断层岩与断层模式.pdf

第卷 第期 高 校 地 质 学 报 ∂ 年月 ∏ ≤ √ ≥ 本文年月收到月初改回∀ 第一作者简介林 爱明男年生年毕业于南京大学地球科学系年赴日本东京大学留学 并获理学博士学位从事地震地质和断层岩的研究现在日本神户大学任教南京大学兼职教授中国地质大 学北京客座教授∀通讯地址日本神户市滩区神户大学理学部地球惑星科学科∀ 断层岩与断层模式 林 爱明 日本神户大学理学部 摘 要 本文通过对断层岩的结构构造特征及其力学成因研究现状的综述提出以下 几点看法断层岩是在特定的地质环境下形成的其结构特征直接反映所处环境的 地质构造运动特性所以通过研究断层岩的内部组构可以直接了解形变环境及其区域 地质构造发展史 断层岩的线理和面理结构既可以在韧塑性条件下形成也可以在 脆性条件下形成因此是否具有线理与面理结构不能作为断层岩分类的决定性基准 断层岩母岩结晶体的大小直接影响断层岩粒度大小的变化所以利用粒度大小对 断层岩进行分类时必须考虑母岩的粒度 通过把断层岩研究与地震学构造地质 学岩石流变学以及岩石力学等学科的研究相结合解明断层的力学性质可以了解发 震断层的成因机制以及建立趋向于现实的断层模式∀ 关键词 断层岩 变形特征 组构 岩石流变 断层模式 断层岩及其变形特征 断层岩是在特定地质环境下形成的其结构特征直接反映其所处环境的地质构造运动特 性所以通过研究断层岩可以直接了解断层运动的力学机制形变环境及区域地质构造发展 史∀ 地质学者对于断层岩的研究可追溯到数世纪前但据文献记载对断层岩最早作详细记载 的是英国 他把苏格兰西北部 逆冲断层中所观察到的断层岩称为糜 棱岩 ∀ 一词来自拉丁语其意思是破碎的岩石∀ 所记载的糜棱岩 现已被公认是在韧性剪切变形过程中产生的∀从世纪末至世纪后期有关断层岩成因的 记载用语比较混乱比如碎裂岩 ≤ ≈ 碎裂变质岩王嘉荫≈构造岩孙岩韩克从≈压碎岩吉田胜 高木秀雄等≈ ∀直到年代后期≥ ≈首先明确地把与断层运动有 关的断层带中产生的岩石称为断层岩∀/断层岩0一词作为一个综合性的术语≥ ≈ 对其作如下定义/断层岩是在深部及浅部地壳的剪切位移带中至少可以被认为是具有明显 的由过去的剪切过程所产生的组构特征的岩石0∀此定义特别强调断层岩是由深部至浅部的剪 切过程所产生的具有与剪切作用相关的组构特征∀ ≥ ≈的断层岩一词的定义中并没有使用断层 ∏ 这个词而是用剪切位移 带 一词∀因为断层或脆性剪切带仅是剪切带的一种特殊类型即具 有不连续面的剪切带∀如图≈所示剪切带具有三种形态即脆性剪切带脆性2韧性渐移带 和韧性剪切带∀断层岩一词并不只是限于具有不连续面的脆性断层带中所产生出的岩石而是 适用于具有剪切作用的广义的剪切带从韧性剪切带至脆性剪切带中产出的具有剪切组构的 岩石都适用∀ 图 从完全脆性到完全韧性变形的应力2应变变化图 据 ƒ ≥ ∏ √ ∏ √ 1 2 在地壳浅处的低温条件下岩石具有脆性其形变主要表现为岩石的破裂∀引起岩石破裂 比较重要的机制有两个一是断裂末端的应力集中二是岩块或结晶粒子等接触部位的应力集 高 校 地 质 学 报 卷 中∀对于前者来说人们在平常生活中也常可以感觉到比如说一块具有裂缝的塑料布可以很 简单地沿裂缝把其拉裂但若没有既存的裂缝存在就比较难把其拉裂又如地壳岩石即使表 面上看起来新鲜未风化其实内部则存在有许多大小不一的裂缝∀由于这些裂缝的存在一旦 有来自外部的应力施加其上这些裂缝就会产生形成扩展合并等复杂的相互作用最终产生 大规模的破裂∀对于后者来说是由结晶体或岩块之间的接触部位为保持其本身的稳定平衡状 态而产生的小点状的应力集中现象∀ 一般来说新产生的断层面总是凹凸不平的∀断层面两侧的岩石伴随着断层错位这些凹 凸不平的凸起部分产生相互碰撞破裂而形成断层破裂带∀长达数百公里以上的大断层的破碎 带宽度也可以达数百米以上断层带的强度则是由这些断层面上的大小不一的凸起部分的接 触部位所组成的立体纲所控制∀以破裂为主的断层运动使这些立体纲产生破坏并产生新的立 体接触纲∀点状接触部位的应力集中对于这种破坏过程起着重要的作用∀ 在地壳深部随着温度与压力增加岩石变形主要是沿着岩石的组成矿物的一定结晶面而 产生图∀这种变形就象将平整堆放的瓦片堆从一个角上推动那样使瓦片与瓦片之间产生 一些小滑动而整堆瓦片则从长方形变为菱形四边形∀易滑动的结晶面及滑动方向是由结晶体 图 韧性变形机制与韧性剪切带内部构造示意图 晶内部滑动 刃状位错 纯剪变形与变形椭圆体 糜棱岩带中的典型面理构造模式图 ƒ ⁄ ∏ ∏ ∏ ∏ ≥ ≥ ∏ 期 林 爱明断层岩与断层模式 内部结构决定的∀云母片的结晶体沿节理面滑动的现象可以说是最为典型的结晶体内部滑动 的例子∀ 结晶体内部的滑动变形与外力作用方向无关只沿其特定的方向产生剪切变形∀结晶体 内部的滑动由于原子结构错位而被切断图∀随着温度增加原子错位就容易产生所以 岩石容易产生塑性变形但错位的容易程度基本上并不受作用于其上的压力所影响这种现象 被称为 效应∀所以在只有塑性变形条件下即使增加压力其流动应力并不产生 变化这种变形称为完全塑性变形∀ 断层岩的分类与组构 1 断层岩的分类 断层带中产出的断层岩是人们了解此区域变形过程的最基本证据∀由于断层在地质历史 时期多是反复运动的现在野外观察到的断层岩多是断层在不同深度不同地质条件下形成的 复合体经过地壳隆起剥蚀作用而出露于地表∀因此在同一露头可以观察到在韧性条件下形 成的像糜棱岩之类的深部断层岩也可以看到在脆性条件下形成的像碎裂岩断层泥之类的地 表浅部断层岩∀ 下面简单地介绍一下目前比较普遍为人们所引用的≥ ≈的分类方案表∀ 表 ≥ 断层岩分类 Ταβλ ε Τεξτυραλχλ ασσιφιχατιον οφ φαυλ τ ροχκσ αφτερ Σιβσον 无规则的组构面理组构 无 粘 结 力 的 断层角砾岩 肉眼可见的碎片全岩的 断层泥 肉眼可见碎片全岩的 具 粘 结 力 的 玻璃质或脱 玻化玻璃质 假玄武玻璃 基质的性质由 重结晶或构造 矿化使大部颗 粒的粒度产生 构造性减小 破碎角砾岩 碎片 1χμ 细粒破碎角砾岩 1χμ 碎片 1χμ 破碎微角石浆岩 碎片 1χμ 普通碎裂岩 碎裂岩 超碎裂岩 碎 裂 岩 系 列 普通糜棱岩 糜棱岩 超糜棱岩 糜 棱 岩 系 列 基 质 的 含 量 颗粒成长明显变余糜棱岩 高 校 地 质 学 报 卷 ≥ 以断层岩的结构特征为根据把断层岩分为不具有线理和面理结构的碎裂岩系列 和具有线理和面理结构的糜棱岩系列然后再根据断层岩的固结 和非固结2 的特征把断层岩分为固结的和非固结的两个系列∀ ≥ 把断层岩的成因机制分为两种类型一种为/弹性2摩擦0 ∏ 2 其产 物为上述的碎裂岩系列照片另一种为/准塑性0∏ 2 其产物为上述的糜棱 岩系列照片∀ /弹性2摩擦0变形过程中使母岩产生脆性破坏摩耗断层泥断层角砾 岩假玄武玻璃等所谓无结构的断层破坏的产物即是属于这种机制产生的∀/准塑性0的变形过 程常会使晶体产生蠕变并伴随有重结晶作用和压力溶解过程糜棱岩系列的断层岩即为这 种机制所产生的∀ ≥ 的这种分类存在着两个主要问题一是把线理和面理 结构作为脆性和 韧性变形的一种指标∀最近年的野外和实验室的研究结果均表明脆性变形可以产生明显 的线理和面理结构∀照片为日本中部木曾山脉南部的花岗岩断层带碎裂岩中所观察到的 线理和面理结构花岗岩质的碎裂岩呈固结状态而有色矿物主要是黑云母沿一定方向排列 并呈拉长状具有明显的线理及面理结构显示出像糜棱岩那样的韧性变形特征而在此拉长 状的黑云母片周围的石英和长石均被强烈破碎并沿着云母片拉长方向呈定向排列∀断层泥中 也同样可以观察到这种由石英长石碎粒及一部分粘土矿物定向排列而形成的线理和面理结 构∀以此断层泥的石英颗粒为材料用∞≥年代测定法所测得的最新活动年代为最近几万年 林≈∀由此可见此断层泥的线理和面理结构是在地表浅部的脆性剪切变形条件下形 成的∀ 这种由脆性变形所形成的线理及面理结构也已被实验模拟所证实 等 ≤ ≈ ∀由此可见是否具有线理和面理结构并 不能作为区别脆性变形和塑形变形的一个可靠的基准∀ ≥ 分类的另一个问题是以碎粒 的粒度及其含量来把糜棱岩的变形程 度由浅到深分为普通糜棱岩糜棱岩和超糜棱岩∀花岗岩类的母岩经过压碎变形作用其碎晶 的颗粒由大逐渐变小的糜棱岩类的例子确实存在∀母岩为均质体的糜棱岩随着变形程度的增 加其碎晶的粒度由大变小的事实是无可怀疑的∀但若在母岩为非均质的情况下特别是作为 碎晶很容易残存下来的长石含量很多的母岩因长石的塑性变形的温度比石英云母等均高 长石的含量不同就直接影响其粒度大小的变化∀因此在母岩为非均质的情况下用碎晶粒度 变化来区别其变形程度是不太可靠的∀粒度的大小不能作为一个区别变形程度的绝对指标∀ 1 断层带内部的组构 最近多年来随着构造地质学研究水平的提高人们可以详细地分析解明断层带内部 的变形结构∀在以脆性破裂为主的环境下断层带局部的组构看起来似乎是杂乱无章的但从 断层带整体来看强烈变形的部分基本上集中于剪切面附近这种变形集中带常被人们叫做 剪切面∀如图所示 剪切面具有各种不同的形式∀断层带内部的最大压应力方 向是与断层带成β交角方向即图的方向∀在这种应力条件下可以形成像 的剪 切破裂面断层内部的次级断层及张性破裂面 ∀但若在压力高的条件下就比较难产生张性 破裂面 ∀由于 与断层带成斜交所以沿这些剪切面的位移最终就要受到主断层面的阻 挡∀这也就意味着伴随主断层而产生的这些次级二次断层的位移与主断层的位移是不一致 的相对比较容易产生位移的是与断层带平行或者是低角度斜交的 ≠ 和剪切面若位移 期 林 爱明断层岩与断层模式 图 脆性破裂机制与脆性剪切带的内部构造 剪切面剪切方向位移方向符号 脆性剪切带典型的内部位移 ƒ ⁄ 量加大最后这三者则互相连通起来如图 所示∀在这样的变形集中带内部比较容易产生 细粒的断层泥和超细粒的碎裂岩之类的脆性断层岩∀ 在糜棱岩形成的深部断层带中由于韧性变形主要集中于带状领域所以也被称为韧性断 层带∀韧性断层带的规模不一宽从几厘米到几公里长可达几千公里∀韧性断裂带的内部结 构比较简单在右旋走滑的条件下糜棱岩的面理如图 所示左旋走滑的条件则相反∀如果 把断层带内部画成如图 所示的圆的话随着剪切变形程度的增加圆也就逐渐地变成椭圆 椭圆的长轴方向即物体最容易延伸的方向也会随着变形程度的增加而逐渐与剪切带方向接 近平行∀沿着这种变形集中带最终将形成超糜棱岩那样的断层岩∀ 最近十几年来糜棱岩中横切面理结构 ≥ 面的一种叫≤剪切面的特征引起人们的注意∀ 这种具有≥面理和≤面理结构的糜棱岩被称为≥2≤糜棱岩∀研究表明沿断层位移比较小的 时候只有≥面理出现而随着位移增加剪切变形就变得不均一而形成≤面理∀这种≤面理 与图所示的 剪切面是一样的∀ ≥2≤糜棱岩既显示出塑性流动的特征也具有脆性变 形的特征∀如图所示通过这种断层带内部结构的研究可以解明地质历史时期断层的运动 方向并可对整个区域地质构造史研究提供信息∀ 岩石流变与断层模式图 岩石的流变学 作为一门介于岩石变形机制和地震现象研究之间的边缘科学而 引起广大研究者的重视∀在以脆性破坏为主的地下浅部随着压力的增加裂缝断层面就逐 渐愈合因而就不容易在裂缝处断层面产生应力集中断层面被强烈挤压而不容易产生位 移∀一般来说随着深度增加岩石的强度也明显增加图∀ 地下浅部脆性破坏的岩石在地下深部高温高压的条件下也会产生韧性流动∀根据实验研 究 这种塑性流动是与金属的流动法则一样即可以写成下式 高 校 地 质 学 报 卷 Ε ΑΡνεξπ Θ Ρ Τ 式中Ε为变形速度 Ρ为流动应力 Τ为绝对温度 Α和ν为应力指数 Θ为物质系数活性化 能量∀ 根据大量的实验结果美国麻省理工学院的研究组提出把地下深部的断层带分为以脆性 破坏为主和以韧性流动为主的二个领域的断层模式图图∀这种脆性完全韧性的二层断 图 岩石的破裂强度与摩擦强度的关系 ƒ ⁄ ∏ 1花岗岩的破裂强度 1花岗岩的摩擦强度 1粘土矿物的摩擦强度 1具有层间水的粘土矿物的摩擦强度∀ 层模式中浅部的脆性破坏强度是以岩石的摩擦强度为据而深部的岩石强度则是以上述的流 动法则公式为据而计算得到的∀沿断层不连续面的摩擦力大小是取决于作用于此面之上 的压力大小而定也就是说在地下浅部脆性领域的摩擦强度是随着深度增加而增加图的 线而对于韧性流动的领域来说温度达到某一值的时候随着温度上升流动应力则急 速下降图的∞线所以岩石则变得很容易产生流动变形∀此断层模式把上述的碎裂岩 和糜棱岩分别作为以脆性变形为主的领域和以韧性流动变形为主的领域的产物并认为地震 是产生于以脆性变形为主的领域∀ 期 林 爱明断层岩与断层模式 图 地壳强度剖面与断层岩形成模式 据山 岛本≈ 脆性韧性二分层模式 脆性脆韧渐移完全韧性三分层模式 ƒ ≥ ∏ ∏ ∏ 2 ∏ ≥ ≈根据断层岩的研究结果提出与上述二层断层模式相似的断层模 式图图∀此模式图把从浅部到深部的断层带分为以破裂为主的弹性摩擦领域和以韧性变 形为主的准塑性领域∀在脆性领域岩石破裂而形成如失去原岩粘结力的断层粘土断层角砾 岩∗ 深度以及具有原岩粘结力的碎裂岩∗ 深度并产生大地震∀ ≥ 根 据美国西部地区∗ 年的年间发生的地震震源深度分布而把脆性变形领域的深度 定为 ≈∀ 此深度与热水循环作用的下限深度以及沸石相及葡萄石 2绿纤石 ∏ 相的变质作用深度相当∀在此领域里石英主要表现为脆性破裂∀ 另一方面随着深度增加温度上升断层剪切带的岩石产生韧性变形而形成糜棱岩质的 断层岩∀在此领域里并不产生地震∀石英主要表现为韧性流动产生位错蠕动 ∀ ≥ 的断层模式图强调断层带在地表浅部宽度较窄而在 深部则宽度比较宽∀ 长期以来野外地质工作者对于地表的同一露头观察到的各种断层岩共存的现象无法加 以合理说明∀而≥ 的断层模式图则表明由于地壳上升运动及侵蚀剥蚀作用使早期在 地下深部形成的断层岩出露于地表并受后期断层运动所改造而造成在不同深度形成的断层 岩可以在同一地表露头共存∀此模式图对于断层岩的研究可以说是一个大贡献∀ ≥ 的断层模式图比较简单易懂所以被广泛引用∀但随着研究的进展此断层模式 图的不足之处也逐渐为人们所认识∀日本的研究者山 岛本≈ 认为≥ 的断层 模式图存在如下几个问题 韧性变形最为重要的机制的晶体内部滑动 是从碎裂 向滑动 高 校 地 质 学 报 卷 图 ≥ 的二层断层模式图 ∞ƒ领域为弹性摩擦领域 领域为准塑性领域 ƒ ≤ ∏ ∏ ≥ ∞ƒ 2 ∏ 2 转变的渐变过程而≥ 的模式图并没有充分考虑到半脆性 和半韧 性 ∏ 变形 板块边界所发生的地震震源深度一般为∗ 此深度比≥ 模式图中的高 压变质岩形成深度还要深得多 最近与塑性成因的糜棱岩共存的所谓/地震化石0的假玄武玻璃如 林戈≈ 在世界各地陆续被发现这说明地震的震源深度可以到达 韧性变形领域∀ 山岛本≈ 根据岩盐实验结果对上述的≥ 模式图加以改进提出了如图 的三层断层模式图∀此断层模式图增加了介于韧性与脆性领域之间的中间过渡领域∀岩盐 实验结果表明从脆性变形向韧性变形转变的过程是渐移的并不像图 所示的那样是一个 突变过程同时岩盐实验结果还表明像所谓≥2≤糜棱岩的组织结构那样的变形特征是在这 种中间过渡领域所形成的∀这种中间过渡领域的流变特点既具有脆性领域的形变特点也具有 韧性领域的形变特点∀上述与糜棱岩共生的假玄武玻璃可能就是产生于这样一个领域∀大地 震时断层运动的下限深度有可能从浅部的脆性领域扩展到深部的以韧性为主的领域∀ 期 林 爱明断层岩与断层模式 图 版 高 校 地 质 学 报 卷 图 版 说 明 照片 日本中部木曾山脉南部饭田松川断层产出的花岗岩质碎裂岩 野外产状 显微照片 正交偏光照片长边长 ∀ 2 ∏ ∏ ∏ ∏ ≤ 2 ≤ 照片 日本东北双叶断层剪切带中产出的花岗岩质 糜棱岩超糜棱岩与中部日本中央构造线产出的糜棱岩∀ 2∏ ƒ∏ 照片 日本中部木曾山脉南部饭田松川断层产出的具有面理结构的花岗岩质碎裂岩∀ 野外产状黑白条纹为黑云母矿物的定向排列 显微照片正交偏光照片长边为 ∀ ƒ ∏ ∏ ∏ ƒ ∏ ∏ ∏ ∏ ∏ ≤ 参 考 文 献 ≤ ≤ ≤ ⁄ ≥ ∏ ≥ ≤ ≥ ≥∏ √ 王嘉荫1应力矿物概论∀北京地质出版社∀ 孙岩韩克从1试论构造岩的分类命名1南京大学学报自然科学版 吉田胜1压杂性岩类分类Ν模素 高木秀雄1 Ν定义及Σ压杂岩类Κ关9 κ问题点∀早稻田大学教育学部学报学术研究生 物地学编 ≥ ƒ ∏ ≥ ⁄ √ ∏ ∏ ⁄ ⁄ ≥ 林 爱明1伊那谷南部饭田地域Ν活断层Ν ∞≥及Σ 年代测定∀活断层研究 ≥ √ ∏ √ ∏ ƒ ⁄ ≤ ≥ ∞ ∏ ∏ ∏ ∏ ∏ ∏ ≥ ≥∏ √ 2ƒ ≤ ƒ ∏ √ 2 ∏ ƒ ≤ ≤ ƒ ≤ ∏ ∏ ∏ ≤ 2 期 林 爱明断层岩与断层模式 ≤ ∞ ≠ ∏ ≥ ≤ ∏ ∏ ∏ ∏ ∏ 山 鸟本利彦∀ Ν起源Η新7 ∃断层 ∀月刊地球 ≥ ≥2≤ ∏ 2 ≥ ∏ ∏ 2 ∏ ∏ ⁄ √ ∏ ƒ∏ ∏ ∏ ≤ ≥ ∏ ∏ ƒ∏ ∏ ∏ ≤ 林 爱明戈树漠∀中国北西部富蕴断层沿∃ Κ产9 κ 质 } ∀构造地质 ΦΑΥΛΤ Ρ ΟΧΚΣ ΑΝΔ ΦΑΥΛΤΙΝΓ ΜΟΔΕΛ Αιμ ινγ Λιν Φαχυλ τ ψ οφ Σχι ενχε ΚοβεΥνι ϖ ερσ ι τ ψ ϑαπαν Αβσ τραχτ √ √ ∏ ∏ ∏ ∏ ∏ √ ∏ ∏ ∏ ƒ ∏ 2 √ ∏ ≥ √ ∏ ∏ ∏ ∏ ∏ ∏ ∏ ∏ ∏ ∏ 2 ∏ ∏ ∏ ∏