青藏高原sn向正断层假玄武玻璃的结构与成因

青藏高原sn向正断层假玄武玻璃的结构与成因

在扰动的高速滑动过程中，断裂带上的岩石随着快速滑动而失效，因为断裂带上的岩石被磨碎，导致与地震有关的岩石，如碎岩、断裂角砾岩、断层泥、虚假玄武岩玻璃等。这些岩石作为断裂活动的载体记录和保存了重要信息，是认识断裂带活动、变形行为和演化历史的重要物质。其中假玄武玻璃，也称假熔岩，是地震断层带高速滑移造成滑动面及附近岩石发生熔融并快速冷却形成的产物，被喻为“地震化石”(本文以羌塘地块中部SN向裂谷带正断层古地震活动的证据———假玄武玻璃和碎裂岩为研究对象，通过野外露头调研，借助光学显微镜、扫描电镜等对其结构构造进行详细描述，同时应用能谱-扫描电镜、粉末X射线衍射和微区原位X射线荧光分析法对其化学元素分布和矿物组成进行测试，认识其结构构造、变形行为、矿物组合与元素分布，探讨其形成机制、断裂带演化及羌塘中部古地震活动历史，对区域地震活动及断裂带演化过程的认识具有重要的意义。1地质地貌单元青藏高原周缘及内部发育一系列规模与性质不同的活动断裂，这些断裂控制了青藏高原复杂的构造格局和独特的地貌特征(日干配错断裂位于羌塘地块南缘(图1)，是一条长约340km、走向约NE70°的左行走滑断裂，与北侧的依布茶卡地堑、角木茶卡半地堑以及两条小规模半地堑相连(图2a)。依布茶卡地堑由走向NE30°～40°、长约80km的西依布茶卡断裂和长约40km的东依布茶卡断裂控制，地堑(盆地)长约80km、宽5～20km，呈NNE走向。东、西依布茶卡断裂向南与日干配错断裂相连，并切割了基岩与第四纪地质地貌单元。羌塘地块的地震活动强烈，块体东部发生多次M7级以上的地震，西部主要发生M7以下的地震，沿近南北向的裂谷发生多次M7级以下的地震(2样品采集与分析2.1断裂岩显微结构特征野外调查发现，在依布茶卡地堑东侧角木日山前古近系与二叠系的接触界线附近出露正断层，该观测点发育3条近平行的正断层(图2b)，其中F1为主断层，F2、F3为次级断层。断裂带上盘为古近系紫红色砂岩、泥质灰岩，下盘为二叠系灰绿色凝灰质砂岩、泥岩、泥晶灰岩。从南到北，3条断图4断裂岩显微结构特征(样品SH16)层的产状分别为F1:344°∠41°～60°，从上向下倾角变陡，F2:348°∠51°，F3:8°∠43°。其中F1断层滑动面擦痕明显(图3a)，擦痕产状测量结果显示其平均倾伏向为321°，倾伏角为42°(沿3条次级正断层滑动面附近均可见到深灰-褐色假玄武玻璃，这些假玄武玻璃呈断层脉沿断层面分布或呈注入脉贯入滑动面附近的裂隙中(图3b,c)，局部也可见到网络状分布的细脉。我们对假玄武玻璃及其围岩进行了详细的样品采集，本文选取其中沿F1断裂分布的两块断裂岩标本SH16(图3d)和SH18(图3e)进行了详细的研究，样品采集位置见图2b。在手标本中我们可以看到在假玄武玻璃断层脉的表面覆有一薄层红褐色铁锈状的物质(图3d,e)，并且在滑动表面可以清晰地看到擦痕(图3d)。2.2粉末x射线衍射分析我们对SH16和SH18两块标本均沿擦痕方向且垂直于滑动面进行切割磨制构造岩石薄片，并对SH18不同位置取样进行粉末X射线衍射(XRD)分析。对切制的薄片借助光学显微镜(蔡司Axioskop40Pol)、扫描电子显微镜(SEM型号:FEINovaNanoSEM450，工作电压:高压20kV，工作距离:4.9～6.8mm)进行显微结构的分析，结合能谱仪(SEM-EDX,OXFORDX-Max50mm3断裂带的微观特征及成分分析3.1基质组成及构造从切制的岩石构造薄片来看，沿F1断层发育的断裂岩具有明显分层的结构特征(图4、图5)。从样品SH16来看，从上到下可划分为5个不同的特征层(图4a):层(1)滑动面最上部为红褐色富铁层，厚度小于1mm，在该样品中呈不连续分布，仅在左侧有部分保留;层(2)位于样品顶部靠右位置，厚度不均一，薄片中最厚处约3mm，可见暗色岩石碎屑和少量亮色的石英碎屑无定向的散布在浅色硅质基质中，为基质支撑结构;层(3)见于样品左侧靠近顶部，2～3mm厚，该层特征为破碎的暗色岩石裂隙中充填有浅色基质，呈碎屑支撑结构;层(4)厚度2～4mm，较为均质的暗色基质中含少量浅色长英质岩石碎屑;层(5)具有碎裂结构，左侧结构较均一，右侧可见多个粒径较大的石英碎粒。在单偏光显微镜下我们可以看到层(2)中暗色碎块大小不一，从几十微米到大于一毫米，呈棱角状、无定向的杂乱排列，散布于亮色的基质之中(图4b,c)，且该层与下部假玄武玻璃薄层(4)之间界限分明。假玄武玻璃层在单偏光镜下呈棕褐色，厚度约3～4mm，富细粒基质(～80%)，含次圆状的矿物或岩石碎屑(～20%)，碎屑颗粒相对较小，可见少数大于500μm的岩石碎屑，在假玄武玻璃中间分布较多，边缘较少。棕褐色基质中可见4条裂隙，沿裂隙有流体作用形成的暗色浸染边(图4b)。棕褐色假玄武玻璃层与下部灰黑色碎裂岩层之间也呈现明显的突变边界(图4b,d)。碎裂岩层具有碎裂结构，岩石已破碎为碎粉、碎粒，大小不一的岩石碎屑无定向排列，被细粒基质包围，基质含量约30%。在SH18薄片中也可以看到明显的断裂岩分层结构特征，样品最顶部为薄层深色假玄武玻璃，向下分别为超碎裂岩、碎裂岩和初碎裂岩，且各分层之间具有清晰的界限(图5)。从局部放大照片中，可以看见在最靠近滑动面的位置有～1mm厚的黄褐色薄层假玄武玻璃，与下部超碎裂岩呈突变的接触关系(图5b)。更细节的照片显示，在黄褐色薄层假玄武玻璃之上还发育一层～100μm厚的黑色假玄武玻璃，其上覆有一层红褐色的富铁物质层，黑色和黄褐色假玄武玻璃中均显示有不同大小的碎屑散布于细粒基质中(图5c)。超碎裂岩中次棱角状的碎块大小不一、无定向排列地分布于细粒基质中(图5b,d,e)，并且在远离滑动面的方向，碎屑粒度由小变大。在超碎裂岩和碎裂岩中，均有黑色和浅黄褐色的岩石碎屑，并在超碎裂岩中可见粒径大小不一的黑色碎屑被包裹在浅黄褐色碎屑之中(图5f,g)。相较于超碎裂岩，碎裂岩中碎屑粒径更大、含量更高(图5h)。初碎裂岩基本保留原岩结构特征，亮色脉体发育，局部发育有磨碎的细粒基质，基质含量15%左右。总体来看，从上部黑色、黄褐色假玄武玻璃，到超碎裂岩、碎裂岩、初碎裂岩，其中碎屑颗粒的粒度和不均一性逐渐增大，碎屑磨圆度和基质含量逐渐减小。我们对SH16的假玄武玻璃层在扫描电镜下进行了详细的结构观测，结果显示在假玄武玻璃中发育有大量的微晶(图6)，这些微晶比较集中的出现在假玄武玻璃层中的不同位置:(1)在假玄武玻璃最上部与富铁物质接触的地方，可以看到多个长柱状的微晶与石英熔蚀残留碎粒无定向地分布于浅色富铁的基质中(图6a,b)，浅色基质中可见流体作用的环边结构，石英碎粒多呈次圆状少数具棱角状，且在图6a右下可见两块较大的石英残粒与周围细小的碎裂聚集呈椭圆状;(2)成束的微晶聚集体密集分布于假玄武玻璃层中富铁的基质中(图6c);(3)在假玄武玻璃层的微裂隙中充填有不同的矿物碎粒和新生的长柱状微晶，在微晶和碎粒周边包围有一层细小的毛刺状的富铁微粒(图6d)。此外，我们在假玄武玻璃层中还观察到有石英碎粒的港湾状熔蚀边(图6e)和蜂窝状气孔构造(图6f)。3.2矿物组成分析在对SH18手标本沿擦痕且垂直于滑动面方向进行切开后，在剖面上可见断裂岩具有不同的分层特征，从滑动面向下，大致可分为5层(图7a)，简单描述如下:(1)主滑动面位置，为标本最上部约2～3mm厚的薄层深色物质，该层取样标编号为SH18-1;(2)紧邻主滑动面下部的深灰色-褐色层，岩石较致密均一，其中分布有次棱角状-次圆形的更深色的岩石碎屑，靠近上部碎屑较密集且粒度小(<2～3mm)，下部碎屑颗粒较大且稀疏，偶见直径近1cm的石英碎粒。在该层上部和下部分别取样SH18-2和SH18-3;(3)该层为暗紫红褐色，其中含较多粒度较大的浅黄色次棱角状岩石碎屑和深灰色次圆形的岩石碎屑，碎屑无定向排列。该层取样SH18-4;(4)该层为深灰色和红褐色碎屑分布于黄褐色细粒基质之中，孔隙发育，取样SH18-5;(5)最下部暗紫红色致密层，取样SH18-6。XRD谱图分析结果显示(图7b)，各分层物质的矿物组成基本一致，仅在含量上稍有区别(表1)。其主要矿物成分为石英(52%～72%)和云母(11%～16%)，其他矿物包括高岭石(4%～6%)、斜长石(2%～3%)、微斜长石(3%～4%)、铁白云石(1%～7%)、黄铁矿(1%～5%)、菱铁矿(2%～16%)。其中SH18-1石英(72%)含量最高、铁白云石(1%)含量最低，SH18-2、SH18-3、SH18-4中菱铁矿含量较高，分别为12%、16%、12%。3.3假玄武玻璃中si的富集特征我们选取SH16薄片中包含假玄武玻璃与下部碎裂岩的区域进行了微区原位XRF元素丰度面扫描。从扫描结果来看，碎裂岩与上部假玄武玻璃层化学元素丰度分布具有明显的变化(图8)。总体而言，假玄武玻璃中Si的丰度相对碎裂岩中要高(图8a,b)，而Al、K、Fe、Ba、Ti等元素在碎裂岩中丰度相对较高(图8c-g)，呈弥散状分布，其中Al和K、Ba与Ti之间具有较好的相关性。在顶部滑动面位置和假玄武玻璃层的裂隙中，可以看到Fe具有较明显的富集趋势(图8e)。在扫描电镜下，我们应用能谱分析对假玄武玻璃顶部微晶发育的局部区域进行了元素面扫描(图9a)。扫描结果显示，假玄武玻璃为富Si基质(图9b)，顶部亮色物质为富Fe基质(图9c)，中间为以石英为主的碎粒和新生的富Al微晶(图9d),K、Na分布均不明显(图9e,f)。4讨论4.1断层组织特征假玄武玻璃可以形成于大地震、滑坡及陨石撞击等环境下(Ferréetal.,2005)，通常以断层脉、注入脉和网状脉等形式产出，具有多种颜色和习性，如具有暗色隐晶质基质、冷凝边结构和突变的侵入边界等。断层相关的假玄武玻璃通常被认为是地震过程中断层高速摩擦的证据(从野外宏观产状来看，东依布茶卡断裂中的假玄武玻璃有其特征习性，如具有断层脉、注入脉和网状脉等产状，并且与下部超碎裂岩之间具有突变的边界;显微镜和扫描电镜下微构造显示，其具有明显分层结构(图4、图5)，且可见微晶、港湾状熔蚀边、蜂窝状气孔构造(图6)等熔融成因的特征。从XRD谱图来看，东依布茶卡断裂中的假玄武玻璃(SH18-1)，其矿物峰值与超碎裂岩、碎裂岩峰值类似，在2θ低角度20°～40°区域没有出现明显的玻璃质的宽峰带(图7b)，但其曲线较其他而言波峰会稍少一些。假玄武玻璃中这些峰值可能代表了其蚀变或者脱玻化的产物。因为假玄武玻璃中的玻璃质成分在地质环境中很容易发生蚀变或重结晶。最近的实验模拟研究表明，假玄武玻璃中的微观结构在热液存在的条件下，只能保存几天到几个月的时间(Fondriestet图9假玄武玻璃中元素强度分布图al.,2020)。因此，综合来看，我们认为东依布茶卡断裂中的假玄武玻璃为断层滑动摩擦熔融形成的，并且在长期的地质历史中已发生了蚀变，同时表明该区域正断层具有中、大地震成核的条件。从XRF扫描结果来看，假玄武玻璃层中Si的含量高于下部碎裂岩中的含量，这可能是因为其他矿物熔点低(云母650℃)，石英矿物熔点高(1730℃，4.2正断层角砾质目前国际上关于假玄武玻璃的报导很多，如在中国新疆富蕴断裂(从SH16假玄武玻璃上部角砾层，我们可以看到，其中的角砾与下部假玄武玻璃成分类似，而中间充填的亮色基质成分主要为SiO4.3断层剪切作用地震断裂相关的变形机制通常形成在低温、低围压、应变速率很快的状态，在地壳浅部(15km以上)的断层剪切作用即以脆性变形为主。一般破坏性大地震的发震带多位于上、中部地壳内(约15km深度内)(青藏高原中部羌塘地块具有EW向伸展作用，其中发育有拉张环境下具弥散变形的SN向裂谷系正断层(5羌塘地段中假玄武玻璃假玄武玻璃作为古地震化石其结构组分保留了断裂活动的重要信息。本文以羌塘中部依布茶卡地堑正断层中发育的假玄武玻璃和碎裂岩为研究对象，通过偏光显微镜、扫描电镜，XRD以及微区原位XRF分析等多种手段，对其显微构造、矿物成分和元素分布进行分析研究，获得以下几点认识:(1)首次在羌塘地块内部依布茶卡地堑东边界断裂带中发现假玄武玻璃。东依布茶卡断裂带中发育的假玄武玻璃呈断层脉、注入脉和网状脉的形式产出，脉体厚度从几毫米到一厘米不等。这些出露于地表的假玄武玻璃经过长期地质演化，已发生了