江西中北部基岩区断层泥显微构造特征及意义
韩竹军1, 张秉良1, 曾新福2, 卢福水2, 郭鹏1
1中国地震局地质研究所, 北京 100029
2江西省防震减灾工程研究所, 南昌 330039

〔作者简介〕 韩竹军, 男, 1964年生, 1997年于中国地震局地质研究所获博士学位, 研究员, 长期从事活动构造与地震危险性研究, E-mail: zjhan0904@163.com

摘要

如何在相对稳定的基岩区开展断裂活动性调查与发震构造判定是一项具有挑战性的研究工作。江西中北部瑞昌-铜鼓断裂和宜丰-景德镇断裂主要发育在前新生代基岩区, 但存在第四纪有过活动的地质和年代学证据, 是2条重要的中强地震构造带。在这2条断裂露头剖面上均发育断层泥条带, 断层泥显微构造图像揭示了丰富的构造变形现象, 构造成因机制明确。在变形方式上, 断层泥显微构造中既发育Y剪切、 R剪切以及棱角状、 次棱角状碎斑等等局部化脆性变形特征, 又有P叶理和碎屑颗粒拖尾构造等韧性变形特征。在中强地震发生过程中, 沿着发震构造的近地表滑动面很可能存在微观尺度的构造变形。在缺少第四纪活动证据的湖口-新干断裂南段露头剖面上采集的松软物质的显微构造研究结果, 反映了断裂构造带上泥状松软物质也可以是后期雨水淋滤充填或风化的产物。在野外现场观察中, 断裂滑动面上构造成因与非构造成因的泥状松软物质有时很难进行区分; 而在室内磨制的薄片显微构造观察中, 两者之间的显微构造差异明显。华南相对稳定的基岩区常常是中国重大工程(如核电厂)选址中优先考虑的地区, 同时也是中国经济发达、 人口密集的城市群主要分布区; 在这些地区的地震构造环境评价中, 断层泥显微构造研究为鉴定断裂活动性、 判定中强地震发震构造提供了可以借鉴的技术途径。

关键词: 江西中北部; 基岩区断裂; 断层泥; 显微构造; 中强地震
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)04-0903-17
MICROSTRUCTURAL FEATURES AND IMPLICATIONS OF FAULT GOUGE FROM THE FAULTS OF BEDROCK REGION IN THE CENTRAL-NORTHERN JIANGXI PROVINCE, CHINA
HAN Zhu-jun1, ZHANG Bing-liang1, ZENG Xin-fu2, LU Fu-shui2, GUO Peng1
1)Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)Institute of Earthquake Disaster Mitigation Engineering of Jiangxi Province, Nanchang 330039, China
Abstract

How to survey fault activity and determine seismogenic structures in a relatively stable and bedrock-distributed region is a challenging research work. Ruichang-Tonggu Fault and Yifeng-Jingdezhen Fault, distributed mainly at the pre-Cenozoic bedrock region, show the geological evidences of activity in the Quaternary and they are two important tectonic belts for the occurrence of moderate earthquakes in the central-northern Jiangxi Province. Fault gouge stripes can be found on the outcrop sections of the two faults. The imageries of the microstructures of fault gouge show abundant phenomena about the structural deformation, and it is clear that the fault gouge was formed by structural activity. As to the deformation modes, there are not only the Y-shears and R1-shears, which represent the localized-brittle deformation, but also the P-foliations, which reflect the ductile deformation in the microstructures of fault gouge. These features demonstrate that the micro-scale rapid deformation can exist in the seismogenic structure at the near-surface in the occurrence process of moderate earthquakes very possibly. The microstructures of soft material from the fault outcrop section at the southern segment of Hukou-Xingan Fault, which is inactive in the Quaternary, reflects that the soft material from the fault zone can also be the products of rainwater leaching and filling, or weathering in the later periods. Based on the macroscopic observation in the field, it is sometimes difficult to distinguish the differences of structurally-formed or non-structurally formed soft gunk in the fault zones, however, their differences in the microstructure on the slices grinded indoor are obvious. The relatively stable bedrock areas in South China often are not only favorable for the siting of major projects, such as nuclear power plant in China, but also the economically-developed, densely populated, urban agglomeration areas. The study of microstructure of fault gouge provides a technical reference approach for the identification of fault activity and the determination of seismogenic structure of moderate-strong earthquakes in assessing the seismotectonic environment in these regions.

Keyword: central-northern Jiangxi Province; fault at bedrock region; fault gouge; microstructure; moderate earthquake
0 引言

江西中北部地处华南块体内部(图1)(张培震等, 2003), 在地震区带划分上属于华南地震区, 但毗邻与华北地震区之间的边界带, 是中国地震活动性较弱的相对稳定区, 以中强地震为主要活动特征(国家地震局震害防御司, 1995)。第四纪时期, 华南地区断裂活动性普遍较弱, 对第四纪沉积的控制作用不明显, 主要分布在前新生代基岩区, 采用断错地层年代测定等常规方法有时很难达到鉴定此类断裂活动性的目的(史兰斌等, 1996)。断层泥是断裂活动的直接产物(Sibson, 1986), 记录了断裂活动性质、 方式和历史等信息(马瑾等, 1985; 张秉良等, 2002; Schleicher et al., 2010), 可用来研究基岩区断裂活动性(林传勇等, 1995; 姚大全, 2001; 付碧宏等, 2008)。

图1 江西中北部地震构造图(基础地质资料据: 江西省地质矿产局, 1984; 历史地震资料据: 国家地震局震害防御司, 1995; 块体边界据: 张培震等, 2003)
F1瑞昌-铜鼓断裂, F2九江-靖安断裂, F3湖口-新干断裂(赣江断裂), F4宜丰-景德镇断裂, F5丰城-婺源断裂, F6 永丰-抚州断裂, F7 余干-鹰潭断裂
Fig. 1 Seismotectonic map of the central-northern Jiangxi Province(after Bureau of Geology and Mineral Resources of Jiangxi Province, 1984 for the basic geological data; Department of Earthquake Disaster Prevention of China Earthquake Administration, 1995 for the historical earthquake data; and Zhang Pei-zhen et al., 2003 for the blocks boundaries data).

近年来, 2008年汶川8级地震地表破裂带中新鲜断层泥的发现和研究, 促进了对断层泥显微构造、 矿物成分和成因机制的研究(付碧宏等, 2008; 王萍等, 2009; 韩亮等, 2010; 何昌荣等, 2011; Lin, 2011; 党嘉祥等, 2012; Yao et al., 2013; 袁仁茂等, 2013; Zhang et al., 2016)。断层泥与中强地震构造背景下的断裂活动也存在密切关系。如大别山东北部的霍山地区历史上曾发生过6次破坏性地震, 最大地震为1917年霍山 6¼ 级地震, 构造上发育6条呈共轭交切关系的NW向和NE向断裂(韩竹军等, 2002), 姚大全等(1999)的工作表明, 这6条基岩断裂上均发育断层泥条带, 并对断层泥微观滑移方式与断层活动时代、 活动方式及地震活动的关系进行了研究。王华林等(1992)在鲁西NW向基岩断裂上也开展过类似工作。在断层泥显微构造特征与发震构造关系上, 过去一般认为局部化脆性变形的显微构造特征是在黏滞滑动或快速加载条件下形成的, 与发震构造关系密切; 而散布的韧性变形显微构造特征是断裂稳定滑动或缓慢加载的产物, 亦即断层无震蠕滑的产物(Moore et al., 1989; 张秉良等, 1993; 杨主恩等, 1999; 姚大全等, 1999; Reinen, 2000; 姚大全, 2004)。岩石摩擦实验表明, 断层同震动态滑动是1个非常复杂的过程(何昌荣等, 2011; Yao et al., 2013; 马胜利等, 2014), 断层的地震滑动事件有可能使断层泥产生2种变形现象的共存(Chester et al., 1986; Rutter et al., 1986; Scholz, 1990), 袁仁茂等(2013)对汶川2008年8.0级地震同震断层泥的研究结果表明, 断层泥不但发育Y剪切、 R剪切、 P剪切和张裂隙(T)等局部化脆性变形的显微构造特征, 也有发育良好的P叶理、 碎屑颗粒的拉长和不对称拖尾构造等类似于散布的韧性变形特征。岩石实验及野外调查均表明以脆性变形为主要特征的局部化剪切带(LSZ)有可能是断层黏滑的重要标志(Lin et al., 2005; 袁仁茂等, 2013; Zhang et al., 2016)。

活动断裂在晚第四纪时期有过明显活动, 沿线常较好地保留了反映其运动性质、 强度的地质地貌现象; 而相对稳定的中强地震区断裂构造一般在晚第四纪活动不明显, 主要分布在前新生代基岩区, 因此, 如何在此类地区进行断裂活动性鉴定和中强地震发震构造判定仍是一项具有挑战性的研究工作。为此, 本文对江西中北部2条发生过中强地震的瑞昌-铜鼓断裂和宜丰-景德镇断裂进行了露头剖面宏观地质特征分析、 新年代学样品测试以及断层泥显微构造定向样品采集。通过室内磨制薄片, 开展断层泥显微构造变形特征研究。同时也在不存在第四纪活动证据、 没有发生过中强地震的湖口-新干断裂南段露头剖面上采集了泥状松软物质样品, 显微构造图像分析表明: 雨水淋滤充填或风化形成的断裂构造带内部泥状松软物质与构造成因的断层泥存在显著差别。

1 区域地震构造背景

在区域地球动力学背景上, 江西中北部新构造运动在西侧受到青藏高原SEE向推挤的影响(图1), 主要体现在华南和华北块体边界带的相互运动; 东侧有菲律宾海板块俯冲作用对东南沿海产生的NWW向推挤和冲绳海槽NW-SE向扩张的侧向挤压。菲律宾海板块俯冲作用以及对东南沿海产生的NWW向推挡作用波及到大致沿着江西与福建边界分布的河源-邵武断裂(闻学泽等, 2003), 该断裂在寻乌、 会昌一带的构造及地震活动性相对较强(何昭星, 1989; 雷土成等, 1991), 江西省有记载以来的最大历史地震为1806年1月11日会昌6级地震。总体而言, 江西中北部没有强烈构造活动与地震活动的动力学背景, 大致以丰城-婺源断裂为界(图1), 可以分为赣中和赣北2个次级地震构造区, 其中赣北地震构造区临近华南和华北2个一级地震区边界, 发育鄱阳湖坳陷, 新构造运动时期存在较为明显的差异性活动, 中强地震活动较为频繁; 而赣中地震构造区既不靠近华南与华北2个地震区边界带, 又远离台湾岛弧板块碰撞带的影响, 因此, 新构造运动时期差异性运动不明显, 表现为大面积的整体性缓慢抬升, 地震活动性较弱。

江西中北部发育NNE— NE、 NEE和NW向等3组区域性断裂(图1), 其中又以前2组为主。NNE— NE向的瑞昌-铜鼓断裂(F1)、 九江-靖安断裂(F2)以及NEE向的宜丰-景德镇断裂(F4)与M≥ 5级的中强地震关系密切。近年来在江西开展的内陆核电厂地震地质专题研究或地震安全性评价工作中, 在这3条断裂的露头剖面上均发现了松软的断层泥条带 。湖口-新干断裂(F3, 又称 “ 赣江断裂带” )沿线历史上还没有破坏性地震的记载, 江西省地质矿产局(1984)把南昌市北郊乐化镇以北划分为北段, 乐化至丰城为中段, 南段为新干至吉安一带。中、 北段地貌差异明显, 对第四纪地层分布有控制作用, 可见喜山期侵入的脉状基性岩呈NNE向分布; 南段第四纪活动性证据不明显。

瑞昌-铜鼓断裂是1条典型的中强地震发震构造带(Han et al., 2012)。沿该断裂串珠状分布瑞昌、 范镇和武宁等3个继承性第四纪小盆地。在地震活动性方面, 除了2次5.0~5.5级历史地震外, 1970年至2005年发生过5次ML3.0~4.9级地震, 如1995年4月15日范镇4.9级地震、 2004年1月26日叶家铺南4.1级地震等。2005年11月26日在瑞昌盆地发生了5.7级地震, 显示了3.0级以上有感地震在北东成带分布的特征, 与该地区第四纪盆地和断裂构造的总体走向一致。2005年九江-瑞昌5.7级地震极震区地震烈度为Ⅶ 度, 长轴为NEE— NE向, 与震源机制解中节面Ⅰ 相吻合(吕坚等, 2008)。根据瑞昌盆地内浅层人工地震勘探和钻探验证, 在瑞昌盆地东缘发育1条走向SW-NE、 倾向NW的正断裂(瑞昌盆地东缘断裂), 该断裂中更新世早期仍有过明显的断错活动(Han et al., 2012), 为2005年九江-瑞昌5.7级地震的发震构造。

宜丰-景德镇断裂带规模较大, 位于宜丰、 南昌、 景德镇一线, 走向50° ~70° 。断裂地貌表现清楚, 沿线主要表现为线性负地形。白垩纪至古近纪时, 鄱阳湖地区为江南台隆上的1个断陷盆地, NEE向宜丰-景德镇断裂从盆地中间通过, 并将盆地分成南鄱阳凹陷带、 西山-鸣山隆起和北鄱阳凹陷带。第四纪时期, 鄱阳湖盆地内最大沉积厚度达60~70m(图1)。虽然宜丰-景德镇断裂从鄱阳湖盆地中间通过, 但盆地内第四系等厚线呈NEE向分布, 主要分布在断裂北侧的上盘, 长轴方向与断裂走向一致, 宜丰-景德镇断裂是江西省境内对第四纪岩相古地理环境控制作用最为明显的1条断裂, 也是该断裂第四纪时期仍有一定活动性的地质证据。在地震活动性方面, 1756年波阳 5½ 级地震的等震线长轴方向为65° 左右(国家地震局震害防御司, 1995), 与宜丰-景德镇断裂走向基本一致, 可以认为该断裂为1756年波阳 5½ 级地震的发震构造。

2 研究方法

在江西中北部基岩区断裂中的断层泥显微构造研究方法包括如下几个步骤:

(1)野外采样: 在野外观察的基础上, 根据断裂的宏观地质特征, 在主断面的断层泥条带上, 平行断面采集断层泥的定向样品, 用软材料包裹, 然后放入塑料盒中固定, 防止在运输过程中破坏原始结构。

(2)磨制薄片: 由于样品松软易变形, 在磨制薄片前, 用环氧树脂将样品固结硬化。之后磨制垂直断层面定向薄片。

(3)显微观察: 采用德国蔡司Zeiss Axioskop40型偏光显微镜进行显微构造观测。

(4)数字成像: 在ProgRes Capture Pro 2.8 软件支持下进行数字成像。

由于断裂活动的剪切作用, 在断层泥显微构造中经常可以观察到一些比较典型的剪切面或变形现象(图2)(Blenkinsop, 2002)。其中Y剪切(Y-shear)为平行于断层的主剪切方向发育的剪切面。Y剪切之间发育的显微构造包括: 里德尔剪切(Reidel shears), 又可分为R1和R2剪切, 它们是一种局部化滑动面, 通常由不连续的面、 破裂和剪切条带等构成; 其中R1剪切与主滑动面小角度斜交(这里为15° ~17° ), 其剪切指向与主滑动面剪切指向相同。R2剪切与主滑动面大角度斜交(这里为60° 左右), 其剪切指向与主滑动面剪切指向相反。P叶理(P ̄foliation)一般由黏土矿物斜交断层泥边界的平行排列组成, 由于黏土矿物较软, 常常可见弯曲的现象。P叶理常为R1剪切所分割或为Y剪切所限定, 构成类似s-c组构(s-c fabric)。还有碎屑颗粒的拉长及拖尾构造, T破裂(张性破裂)等。在变形方式上, P叶理和碎屑颗粒流动条带状发育等, 一般反映了韧性变形特征; Y、 R剪切以及棱角状、 次棱角状碎斑随机分布, 呈楔形的碎斑密集分布, 属于局部化的脆性变形显微构造。

图2 断层泥特征显微构造(据Blenkinsop, 2002)Fig. 2 The characteristic microstructure of fault gouge(After Blenkinsop, 2002).

3 宏观地质特征与显微构造分析

在瑞昌-铜鼓断裂、 宜丰-景德镇断裂和湖口-新干断裂南段, 采集了3组显微构造样品。下面分别介绍这3条断裂采样点露头剖面宏观地质特征、 断裂活动性以及显微构造分析结果。

3.1 瑞昌-铜鼓断裂

(1)露头剖面宏观地质特征

瑞昌-铜鼓断裂由1组次级断裂组成(图1), 在瑞昌与武宁之间, 断裂斜切了NWW走向的奥陶纪和志留纪单斜地层; 地貌上出现负地形, 尤其是在康山、 黄塘山至东塅一线, 断裂沿线表现出明显的地形地貌反差, 北高南低。南侧为海拔70~80m的低台地, 相当于修水T5阶地的海拔高度; 北侧为海拔120~140m的低山、 丘陵地带。在东塅村, 于新开挖的房屋地基后侧露头剖面上(图3), 可见宽2.5~3.0m的断裂构造带, 断面平直, 产状为63° /SE∠65° , 断裂构造带中间部位为构造混杂带, 两侧主要表现为强烈的碎裂岩带和扁豆体带, 尤其是在东南侧的主断面上, 可见0.5~1.0cm厚的灰绿色、 灰白色断层泥条带, 其中采集的断层物质热释光年代样品(DJ-TL-3)测试结果为(323.92± 27.53)ka(表1)。断裂沿线的地貌学特征、 断层物质测年结果以及在瑞昌盆地中钻探验证, 显示了该断裂应是1条早、 中更新世断裂(Han et al., 2012)。

图3 鲁溪镇南东塅村瑞昌-铜鼓断裂剖面图
①志留系, 灰绿色与灰紫色页岩互层; ②构造混杂带; ③强烈片理化带与扁豆体带, 南侧沿主断面发育断层泥条带
Fig. 3 Profile of the Ruichang-Tonggu Fault at Dongduan Village, south of Luxi Town.

表1 武宁县鲁溪镇东塅村断层泥TL样品测年数据 Table1 TL dating of fault gouge samples collected at Dongduan, Wuning, Jiangxi Province

断层两侧地层岩性基本类似, 均为志留系薄层状灰绿色与浅紫色页岩互层, 但产状及变形程度有所不同。其中, 东南盘地层产状单一, 但倾角较大, 产状为297° /NE∠42° ; 西北盘倾角较缓, 产状为313° /NE∠31° , 但近断层处, 地层产状发生突然变化, 表现出明显的牵引现象, 反映了正断层活动性质。

(2)显微构造特征

在鲁溪镇南东塅村瑞昌-铜鼓断裂露头剖面上, 通过断层泥定向样品采集(样品编号XW1; 采样位置参见图3)以及室内的硬化处理和磨制垂直断面的定向薄片, 在蔡司Zeiss Axioskop40型偏光显微镜下获得3张有关断层泥显微构造的照片(图4), 其中XW1-1和XW1-3是在单偏光下拍摄的, XW1-2是正交偏光下拍摄的。

图4 瑞昌-铜鼓断裂断层泥显微构造图
XW1-1: 断层泥切片的单偏光照片。“ 追踪张” 破裂变形贯穿切片, 平行Y剪切的破裂连接了R1和R2剪切。在切片左侧, 可见与断面平行的Y剪切; 在切片的右上部, 发育碎屑颗粒拉长拖尾现象及P叶理(如箭头所示); XW1-2: 正交偏光照片, 断层泥中发育P叶理(如箭头所示), 方解石(天蓝色)拉长方向与叶理方向一致; XW1-3: 单偏光照片, 切片上部发育一组平行的Y剪切(如箭头所示), 下部可见碎屑颗粒的蠕变拉长现象以及碎屑颗粒拖曳构造(如箭头所示)
Fig. 4 Microstructure of fault gouge of the Ruichang-Tonggu Fault.

在图 4中的XW1-1照片上, 可以看出切片大部分地带的物质粒度较细, 铁质含量高, 透明度较差。在切片中部, “ 追踪张” 式的张剪性裂隙贯穿了断层泥切片。在切片左侧, 除了贯穿性的Y剪切外, 还发育1组规模较小但密集分布的R1和R2剪切。在右上方, 可见碎屑颗粒拉长拖尾现象以及P叶理。这些特点显示了反映局部化脆性变形的Y剪切、 R剪切与反映韧性变形的P叶理同时并存, 但它们均反映瑞昌-铜鼓断裂张剪性正断层活动性质, 与宏观露头剖面上的研究结果一致。

图4中的XW1-2照片为XW1-1右上方及外侧局部放大的正交偏光照片, 从中可以看出, 呈弧形起伏的斜向P叶理非常发育, 清楚地显示了颗粒流动条带状断层泥结构特征, 同时P叶理受到了平行断层泥边界的Y剪切所限定或分割。方解石脉体(天蓝色为正交偏光下方解石的干涉色)充填断层裂隙后, 被剪切拉长或形成拖尾构造, 碎屑长轴方向与叶理方向一致。状片状矿物定向排列或串珠状分布、 P叶理发育等均显示缓慢变形的特点, 反映了韧性变形特征。XW1-2显示的右旋拖曳变形清晰地显示了断裂的正倾滑运动性质。XW1-3为XW1-1左侧局部放大的单偏光照片, 切片上部发育1组平行的Y剪切, 下部可见碎屑颗粒的蠕变拉长现象以及碎屑颗粒拖曳构造。上述分析表明断层泥中既发育有局部化的脆性变形显微构造, 也发育有散布的韧性变形特征的显微构造。

3.2 宜丰-景德镇断裂

(1)露头剖面宏观地质特征

宜丰-景德镇断裂呈NEE向从景德镇市区穿过, 地貌上表现为1个NEE向线状谷地。在景德镇市何家桥路西铁路边, 于新开挖的基岩剖面上, 可见规模较大的断裂构造带(图5)。断裂构造带发育在元古界双桥山组与古生界二叠系栖霞组(近断层处已遭受碎裂作用)之间, 其中上盘的双桥山组为1套灰色、 灰黄色条带状千枚岩、 粉砂质板岩夹黄铁矿变余沉凝灰岩; 下盘的栖霞组为灰岩, 破碎强烈。断裂构造带宽15~20m(图5a), 主要由碎裂岩带、 陡立带及紧密褶皱带组成, 破碎强烈, 发育多条断层泥条带, 其中, 在构造带内部可见紫红色、 灰青色和白色等条带状断层泥带。在与断裂下盘灰岩的接触界面, 发育平直的剪切面, 沿着剪切面均可见松软的棕黄色断层泥条带(图5b)。主要剪切面均倾向NW, 产状为57° /NW∠81° , 逆断层性质。采集的断层泥年代样品GD-J-E1测试结果为距今(248± 28)ka(表2)。1756年沿着该断裂发生了波阳 5½ 级地震。宜丰-景德镇断裂在鄱阳湖凹陷中对第四系分布的控制作用以及基岩区的地貌表现和断层物质测年结果, 显示了该断裂应是1条早、 中更新世断裂。

图5 景德镇市何家桥宜丰-景德镇断裂剖面图
①灰岩, ②灰色、 灰黄色条带状千枚岩、 粉砂质板岩夹黄铁矿变余沉凝灰岩, ③构造破碎带, ④断层泥带, ⑤紧密褶皱带
Fig. 5 Profile of the Yifeng-Jingdezhen Fault at Hejiaqiao, Jingdezhen City.

表2 景德镇市和峡江县ESR样品测年结果一览表 Table2 Results of ESR dating of the samples collected in Jingdezhen City and Xiajiang County

(2)显微构造特征

在景德镇市何家桥宜丰-景德镇断裂露头剖面上, 采集断层泥定向样品(编号XW2), 采样位置如图6所示。经过室内硬化处理和磨制垂直断面的定向薄片, 在蔡司Zeiss Axioskop40型偏光显微镜下获得3张有关断层泥显微构造的单偏光照片(图6)。

图6 宜丰-景德镇断裂断层泥显微构造图(单偏光照片)
XW2-1 发育平行的2条Y剪切(如黄色箭头所示), 沿着Y剪切可见定向排列的扁平状碎屑(绿色箭头所示), 基质为含铁质较多的黏土, 碎斑在逆时针碾磨出现拖尾构造(如蓝色箭头所示), 2条平行的Y剪切之间发育P叶理(如白色箭头所示), 碎屑拉长方向与叶理方向一致; XW2-2 可以看出XW2-1中2条平行的Y剪切在更大范围的连续发育特征(如箭头所示), XW2-1位于该照片的左下方(如白色图框所示); XW2-3 碎斑大小不一, 为棱角状或次棱角状
Fig. 6 Plane-polarized photomicrographs of the gouge in the Yifeng-Jingdezhen Fault.

在图 6中的XW2-1照片上, 可以清晰地看出2条平行的脆性剪切滑动面, 如图中黄色箭头所示的Y剪切。图面上可见大小不一的碎斑, 大多为棱角状或次棱角状。沿着Y剪切发育定向排列的扁平状碎屑, 如图中绿色箭头所示。基质为含铁质较多的黏土, 在2条Y剪切面之间的基质中可见显示左旋剪切作用的P叶理(图中白色箭头所示), 并对碎砾有逆时针方向的碾磨作用, 使其呈次棱角状, 边缘也显示出拖曳拉长现象, 即拖尾构造(图中蓝色箭头所示)及流动条带。碎屑拉长方向与叶理方向一致。这些现象表明了Y剪切表现为左旋错动, 这与断裂剖面上观察到上盘上升、 下盘下降的逆断层活动性质一致。

在图6的XW2-2照片上, 可以看出XW2-1中2条平行的Y剪切在更大范围的连续发育特征(如箭头所示), XW2-1位于该照片的左下方(如白色图框所示)。对比照片XW2-2和XW2-1, 可以看出: 局部放大的照片能够清晰地反映显微构造特征, 如P叶理等以及剪切作用的运动学特征。在XW2-3中, 含有大、 中、 小3种粒度不同的碎斑, 次棱角状, 随机分布。该样品中平直的剪切面、 棱角状或次棱角状碎砾以及局部地段显示的楔形充填形态, 反映了局部化的脆性变形。

综合宜丰-景德镇断裂上3个断层泥切片的观察结果, 可以看出与瑞昌-铜鼓断裂类似的断层泥显微构造特征, 即代表局部化脆性变形的Y剪切以及棱角状、 次棱角状碎斑和反映韧性变形的P叶理、 碎屑颗粒拖尾构造同时并存的现象。

3.3 湖口-新干断裂南段

(1)露头剖面宏观地质特征

湖口-新干断裂南段由1组NE— NNE向次级断裂组成, 对白垩系分布有一定的控制作用, 但与古近系的断错关系不明显。在峡江县城巴邱镇木膳村315省道边, 可见该断裂露头剖面(图7), 断裂发育在青白口系灰绿色变余细粒杂砂岩与粉砂质千枚岩互层中。

图7 巴邱镇木膳村省道边北侧湖口-新干断裂剖面图
a 露头照片, b 剖面图; ①青白口系灰绿色变余细粒杂砂岩与粉砂质千枚岩互层, ②断层碎裂岩带
Fig. 7 Profile of Hukou-Xingan Fault at the north side of a provincial highway at Mushan Village, Baqiu Town.

在公路北侧的断层碎裂岩带宽3~4m(图7), 断面产状5° /E∠60° ~80° 。中下部陡立, 呈向外凸出的弧形。断裂两侧的地层产状略有差异, 并有轻微弯曲变形现象, 牵引变形特征显示了正断层活动性质。邻近断裂处发育一些伴生构造。在靠近上盘处断层物质呈土黄色, 并可见10cm左右宽的扁豆体带。与断裂两侧的灰绿色变质岩相比, 断层碎裂岩带由于遭受风化淋滤影响, 整体上呈青灰色, 靠近上盘处采集显微构造样品(样品编号XW3, 见图7)。

断裂沿线发育一些长条状山脊, 但包括形成于第四纪早期(早更新世)、 海拔高度120~170m的剥夷面以及赣江河流阶地在内层状地貌面平稳分布, 没有构造变形迹象。采集断层物质电子自旋共振年代样品(DT-E-4), 测试结果显示最晚活动时代距今> 1i000ka(表2)。根据该断裂地质地貌表现特征, 并结合测年结果, 可以判定为1条前第四纪断裂。

(2)显微构造特征

在华南温热多雨的条件下, 沿着断裂构造带出现的泥状松软物质既可能是断裂两侧岩层相互碾磨的结果, 也可能是后期雨水淋滤充填或风化的产物, 在野外现场的宏观观察中有时很难进行区分, 通过室内磨制的薄片显微构造观察, 可以为鉴定它们的构造成因或非构造成因提供1个重要技术途径。为此, 在巴邱镇木膳村湖口-新干断裂南段露头剖面上采集了泥状松软物质样品(XW3)。经过磨制薄片, 获得了如图8所示的显微构造图像。可以看出: 不同方向的条纹凌乱分布、 相互交接, 未见统一的方向性, 尤其是不同的单体矿物或碎屑颗粒均未见被拉长、 碾磨或定向排列的现象(图8), 与瑞昌-铜鼓断裂和宜丰-景德镇断裂上采集的断层泥显微构造特征形成鲜明对比。可以认为, 该露头剖面上的松软物质应为后期雨水淋滤充填或风化的结果。

图8 湖口-新干断裂南段泥状松软物质显微构造图(单偏光照片)Fig. 8 Plane-polarized photomicrograph showing the microstructure of soft mud-like material in the south segment of Hukou-Xingan Fault.

4 讨论与小结
4.1 讨论

江西中北部NE向瑞昌-铜鼓断裂和NEE向宜丰-景德镇断裂主要发育在前新生代基岩区, 但存在第四纪有过活动的地质和年代学证据, 并且与M≥ 5½ 级的中强地震关系密切, 是2条重要的中强地震构造带。在这2条断裂露头剖面上均发育断层泥条带, 断层泥显微构造图像所揭示了丰富的构造变形现象, 构造成因机制明确。这种对应关系也说明了断层泥的存在可以作为在相对稳定的基岩区判定1条断裂第四纪时期有过活动、 并且具有一定发震能力的重要依据。在巴邱镇木膳村湖口-新干断裂南段露头剖面上采集的泥状松软物质显微构造研究, 则反映了断裂构造带上泥状松软物质也可以是后期雨水淋滤充填或风化的产物, 而这种情况在野外现场的宏观观察中有时很难进行区分。在室内磨制的薄片显微构造观察中, 断裂带上构造成因的与非构造成因的泥状物质显微构造存在明显区别。因此, 在相对稳定的基岩区, 断层泥显微构造研究为鉴定断裂活动性和判定中强地震发震构造提供了1条重要的技术途径。

江西中北部属于构造和地震活动比较稳定的地区, 有记载以来的最大历史地震为1806年1月11日江西会昌6级地震。邓起东等(1992)认为, 中国大陆地区震级为 6¾ 级以上的地震, 才可以产生不同规模的地震地表破裂带和大小不同的位移。那么, 如何认识这些地区基岩区断裂断层泥显微构造中所揭示的变形现象呢?中强地震的发生也是断裂构造上通过破裂失稳释放应变能的结果, 只是由于受释放的能量所限, 不足以在地表形成宏观的破裂现象。瑞昌-铜鼓断裂和宜丰-景德镇断裂作为中强地震发震构造, 断层泥显微构造现象反映了在中强地震发生过程中, 沿着发震构造在近地表很可能存在微观尺度的快速变形。目前, 一般认为中强地震发震断裂应是晚第四纪不活动断裂(周本刚等, 2006), 这种不活动主要指宏观尺度上不存在明显活动; 而在微观尺度上, 中强地震发震断裂在近地表很可能具有一定的活动性。尽管上述有关中强地震发震断裂在地表或近地表的活动方式还只是一种推论, 但可以为相对稳定的基岩区一些重大断裂现今活动状态的监测提供一些启示。

4.2 小结

(1)江西中北部瑞昌-铜鼓断裂和宜丰-景德镇断裂主要发育在前新生代基岩区, 但存在第四纪有过活动的地质和年代学证据, 是2条重要的中强地震构造带。在这2条断裂露头剖面上均发育断层泥条带, 断层泥显微构造图像揭示了丰富的构造变形现象, 构造成因机制明确。这种对应关系也说明了断层泥的存在可以作为在相对稳定的基岩区判定1条断裂第四纪时期有过活动、 并且具有一定发震能力的重要依据。

(2)在变形方式上, 断层泥显微构造中既发育代表局部脆性变形的Y剪切、 R剪切以及棱角状、 次棱角状碎斑, 又有反映韧性变形的P叶理和碎屑颗粒拖尾构造等。

(3)在缺少第四纪活动证据的湖口-新干断裂南段露头剖面上采集的松软物质显微构造研究结果, 表明断裂构造带上松软的断层物质也有可能是后期雨水淋滤充填或风化的产物, 而这种情况在野外现场的宏观观察中有时很难进行区分。在室内磨制的薄片显微构造观察中, 断裂带上构造成因的与非构造成因的泥状物质显微构造存在明显区别。

华南相对稳定的基岩区常常是中国重大工程(如核电厂)选址中优先考虑的地区, 同时也是中国经济发达、 人口密集的城市群主要分布区, 在这些地区地震构造环境评价中, 断层泥显微构造研究为鉴定断裂活动性、 判定中强地震发震构造提供了可以借鉴的技术途径。

致谢 在野外现场工作中, 曾得到谢富仁研究员、 常向东研究员、 田勤俭研究员、 张世民研究员、 周荣军研究员、 张裕明研究员、 汪一鹏研究员等专家的指导和帮助; 审稿专家中肯的意见, 对于本文的完善起到了重要作用; 与何昌荣研究员有关显微构造成因机制、 断层黏滑标志的讨论, 也使作者受益匪浅; 在此一并致谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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