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活动断裂带断层泥的纳微米构造研究方法
活动断裂带断层泥的纳微米构造研究方法
王雷*1,2) 晁洪太*1) 王志才1) 付俊东1) 万永魁3) 杨传成1) 吴頔1) 刘军1)
1)山东省地震局工程地震重点实验室,济南 250014;
2)防灾科技学院,河北三河 065201;
3)中国地震局第一监测中心,天津 300180
 [收稿日期]: 2017-12-21
摘要

断层泥是研究活动断裂带运动性质和活动习性的重要介质。以往,对断层泥的研究主要借助偏光显微镜和低真空扫描电镜进行,观察到的现象有限。借助高真空扫描电镜从纳微米尺度对断层泥进行更精细化的研究,其方法是对野外断层泥进行定向原状样品采集,通过室内样品自然风干、微样制作、表面镀金和扫描电镜观察,从纳微米尺度研究a-b组构面和a-c组构面的各种变形现象。此方法可以帮助确定断层的运动性质、断层滑动面的新老关系,并可鉴别粘滑过程与蠕滑过程;同时,还可以对工程场地中发现的黏土滑动面进行鉴别,区分地震断层和非地震断层。



引言

“氢弹之父”Edward Teller曾预言“谁更早掌握纳米技术,谁就占据下一世纪技术的制高点”。纳米技术崛起于20世纪80年代末,并在多个学科领域迅速发展,如物理、化学、生物学、医学、材料科学、信息科学、能源科学等(闫金定,2015)。地质学家也逐步将该高新科学技术应用到活动断裂带和发震构造等方面的研究(Kanamori等,2000Schulz等,2000Wilson等,2005Cashman等,2007孙岩等,2007晁洪太等,2009Laurich等,2014Chou等,2014Omori等,2015Yuan等,2015)。

断层泥是地壳浅层脆性活动断裂带中常见的一种断层变形产物,由未固结的岩石碎屑、岩粉和黏土矿物组成,多呈不同彩色的条带平行断层面展布,带宽几毫米至数十米(吴大铭等,1981何永年等,1988)。但一次地震形成的断层泥往往只有几毫米至几厘米宽(Ma等,2006付碧宏等,2008晁洪太等,2009),其记载着断层活动的历史,保留着断层活动的各种信息(马瑾等,1985林传勇等,1995)。前人对活动断裂带断层泥的研究,主要集中在石英矿物颗粒形貌观察、岩性成分分析、分形特征研究以及常规显微构造分析等方面(杨主恩等, 1984, 1999徐叶邦,1986晁洪太等,2001俞维贤等,2002胡玲等,2004马浩明等,2009高璐等,2011张秉良等,2014),但观察到的现象是有限的,不能解决所有问题。随着扫描电子显微镜的普及,Chou等(2014)利用XRD衍射和透射电子显微镜,分析了中国台湾集集地震车笼埔断层的断层泥,对断层泥的超细纳米颗粒进行了研究。

断层带发育的断层泥,由3个相互垂直的轴构成立体空间,其中沿断层滑动方向的轴称为a轴,滑动面上垂直于a轴的称为b轴,与滑动面垂直的称为c轴。换言之,a-b构成了滑动面或与之平行的面,即断层主滑移带,往往可见擦痕、擦脊、擦槽等现象(晁洪太等,2016),表现为平直或相互穿插、切割;a-c结构面与主滑移面垂直,即断层主滑移带旁侧叶理带,可见褶皱、颗粒包裹等现象,表现为黏土矿物有序堆叠成层,受硬质颗粒阻挡绕砾滑动或挤压相对运动、扭曲形成小褶皱。晁洪太等(2009)袁仁茂等(2014)借助EDS能谱和扫描电镜,分别从a-b组构面和a-c组构面观察并分析了纳微米尺度断层泥的形貌和变形特征,均取得研究进展。因此,从纳微米尺度观察断层泥的形貌和构造特征,为研究断层的变形机制和地震的孕震、发震过程提供全新的视角。考虑到该研究刚刚起步,本文着重总结和归纳了试验研究方法,并对观察到的几种典型现象进行了分析,以期为后续深入的研究提供指导和帮助。

1 方法和步骤
1.1 野外采样

选择断层泥发育的活动断裂带,以野外宏观调查为基础,在滑动面上系统地采集断层泥样品,并进行三维定向标注。为了保持样品的新鲜度和滑动面的原始构造,本文采集规格为10cm×5cm×5cm的样品,用保鲜膜和软纸分层包裹,装入硬纸盒带回室内。为了防止外包装标定的方向被破坏,同时在样品表面不受影响处标注方向。

1.2 室内制样

室内制样需要准备的工具有一次性透明手套、放大镜、刻刀、镊子、磨石、洗耳球、塑封袋、标签、记号笔和样品收纳盒。

在室内,将野外样品包装纸打开,在室温下缓慢干燥10小时。需要注意勿将整个样品打开暴露在空气中,以防止样品快速干燥、失水裂开。用镊子将样品剥开,借助放大镜,选择擦痕清晰的擦面。用镊子、刻刀取出选中的靶区,微样尺寸为:长和宽3—5mm、厚2—3mm。在磨刀石上将微样底部打磨平整,用洗耳球清除样品表面的粉末后,将微样单个装入速封袋内用于扫描电镜观察分析。最后进行标注、贴标签,将微样存入样品收纳盒。

1.3 表面镀金

扫描电镜的工作原理是用聚焦电子束在微样表面逐点扫描成像。由电子枪发射电子束,经加速电压的作用,在扫描线圈驱动下,于样品表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描(王醒东等,2012)。聚焦电子束与微样相互作用,产生二次电子发射,二次电子发射量随微样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电信号,经视频放大后输入到显像管栅极,调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度,得到反映微样表面形貌的二次电子像。断层泥微样本身是无导电性的,电子束与微样接触后不能发射二次电子。为得到反映微样表面形貌的二次电子像,利用Cressington 108 AUTO离子溅射仪在其表面镀一层金膜,一般在压力0.1Pa、电流10mA和距离35mm状态下镀金。整个镀金过程约2—3分钟,时间长短视抽真空时间决定。

镀金之前,先利用导电胶带将微样粘贴于样品托上(导电、无磁性),然后利用洗耳球或氮气将待镀金样表面吹净。

1.4 SEM观察分析

利用日立Hitachi S4800高真空场发射扫描电镜(FE-SEM)观测镀金后的微样,基本工作参数为:样品仓内气压<2×10-3Pa,工作电压5kV,焦距约5—12mm。辅助利用Horiba EMAX Energy EX-350进行岩性成分分析,基本工作参数为:工作电压15kV,焦距约10—15mm。

在显微领域,利用偏光显微镜观察构造现象,寻找反映断层活动习性的各种现象和特征,并进行构造和力学分析(晁洪太等,2001)。在超显微领域,从构造角度研究断层泥,与显微领域或宏观领域研究思路相似。利用扫描电镜观察断层泥a-b组构面擦痕、擦脊、擦槽、擦痕组数、擦面、阶步、黏土矿物排列形式和a-c组构面片状黏土矿物褶皱、绕砾、旋转、撕裂以及碎屑颗粒包裹等变形表现出的各种超微观构造现象。

1.5 注意事项

微样不能含有挥发物(主要指水分),也不能具有磁性。因为水分子电离放电,导致电子束不稳定或偏离而无法成像或图像变形,所以必须进行干燥预处理。如果微样具有磁性,也会导致电子束偏离,同时会污染电镜,观察分析前必须检验磁性。

断层泥主要成分是黏土,内部结构多孔隙,赋存气体。当抽真空时,断层泥会有“放气”效应,微样体积越大,抽气时间越长,因此需要控制微样的大小。

S4800扫描电镜工作运行前,系统将对样品仓内抽真空,若微样表面有附着的细小颗粒,其会被吸入电镜内部,堵塞通道,损伤电镜。所以,务必将微样表面附着的颗粒清理干净。

2 典型现象
2.1 自然沉积黏土样品特征

将野外采集的黏土样品置于烧杯中,注入清水,待黏土完全松软后,用玻璃棒将其搅拌均匀。静置1小时,将烧杯底部沉淀的砂砾滤去。反复几次后,使高纯度黏土自然沉积、风干,获得实验用黏土样品。制作水平方向和竖直方向的黏土微样,用作断层泥的纳微米尺度观察实验的参照、对比。

在显微构造中,自然沉积的片状黏土矿物是杂乱无章、随机排列的。但断层泥是断层两盘相对运动形成的产物,滑动过程中黏土矿物受同一方向的力而定向排列,具有优势消光(晁洪太等,2001)。利用扫描电镜在纳微米尺度观察自然沉积的片状黏土矿物(图 1(a)(b)),与显微领域中观察结果一致,自然沉积的片状黏土矿物无规则地叠加、排列,具有随机性。


(a)自然沉积的黏土,水平方向,片状黏土矿物随机叠加(实箭头);(b)自然沉积的黏土,竖直方向,片状黏土矿物无规则排列;(c)取自钻孔的原状黏土,擦痕明显(实箭头);(d)图 1(c)方框区域局部放大,似“波动”状变形(虚线框区域)
图 1 黏土样品微纳、微米尺度对比观察 Fig. 1 Comparion of clay samples at the nano/micro-scale

自然沉积的黏土地层,在形成过程中也可能被扰动,但与断层泥中的黏土矿物的表现是不同的。例如,在潍坊一钻孔中130m处获得的原状黏土样品,可见摩擦镜面和1组明显的垂向擦痕,肉眼观察其手标本与断层泥相似。利用S4800扫描电镜放大30倍时(图 1(c)),微样表面平直的擦痕清晰可见。继续放大至2000倍时(图 1(d)),擦痕断续、无规则弯曲,似“波动”状变形,该现象由重力作用下差异沉陷形成,是非地震断层作用的结果。

2.2 断层泥a-b组构面特征

断层泥的a-b组构面是断层滑动面,借助扫描电镜,可观察到以下现象。

在1.2×104倍率下(图 2(a)),昌邑市于家山下4号微样(CY-4)的a×b组构面上可见连续、清晰、平直的擦脊和擦槽。擦脊间距约0.3—1.2μm;主擦槽深0.2—0.3μm,两侧有次级擦槽。局部继续放大至6×104倍时(图 2(b)),仍可见擦痕,擦脊和擦槽中分布着纳米级片状黏土矿物。这种断层主滑动面上的擦面、擦痕、擦槽、擦脊在a-b组构面常见,是伴随地震发生时断层快速滑动形成的。


(a)擦脊(实箭头),擦槽(虚箭头);(b)擦脊上的纳米级片状黏土矿物(实箭头);(c)阶步(实箭头)和擦线(虚箭头),指示对盘向下运动,兼有左旋分量;(d)擦槽中分布着“花瓣”状矿物(实箭头)
图 2 断层泥a-b组构面微纳、微米尺度观察 Fig. 2 Fault gouges at the nano/micro-scale (fabric in a-b surface)

在70倍视域下(图 2(c)),新沂市桥北镇1号微样(QB-1)的a-b组构面上可见连续、稳定的擦线和阶步。阶步指示断层对盘(上盘)向下运动。擦线沿着滑动方向向左偏移,指示断层以正断层滑动为主,兼有左旋运动分量。局部继续放大至6×104倍时(图 2(d)),擦脊和擦槽中密集分布着纳米级的“花瓣”状矿物,自形程度好。通过电子探针,测得该矿物含铁量高,达30%左右,主成分与黏土成分相似。

a-b组构面,还可见多期次擦痕(晁洪太等,2016王雷,2016Chao等,2017),表现为多组不同方向的平直擦线、弧形擦线,及不同长度擦线和深浅相异的擦槽。与岩体中岩脉切割穿插理论相同,早期擦痕被后期擦痕切割或断层后期活动改变较早活动留下的痕迹,断层泥表面擦痕期次还有待进一步深入研究。

2.3 断层泥a-c组构面特征

断层泥的a-c组构面垂直于断层滑动面,借助扫描电镜,可观察到以下现象。

在3×104倍率下(图 3(a)),郯城县麦坡2号微样(MP-2)的a-c组构面上片状黏土矿物弯曲,呈褶皱状,属于蠕滑作用的表征。昌邑市于家山下3号微样(CY-3)的a-c组构面上可见“磨砾”现象(图 3(b)),断层滑动过程中受硬质矿物颗粒的阻挡,黏土矿物包裹颗粒。根据黏土矿物与硬质矿物颗粒的接触关系,可判断断层泥的运动方向,间接地反映断层的运动性质。


(a)片状黏土矿物褶皱(虚线);(b)断层泥中“磨砾”(实箭头)与片状黏土矿物接触关系(虚箭头),指示断层运动方向;(c)片状黏土矿物“撕裂”,裂开宽度900nm(实双箭头);(d)断层泥中长条形矿物(实箭头),在弯曲处断开(虚线框内)
图 3 断层泥a-c组构面微纳、微米尺度观察 Fig. 3 Fault gouges at the nano/micro-scale (fabric in a-c surface)

在6×104倍率下(图 3(c)),新泰市4号微样(XT-4)的a-c组构面上同一层片状黏土矿物垂直错开,视域内错开宽度900nm,呈“撕裂”状,表明后期沿c轴方向受张力作用。在9×104倍率下(图 3(d)),新沂市桥北镇6号微样(QB-6)的a-c组构面上片状黏土矿物局部褶曲、对折,黏土矿物片上分布着长条状的矿物。其中,沿褶曲面生长的部分长条状矿物在对折处有断开现象,可能是后期褶曲面受力变形导致矿物在最大受力处同步断开。

3 认识与讨论

断层泥的成分主要是黏土矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石等)。在野外,仅靠肉眼很难区分断层带内的黏土是否属于断层泥,其成因更难以辨别。通过观察黏土的纳微米特征,如黏土矿物片状形态、形貌和分布规律,可以判断黏土的成因,自然形成的黏土随机排列(Janssen等,2012),断层泥有规律叠附。同时,在工程建设中可以判断地震断层和非地震断层。

断层活动具有多期性,而断层泥变形具有“部分记忆”现象(晁洪太,1998)。随着时间的推移,断层泥中后期活动变形现象往往叠加或掩饰早期变形,原有的滑动面特征也会随之改变。在断层泥a-b组构面,清晰、平直的擦面、擦痕、擦槽、擦脊和阶步等现象,表明断层泥可能是因断层最新滑动(周本刚等,2006)或前1至2期断层粘滑作用形成。晁洪太等(2016)在郯庐断裂带左山采集的样品中观察到3组擦面擦线,主擦线分布稳定、连续、清晰,与主擦线相交的次级擦线零散、断续,第3组擦线零星分布于主擦面,被主擦线改造弯曲而方向改变。在昌邑采集的样品中,同样观察到3组擦线,主擦线改造前期擦线作用明显(王雷,2016Chao等,2017)。断层泥a-b组构面留下的不同方向的擦痕,反映了断层受力活动的方向是有变化的。

矿物生长的动力学过程及介质的物理化学条件对矿物的形态变化有明显的约束,形成完全自形结晶的矿物需要一定的时间和空间(李胜荣等,2008)。图 2(d)a-b组构面集中分布的“花瓣”状自形矿物,表明断层滑动以后,在很长一段时间内,断层面没有完全闭合,留有足够的空间供矿物析出、结晶。从断层活动性角度,自此次粘滑作用后,断层没有明显的活动,处于间震平稳期。如图 3(d)所示,沿a-c组构面观察到长条状矿物附着在变形的层状黏土片上,随着变形程度的增大,长条状矿物在最大弯曲处断开,该过程处于能量积累、缓慢滑动的孕震阶段。今后,通过不断深入的研究,根据滑动面分布的不同矿物及其结晶程度,或许可以鉴别断层活动的新老关系。

粘滑作用是一个快速滑动的过程,巨大的能量瞬间释放,其滑动面旁侧的叶理应是平直的,所包裹的颗粒被切穿或碎裂,断层泥a-b组构面的擦痕也是粘滑作用的表征,反映同震这一过程(晁洪太等,2016)。文中实验所观察到的a-c组构面的褶皱、断层泥“磨砾”等现象,是与断层相关的变形、旋转和扭动的结果,表明蠕滑作用在该阶段断层泥的形成过程中占主导因素。文中实验所观察到的a-c组构面的片状黏土矿物“撕裂”和后生矿物断开的现象,反映断层能量积累导致的应力变化,也许是新的地震发生的征兆。

结合已完成的实验结果分析认为,无规则排列的黏土在断层带内聚集(图 4(a));地震发生时断层两盘相对错动生成有规则、定向排列的断层泥,断层泥a-b组构面留下了断层活动的痕迹:平直擦痕(图 4(b)),反映同震失稳阶段;随时间推移,擦痕逐渐减少或消失,沿缝隙通道,化学元素在断层泥a-b组构面汇聚并生成新的矿物,结晶、自形形态完好,由简单到复杂这一过程属于间震期稳定阶段;构造应力积累,伴随着断层泥a-b组构面的扭动和变形,在a-c组构面表现为褶皱等形式,新矿物晶体破裂、折断,属于孕震不稳定阶段。


(a)随机排列的黏土片;(b)受力作用,黏土片定向排列,箭头指示擦痕;(c)箭头指示新生成的矿物,有单晶、集合体;(d)黏土片受力变形,矿物断开
图 4 断层泥a-b组构面矿物演化示意图 Fig. 4 Conceptual sketch of clay mineral evolution (fabric in a-b surface of gouges)

总之,借助扫描电子显微镜,从纳微米尺度观察地质体,让我们看到了不同的地质世界。通过这样的观察,有助于从另一视角解释地震地质学遇到的诸多问题。今后,我们将观察并积累更多的现象,进一步探讨发震断层的微观机理;同时,我们也将继续跟踪国内外在纳米地质学方面的最新研究成果和经验,应用于地震地质学研究。

致谢: 本文中的扫描电镜观察工作,分别在山东省地震局工程地震重点实验室扫描电镜室和山东大学功能晶体材料楼扫描电镜室完成,在此表示衷心感谢,同时感谢审稿专家提出的宝贵修改意见。
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Observation of Nano/micro-scale Structures of Gouges in the Active Fault Zones
Wang Lei*1,2), Chao Hongtai*1), Wang Zhicai1), Fu Jundong1), Wan Yongkui3), Yang Chuancheng1), Wu Di1), Liu Jun1)
1) Key Laboratory of Engineering Earthquake, Shandong Earthquake Agency, Jinan 250014, China;
2) Institute of Disaster Prevention, Sanhe 065201, Hebei, China;
3) The First Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Tianjin 300180, China
Abstract

Gouges are the common product bydeformation in the shallow crust of the active fault zones. They are made up of unconsolidated clastic, rock grains and clay minerals. Generally, the width of gouges in a fault zone is only a few millimeters to tens of meters, while it formed from one earthquake motion which is just a few millimeters to several centimeters. Gouges record the history and retain all kinds of the active fault zones. Therefore, as an important medium, gouges are useful to study the movement and activity of the active fault zones. In this paper we use high vacuum scanning electron microscope to study of structures of gouges at nano/micro-scale. Firstly, original-state directional samples of gouges in the active fault zones are collected. Secondly, the samples are dried up naturally in laboratory before they are made into micro samples. Thirdly, before observing nano/micro-structures by high vacuum scanning electron microscope, the surfaces of micro samples need to be coated with a layer of gold. Lastly, all kinds of phenomena of deformations on fabric in a-b surface and fabric in a-c surface are analyzed. For example, striations, ridges, grooves, groups of striations in different directions, slickenside, steps and arrangement types of clay minerals can be observed from fabric in a-b surface. Folds, gravels surrounded by clay minerals, rotation, break, clastic particle packed by clay minerals and other phenomena of deformations can be observed from fabric in a-b surface. These phenomena represent different meanings and reflect different mechanical property, which is useful in study of the fault movement, fault age, faulting mode, and faulting type.



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活动断裂带断层泥的纳微米构造研究方法
王雷*1,2) 晁洪太*1) 王志才1) 付俊东1) 万永魁3) 杨传成1) 吴頔1) 刘军1)
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20180311