秀水一線和臥龍-懷遠(yuǎn)一線(都江堰以南)為界劃分為三段，即龍門(mén)山斷裂帶北東段、中段和南西段(圖1b)；龍門(mén)山斷裂帶北東段位于高川-秀水一線之北東的部分，以出露轎子頂基底雜巖和發(fā)育唐王寨向斜為典型特征；龍門(mén)山斷裂帶中段位于高川-秀水一線與臥龍-懷遠(yuǎn)一線之間的部分，以后山帶出露彭灌雜巖和前山帶發(fā)育飛來(lái)峰群為顯著特征， 同時(shí)這里也是汶川地震震中所在部位；龍門(mén)山斷裂帶南西段位于臥龍-懷遠(yuǎn)一線之南西的部分，以出露五龍、寶興基底雜巖及其前緣發(fā)育飛來(lái)峰為典型特征(李智武等，2008；劉樹(shù)根等，2008)。

映秀-北川斷裂不僅是青藏高原東緣地形陡變帶的邊界(Kirbyetal.，2008)，控制著區(qū)域地貌的分布，而且是2008年汶川地震的發(fā)震斷裂，沿?cái)嗔阎卸魏捅睎|段形成240～270km長(zhǎng)地表破裂帶(李海兵等,2008；徐錫偉等,2008)。

本文研究區(qū)位于四川省平武縣南壩鎮(zhèn)地區(qū)，屬于映秀-北川斷裂帶北東段的北川斷裂帶。研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有震旦、寒武、志留及泥盆紀(jì)的砂板巖互層，且有少量碳質(zhì)板巖(圖2)。其中震旦紀(jì)地層為千枚巖、結(jié)晶灰?guī)r、變砂巖和硅質(zhì)白云巖；寒武紀(jì)地層為變砂巖、板巖和硅質(zhì)巖；志留紀(jì)地層為千枚巖夾變砂巖、灰?guī)r；泥盆紀(jì)地層為石英砂巖、粉砂巖和泥巖。研究剖面位于寒武紀(jì)砂板巖中(圖2b)，并出露2008年汶川地震地表破裂帶(圖3)，破裂帶伴隨有～2m的垂直位移和～2.8m的右旋水平位移(李海兵等，2008)，破裂面發(fā)育在斷裂巖中。

圖2 映秀-北川斷裂帶北東段構(gòu)造地質(zhì)圖(a，據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，2008(4)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院. 2008. 1/25萬(wàn)汶川地震災(zāi)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖；四川省地質(zhì)調(diào)查院，2012(5)四川省地質(zhì)調(diào)查院. 2012. 1/5萬(wàn)平武縣南壩鎮(zhèn)汶川地震科學(xué)鉆探四號(hào)孔(WFSD-4)施工區(qū)地形地質(zhì)圖修改)及地質(zhì)剖面(b)Fig.2 Tectonic and geological map (a) and cross section (b) of the NE segment of the Yingxiu-Beichuan fault belt

1.2 樣品采集與分析方法

沿著南壩地區(qū)出露的北川段斷裂帶剖面，我們對(duì)斷裂巖及其圍巖進(jìn)行了系統(tǒng)采樣。為確保取樣的連續(xù)性和完整性，斷裂兩盤(pán)斷層角礫巖帶和破碎帶取樣間距約0.5～2m，黑色斷裂物質(zhì)中間隔2～5cm連續(xù)取樣，共采集24塊樣品，其中20塊樣品進(jìn)行了XRD測(cè)試(表1)，中間黑色斷裂物質(zhì)選取NB-1～5、斷層角礫巖帶樣品NB-12和破碎帶樣品巖石NB-14制成薄片。

表1 北川斷裂帶南壩露頭斷裂巖礦物含量

首先將巖石薄片在光學(xué)顯微鏡下觀察，然后對(duì)代表性樣品薄片在掃描電鏡下進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)，包括礦物組成、顆粒大小、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特征，分析其微觀構(gòu)造與斷裂流體作用。利用粉末樣品進(jìn)行X射線衍射(XRD)儀器分析其物質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)等信息，通過(guò)微區(qū)X射線熒光分析儀(μXRF)對(duì)重要樣品薄片開(kāi)展化學(xué)成分面掃描，分析元素分布特征。SEM和μXRF實(shí)驗(yàn)在自然資源部深地動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，XRD實(shí)驗(yàn)在北京北達(dá)智匯微構(gòu)分析測(cè)試中心進(jìn)行。

2 南壩地區(qū)北川斷裂帶宏觀構(gòu)造

在南壩鎮(zhèn)北東方向～500m處的省級(jí)公路(S105)被2008年汶川地震錯(cuò)斷，破裂面產(chǎn)狀為走向N44°E，傾向NW，傾角70°，被錯(cuò)斷的公路產(chǎn)生～2.8m的右旋水平位移和～2m的垂直位移(圖3)，顯示出右旋走滑伴隨由NW向SE方向逆沖的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。震后公路重新修復(fù)，路邊斷裂帶明顯呈現(xiàn)。

圖3 南壩地區(qū)汶川地震地表破裂帶特征(a)地表破裂帶特征，可見(jiàn)水平位移和垂直位移；(b)地表破裂面，破裂面發(fā)育在黑色物質(zhì)層上邊界面Fig.3 The Wenchuan co-seismic surface rupture near Nanba(a) surface rupture with horizontal displacement and vertical displacement; (b) co-seismic slipping surface. The black material mainly occurred within the footwall

從地表露頭剖面來(lái)看，斷裂帶寬度約為30m，總體走向?yàn)镹40°～45°E，以發(fā)育黑色斷裂物質(zhì)層為中心，兩側(cè)發(fā)育斷層角礫巖和破碎帶(圖4)。汶川地震破裂面沿黑色斷裂物質(zhì)層上邊界分布，斷裂帶上盤(pán)物質(zhì)為斷層角礫巖、破碎帶和具弱破裂的圍巖；斷裂帶下盤(pán)物質(zhì)為黑色物質(zhì)層、斷層角礫巖、破碎帶和具弱破裂的圍巖(圖4)，圍巖主要為變質(zhì)砂巖和板巖。

圖4 南壩地區(qū)北川斷裂帶野外露頭及樣品位置(a)斷裂帶野外照片；(b)斷裂帶素描.紅色線為汶川地震地表破裂帶Fig.4 Field outcrop and sample locations in the Beichuan fault zone in Nanba area(a) photograph of the outcrop; (b) geological sketch of the fault zone. The red line is the surface co-seismic rupture of the Wenchuan earthquake

斷裂帶上盤(pán)，與黑色物質(zhì)層相鄰的斷層角礫巖層厚約4m，其北西側(cè)破碎帶厚度約10m。斷裂帶下盤(pán)，黑色物質(zhì)層厚20～40cm，相鄰斷層角礫巖層厚約3m，其南東側(cè)的破碎帶厚度約12m，呈現(xiàn)出近對(duì)稱的單核斷裂結(jié)構(gòu)。黑色物質(zhì)層與斷層角礫巖有明顯的邊界，其中北西邊界平直，南東邊界凹凸不平(圖4)，破碎帶與圍巖之間沒(méi)有明顯的界限。黑色斷裂物質(zhì)和斷層角礫巖均發(fā)育有弱面理(圖5a, d)。宏觀上看，黑色斷裂物質(zhì)固結(jié)較好且粒度較細(xì)(圖5e)，較脆易破碎，內(nèi)部未見(jiàn)明顯的角礫，可略見(jiàn)兩組面理構(gòu)造(圖5a, b)。在黑色物質(zhì)層北西側(cè)邊界發(fā)育厚約10mm厚的狹窄的薄層(圖5b)，從2008年汶川地震快速應(yīng)急調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果來(lái)看，地表破裂面發(fā)育在黑色物質(zhì)層的上邊界面(圖3)，這狹窄的邊界層是汶川地震的滑動(dòng)帶，貫穿整個(gè)黑色物質(zhì)層北西邊界，呈NW方向陡傾的面理。在黑色物質(zhì)帶中有一條厚約2～3cm的黃褐色條帶(圖5c)，它與旁邊的黑色塊體有較明顯的邊界(圖5c)；另外，在黑色物質(zhì)層中可見(jiàn)SW向陡傾的面理(圖5)，與NW方向陡傾的汶川地震滑動(dòng)帶呈～30°夾角。

3 斷裂巖的顯微構(gòu)造

研究區(qū)中北川斷裂帶發(fā)育在寒武紀(jì)粉砂質(zhì)板巖中，破碎帶中巖石的顯微構(gòu)造基本與粉砂質(zhì)板巖構(gòu)造特征一致，斷層角礫巖保留有圍巖的部分構(gòu)造特征，斷裂帶中黑色斷裂物質(zhì)幾乎看不見(jiàn)圍巖構(gòu)造特征。

破碎帶中的巖石原巖結(jié)構(gòu)仍然保留(圖6a)，只是微破裂增多。斷層角礫巖主要由具有原巖特征的、大小不一的、角礫狀碎塊組成，碎塊之間不規(guī)則接觸,無(wú)明顯位移，斷層角礫巖中次生面理構(gòu)造明顯(圖6b)，面理產(chǎn)狀與黑色斷裂物質(zhì)層近一致。

圖6 南壩地區(qū)斷裂巖光學(xué)顯微照片(a)斷裂巖巖石特征；(b)面理化的斷層角礫巖Fig.6 Microstructural features of the fault rocks at Nanba(a) general characteristics of fault rocks; (b) foliated fault breccia

黑色斷裂物質(zhì)在光學(xué)顯微鏡下主要呈黑色和棕灰色或灰褐色，呈塊狀和角礫狀結(jié)構(gòu)(圖7)，其中黑色物質(zhì)總體粒度均勻，薄片中可見(jiàn)規(guī)模不同的不規(guī)則次生裂隙，裂隙中有被黃棕色物質(zhì)充填(圖7e)。黑色斷裂物質(zhì)層的西邊界與角礫巖接觸部位，可見(jiàn)變粉砂巖中汶川地震的滑動(dòng)帶，同時(shí)在黑色斷裂物質(zhì)邊界有厚約0.5mm的滑動(dòng)帶(圖8a)。棕灰色物質(zhì)基質(zhì)較為均勻，可見(jiàn)不規(guī)則次生裂隙，其內(nèi)部分布大小不一的黑色斷裂物質(zhì)碎塊，碎塊多為次棱角狀到次圓狀，可見(jiàn)渾圓塊體(圖7、圖8)，還可見(jiàn)砂巖礫(圖8b，c，e)，棕黃色物質(zhì)圍繞角礫邊緣分布(圖8c，d，f)。

圖8 南壩地區(qū)黑色斷裂物質(zhì)單偏光下顯微特征(a)黑色斷裂物質(zhì)與角礫巖接觸邊界，可見(jiàn)滑動(dòng)帶；(b)褐色基質(zhì)中間有黑色角礫，可見(jiàn)砂巖礫；(c)樣品NB-3特征，灰褐色基質(zhì)中間有少量的黑色角礫，還可見(jiàn)砂巖礫，棕黃色條帶圍繞角礫邊緣生長(zhǎng)；(d)樣品NB-3特征，有殘留的黑色角礫，可見(jiàn)綠泥石和重結(jié)晶后的礦物；(e)樣品NB-2特征，灰褐色基質(zhì)中有黑色角礫和砂巖礫；(f)樣品NB-3特征，可見(jiàn)石英和殘留的黑色角礫，在裂隙中可見(jiàn)棕黃色物質(zhì)，顯示流體作用特征Fig.8 Microstructural features of the black fault materials in Nanba area under polarized light(a) boundary between black fault material and breccia, and the co-seismic slipping zone; (b) black breccia in the brown matrix material, and the sandstone breccia; (c) sample NB-3 showing occurrence of the black breccia in the gray-brown matrix material, the sandstone breccia, and the brown-yellow stripping materials growing around the edge of the breccia; (d) residual black breccia, chlorite and recrystallized minerals in sample NB-3; (e) black breccia and sandstone clasts in the gray-brown matrix material in sample NB-2; (f) sample NB-3 showing occurrence of quartz and residual black breccia, and brown-yellow materials, indicating previous fluid action

掃描電鏡(SEM)觀察顯示黑色斷裂物質(zhì)由很多粒徑大小不一(2～30μm)的石英顆粒和細(xì)小的黏土礦物組成(圖9)。其中可見(jiàn)水滴狀、球狀、環(huán)帶和孔洞狀構(gòu)造(圖10)，EDS成分分析顯示其主要為含Si質(zhì)成分物質(zhì)(圖10g，h)。

圖9 南壩地區(qū)黑色斷裂物質(zhì)掃描電鏡特征(a)黑色斷裂物質(zhì)BSE圖像，可見(jiàn)大塊的石英顆粒；(b)黑色斷裂物質(zhì)BSE圖像，可見(jiàn)石英顆粒和黏土礦物Fig.9 SEM features of the black fault materials in Nanba area(a) BSE image of the black fault material showing big-size quartz grains; (b) BSE image of black fault material showing occurrences of quartz and clay minerals

圖10 黑色斷裂物質(zhì)(樣品NB-3)SEM圖像及能譜曲線(a、b)水滴狀的構(gòu)造；(c)似氣孔構(gòu)造；(d)熔融體環(huán)帶構(gòu)造；(e、f)球粒構(gòu)造；(g)圖10d中點(diǎn)1的能譜圖；(h)圖10f中點(diǎn)2的能譜圖Fig.10 SEM images of black fault material and the SEM-EDS spectrum analysis(a, b) droplet structures; (c) vesicles; (d) melt flow structures; (e, f) spherulites; (g) the energy spectrum of point 1 in Fig.10d; (h) the energy spectrum of point 2 in Fig.10f

4 斷裂巖的XRD和μXRF分析

斷裂帶樣品的XRD圖譜顯示(圖11)，破碎帶巖石、斷層角礫巖和黑色斷裂物質(zhì)主要礦物成分為：石英、微斜長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石以及黏土礦物，在黑色物質(zhì)層中除上述礦物外，還有黃鉀鐵礬和重晶石等礦物。黏土礦物主要為：伊利石、綠泥石、伊蒙混層，僅兩個(gè)黑色斷裂物質(zhì)樣品中含有蒙脫石。

圖11 南壩地區(qū)北川斷裂帶斷裂巖的XRD圖譜Qz-石英；Ab-斜長(zhǎng)石；Mc-微斜長(zhǎng)石；Il-伊利石；Chl-綠泥石；I/S-伊蒙混層；Bar-重晶石；Jar-黃鉀鐵礬；Sme-蒙脫石；Atg-蛇紋石Fig.11 XRD patterns of fault rocks in the Beichuan fault zone in Nanba are Qz-quartz; Ab-albite; Mc-microcline; Il-illite; Chl-clinochlore; I/S-illite/smectite; Bar-barite; Jar-jarosite; Sme-smectite; Atg-antigorite

對(duì)20個(gè)斷裂帶樣品進(jìn)行了礦物含量的分析(表1)。總體來(lái)看，黑色斷裂物質(zhì)(NB-1、NB-4、NB-5、NB-6、NB-7、NB-8、NB-9、NB-10)中石英含量31%～50%，長(zhǎng)石含量18%～26%，黏土礦物成分含量24%～36%；斷層角礫巖(NB-11、NB-13、NB-14、NB-19、NB-20、NB-21)中石英含量35%～45%，長(zhǎng)石含量24%～36%，黏土礦物成分含量18%～34%；破碎帶(NB-15～18、NB-22～24)中石英含量31%～47%，長(zhǎng)石含量24%～45%，黏土礦物成分含量15%～45%。從破碎帶到斷層角礫巖再到黑色斷裂物質(zhì)，石英含量變化不大，但是長(zhǎng)石含量逐漸降低，黏土礦物含量明顯增加。

此外，對(duì)黑色斷裂物質(zhì)標(biāo)本進(jìn)行切割及表面拋光后，采用μXRF無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)其切面進(jìn)行元素掃描。測(cè)試結(jié)果(圖12)表明，深黑色角礫的Fe、K元素含量低于棕灰色的部分，深黑色角礫中的Ba、Ti、V含量高于淺色部分的，其中黑色角礫裂隙中的Ba、Ti、V含量明顯偏高。

圖12 黑色物質(zhì)樣品表面μXRF測(cè)試元素分布特征(a)黑色斷裂物質(zhì)掃描圖；(b-f)Fe, K, Ca, Ba,Ti和V的單元素分布圖，彩色條代表XRF的強(qiáng)度，紅色區(qū)域表示高豐度，可見(jiàn)Ba、Ti和V之間有明顯的正相關(guān)性，和K、Fe有反相關(guān)性Fig.12 μXRF mapping of the elements distribution of the black materials(a) scanned image of the fractured black material; (b-f) single element distribution diagrams of Fe, K, Ca, Ba, Ti and V. Color bars represent the strength of XRF. The red color indicates high abundance. There is a positive correlation between Ba, Ti and V, and a negative correlation with K and Fe

5 討論

5.1 北川斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)

根據(jù)變形程度的不同，斷裂帶可分為斷層核部和破碎帶。斷層核部通常是作為一個(gè)滑移面或滑動(dòng)帶，由斷裂巖(斷層泥、斷層角礫巖、碎裂巖或假玄武玻璃)組成，破碎帶通常是由具有破裂分布較寬的圍巖組成。斷裂核部寬度一般較窄，小斷裂可能僅有1～3mm寬，大斷裂也就10～30cm寬。斷裂帶核部寬度雖然很窄但卻容納了斷裂帶的大部分變形。斷裂帶可分為單核結(jié)構(gòu)和多核結(jié)構(gòu)這兩種典型類型(Faulkneretal.，2010)。單核結(jié)構(gòu)為有一個(gè)高應(yīng)變斷層核部的斷裂帶(Chester and Logan，1986)，多核結(jié)構(gòu)是有多個(gè)高應(yīng)變斷層核部的斷裂帶(Faulkner and Rutter，2003)。

在研究區(qū)，北川斷裂帶中斷裂巖和破碎帶的呈規(guī)律分布，以陡傾的黑色斷裂物質(zhì)為中心，兩側(cè)分別為斷層角礫巖和破碎帶，并且它們的厚度基本一致，汶川地震滑動(dòng)面沿黑色斷裂物質(zhì)層北西邊界分布，并有～10mm的滑動(dòng)帶(圖3、圖5)，從顯微鏡下觀察到的滑動(dòng)帶則更窄。該黑色斷裂物質(zhì)是早期斷裂滑動(dòng)所產(chǎn)生的直接或間接物質(zhì)，是斷裂帶的高應(yīng)變帶。因此，北川斷裂帶具有典型的單核結(jié)構(gòu)特征，寬度～30m。

在映秀-北川斷裂帶南西段虹口地區(qū)，映秀斷裂帶寬約240m，由五個(gè)次級(jí)不同的斷裂巖帶組成：碎裂巖帶(具有假玄武玻璃)、黑色斷層泥和角礫巖帶、灰色斷層角礫巖帶、深灰色斷層角礫巖帶以及斷層泥和角礫巖帶，斷裂巖組合顯示映秀斷裂帶具有多核斷裂結(jié)構(gòu)特征(Wangetal.，2014a)，是一條從晚三疊世至現(xiàn)今經(jīng)常發(fā)生大地震的斷裂帶(Zhengetal.，2016；Wangetal.，2019a)。北川斷裂帶與映秀斷裂帶具有明顯不同的斷裂巖組合和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，反映出它們具有不同的演化歷史和變形作用，是兩條不同的斷裂帶，只是2008年汶川地震破裂使它們貫穿聯(lián)通。為什么一次地震使兩條不同的斷裂聯(lián)通？映秀斷裂和北川斷裂聯(lián)結(jié)部位彎曲，成為典型的“拉張階區(qū)”(圖1)，根據(jù)目前的數(shù)值模擬研究，拉張階區(qū)應(yīng)力應(yīng)變限制在兩條主要斷層間，而且容易失穩(wěn)，一側(cè)斷層破裂容易跳到另一側(cè)的控制斷層上(Finzi and Langer，2012；Wangetal.，2017，2020)，使之破裂，因此，汶川地震破裂傳播過(guò)程中，破裂是由SW向NE方向傳播，當(dāng)破裂沿映秀斷層向NE方向傳播至清平拉張階區(qū)，由于該拉張階區(qū)容易導(dǎo)致應(yīng)力傳播，所以，破裂跳至另一條相鄰的北川斷裂傳播。

5.2 黑色斷裂物質(zhì)：蝕變的假玄武玻璃

從XRD分析結(jié)果(表1、圖11)來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)的黑色斷裂物質(zhì)中黏土礦物含量較高(24%～36%)，從SEM圖像可見(jiàn)，黏土礦物顆粒細(xì)小呈無(wú)方向性分布，局部可見(jiàn)細(xì)小的伊利石圍繞石英顆粒邊部生長(zhǎng)(圖9b)，為后期形成的黏土礦物。以上表明黑色物質(zhì)可能是斷層泥，但其質(zhì)地脆且易碎、為相對(duì)均質(zhì)的塊狀結(jié)構(gòu)，不同于普通斷層泥呈松軟狀和映秀-北川斷裂帶南西段虹口地區(qū)具有棱角狀大小不一的碎塊及帶狀構(gòu)造的斷層泥(Togoetal.，2011b；Wangetal.，2014a；Wangetal.，2019a)，也不同于灌縣-安縣斷裂帶中斷層泥黏土礦物富集、面理發(fā)育和壓溶構(gòu)造的特征(Heetal.，2018)。在棕灰色物質(zhì)中可見(jiàn)大小不一、無(wú)定向的黑色物質(zhì)角礫(圖7a-c)，顯示棕灰色物質(zhì)灌入到黑色塊狀物質(zhì)中，使它破碎的特征。綜上，這些黑色斷裂物質(zhì)可能不是通常的斷層泥。

部分黑色斷裂物質(zhì)(NB-6，-7)的局部XRD圖譜顯示，在16°～34°的低衍射角(2θ)范圍具有寬的非晶質(zhì)物質(zhì)衍射波譜的峰帶特征(圖13)，在SEM圖像中發(fā)現(xiàn)有水滴狀、球狀、環(huán)帶和似氣孔狀構(gòu)造的熔融結(jié)構(gòu)(圖10)，這些特征都明顯指示了斷裂核部黑色物質(zhì)具有熔融形成的假玄武玻璃的特征，表明該黑色斷裂物質(zhì)是假玄武玻璃斷層脈，是古地震的產(chǎn)物。

圖13 北川斷裂帶中假玄武玻璃的XRD圖譜Fig.13 XRD patterns of pseudotachylytes in Beichuan segment

此外，黑色物質(zhì)的Fe、Ba、Ti元素含量相對(duì)較高(圖12)，這與映秀-北川斷裂帶虹口地區(qū)出露的假玄武玻璃具有高Fe、Ba、Ti含量的特征(Wangetal.，2019b)相似。斷裂帶中假玄武玻璃被認(rèn)為是地震發(fā)生的直接產(chǎn)物與證據(jù)，是古地震斷層快速滑動(dòng)產(chǎn)生高溫使巖石熔融而形成的殘留物，被喻為“地震化石”(Sibsonetal.，1975；Lin，1994)。假玄武玻璃具有焊接斷裂的作用，同時(shí)被后期的熔體灌入時(shí)也易破碎，所以在棕灰色假玄武玻璃中可見(jiàn)黑色假玄武玻璃角礫。北川斷裂帶中發(fā)育的厚層假玄武玻璃斷層脈表明，該斷裂帶經(jīng)常發(fā)生大地震活動(dòng)。

顯微結(jié)構(gòu)觀察顯示，黑色物質(zhì)中只發(fā)現(xiàn)了類似氣孔和球粒構(gòu)造，沒(méi)有看到由于熔融而產(chǎn)生的明顯的流動(dòng)構(gòu)造、不同類型微晶和不規(guī)則港灣狀構(gòu)造等，可能是后期蝕變作用造成熔融特征被覆蓋。斷裂帶是流體的通道(Caine and Forster，1999)，流體-巖石相互作用可使斷裂巖中的礦物發(fā)生變化。我們?cè)陲@微鏡下觀察到了大量的流體作用的痕跡，如裂隙中生長(zhǎng)很多黃鉀鐵釩等硫化物礦物，這些物質(zhì)或包圍黑色角礫(圖14a)或充填在灰褐色的塊體的基質(zhì)中(圖8c-f、圖14b)。已有的研究表明，蝕變的熔體中碎塊周圍往往具有明顯的蝕變邊緣(Wangetal.， 2019a)，如在石英碎塊、黑色物質(zhì)(假玄武玻璃)碎塊和變砂巖碎塊周緣可見(jiàn)到蝕變邊緣(圖8c-e)。這些證據(jù)表明在南壩地區(qū)北川斷裂帶中存在地震產(chǎn)生的假玄武玻璃，可能由于后期流體等作用大部分已經(jīng)被蝕變了。

圖14 南壩地表露頭斷裂巖流體作用顯微照片(a、b)及能譜曲線(c、d)(a)樣品NB-3鏡下特征，黃褐色的硅鋁質(zhì)物質(zhì)分布在褐色塊體中；(b)樣品NB-4鏡下特征，黃-黃褐色硅鋁質(zhì)物質(zhì)將黑色塊體包裹；(c)圖a中點(diǎn)1的能譜圖；(d)圖b中點(diǎn)2的能譜圖Fig.14 Micrographs showing fluid-rock interaction in the fault rocks (a, b) and the EDS patterns (c, d) of the analyzed spots(a) microscopic features of the sample NB-3 showing the yellow-brown salic materials developed within the brown materials; (b) microscopic features of the sample NB-4 showing yellow to yellow-brown salic materials surrounded the black fragments; (c) the energy spectrum of point 1 in the Fig14a; (d) the energy spectrum of point 2 in the Fig.14b

5.3 北川斷裂帶滑移機(jī)制

5.3.1 斷裂破裂行為

大量的研究發(fā)現(xiàn)斷裂帶的地震滑動(dòng)過(guò)程中，滑動(dòng)面通常分布在斷裂帶底部，如映秀-北川斷裂帶南部虹口露頭中，2018年汶川地震破裂面發(fā)育在映秀斷裂帶底部(Togoetal.，2011b；Wangetal.，2014a)，綿竹市九龍清泉村露頭和汶川科鉆(WFSD-3，3P)巖心研究顯示汶川地震破裂面發(fā)育在灌縣-安縣斷裂帶底部(Lietal.，2016)。1999年集集地震(Mw7.3)的滑動(dòng)面同樣發(fā)育在車籠浦?jǐn)嗔褞У牡撞?Yehetal.，2007)。這些現(xiàn)象均表明逆沖斷裂帶活動(dòng)，其地震破裂面(斷層滑移面)往往發(fā)育在斷裂帶底部，這可能與逆沖斷裂的生長(zhǎng)方向有關(guān)。日本Nojima斷裂帶是條陡傾的右旋走滑斷裂，1995年神戶地震(Ms7.2)沿該斷裂發(fā)生破裂，破裂帶以右旋走滑為主伴隨逆沖分量，北川段斷裂帶性質(zhì)與其非常相似。震后斷裂帶科學(xué)鉆探和地表露頭研究均揭示了神戶地震滑動(dòng)面發(fā)育在Nojima斷裂帶底部(Linetal.，2001)，然而汶川地震是沿北川段斷裂帶頂部破裂。為什么汶川地震破裂面發(fā)育在北川段斷裂帶黑色斷裂物質(zhì)(蝕變假玄武玻璃)層的頂部而不在底部？這是否與斷裂后退式生長(zhǎng)有關(guān)，還是其他因素控制，具體成因還需深入研究。

5.3.2 斷裂滑移機(jī)制

斷裂滑移過(guò)程可分為速度弱化和速度強(qiáng)化(Dieterich，1979；Ruina，1983)，速度弱化斷裂快速滑動(dòng)產(chǎn)生地震，速度強(qiáng)化斷裂緩慢滑動(dòng)(蠕滑)不產(chǎn)生地震。斷裂巖可以提供斷裂的物理、化學(xué)、應(yīng)力變化等信息，是了解斷裂滑移機(jī)制的重要研究對(duì)象。了解在地震過(guò)程中斷裂帶內(nèi)發(fā)生的礦物變化、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物性特征和摩擦行為等信息，可判斷在地震發(fā)生過(guò)程中的斷裂弱化機(jī)制。斷裂弱化機(jī)制是地震動(dòng)力學(xué)研究中最關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題之一(Di Toroetal.，2011)。

我們的研究認(rèn)為南壩露頭中黑色斷裂物質(zhì)是蝕變的假玄武玻璃，其中保存有少量熔融特征，指示了斷裂滑移過(guò)程中存在摩擦熔融潤(rùn)滑的弱化機(jī)制，表明摩擦熔融潤(rùn)滑是北川斷裂帶重要的弱化機(jī)制。目前研究認(rèn)為假玄武玻璃斷層脈的厚度隨斷層滑移量的增大而增加(Sibson，1975；Di Toro and Pennacchioni，2005)，一次大地震可以形成幾毫米至幾厘米厚假玄武玻璃(Di Toro and Pennacchioni，2005)。目前我們還無(wú)法區(qū)分出20～40cm厚的黑色斷裂物質(zhì)層中有多少層假玄武玻璃，但可以確定的是南壩地區(qū)北川斷裂帶中的假玄武玻璃是經(jīng)歷了多期大地震事件所產(chǎn)生的，而且它應(yīng)該是長(zhǎng)期古地震活動(dòng)的產(chǎn)物，并非2008年汶川地震形成的。在棕灰色假玄武玻璃中可見(jiàn)黑色假玄武玻璃碎塊(圖7a-c、圖8b-f)，說(shuō)明后期斷層快速滑動(dòng)過(guò)程中使早期形成的假玄武玻璃破碎成為新的假玄武玻璃中的角礫。因此，我們認(rèn)為北川斷裂帶存在多期次的快速滑動(dòng)所產(chǎn)生的高溫熔融作用，摩擦熔融潤(rùn)滑機(jī)制是北川斷裂帶滑動(dòng)的重要弱化機(jī)制。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)映秀-北川斷裂帶北東段南壩地區(qū)地表露頭調(diào)查，結(jié)合顯微構(gòu)造、XRD、μXRF等手段對(duì)斷裂帶內(nèi)部巖石進(jìn)行綜合分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)北川斷裂帶寬度約30m，由假玄武玻璃、斷裂角礫巖和破碎帶組成。以含假玄武玻璃帶為核部，兩側(cè)均發(fā)育厚度不等的斷層角礫巖帶和破碎帶，構(gòu)成近對(duì)稱的單核斷裂結(jié)構(gòu)，暗示其構(gòu)造演化歷史與南西段虹口地區(qū)～240m寬的映秀斷裂帶相比較短。

(2)北川斷裂帶的核部發(fā)現(xiàn)20～40cm厚的黑色斷裂物質(zhì)，經(jīng)XRD和顯微構(gòu)造分析發(fā)現(xiàn)，它們是具有非晶質(zhì)特征和熔融結(jié)構(gòu)的假玄武玻璃斷層脈，是古地震的產(chǎn)物。由棕灰色假玄武玻璃中分布黑色假玄武玻璃角礫的特征表明，存在多期次假玄武玻璃特征，即早期假玄武玻璃脈被后期地震滑動(dòng)所破碎，并在后期出露地表的過(guò)程中受流體作用影響而發(fā)生了蝕變。

(3)北川斷裂帶核部多期次假玄武玻璃斷層脈的存在，不僅表明斷裂帶經(jīng)常發(fā)生大地震活動(dòng)，而且，斷層摩擦熔融潤(rùn)滑機(jī)制是南壩地區(qū)斷裂帶的重要?jiǎng)討B(tài)弱化機(jī)制。

致謝感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)所曹勇，中建材地勘中心江蘇總隊(duì)王雷振，陜西工程勘察研究院有限公司劉晨光，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)所韓亮、李春銳和李開(kāi)玉，中國(guó)地震局地球物理研究所龔正和應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院何祥麗等在野外和室內(nèi)工作中給予的諸多幫助; 衷心感謝評(píng)審專家和本刊編輯對(duì)本文提出寶貴的建設(shè)性意見(jiàn)和建議，使本文質(zhì)量得以提升。