与断层相关的假玄武玻璃(凝固的摩擦熔融体,又称假熔岩)被喻为地震化石,保存了地震断层滑动过程中的物理-化学性质和力学属性等重要信息,是研究地震断裂作用和发生机制的重要载体,也是认识断裂带变形行为和演化历史的重要物质材料。假玄武玻璃通常与碎裂岩或糜棱岩、片麻岩、花岗岩等坚硬岩石伴生,多形成于约4 km以下断层较深位置的孕震带内,有些甚至可达下地壳或岩石圈地幔深度。自然界中尚未发现浅部断层泥熔融形成的假玄武玻璃,因为浅部存在的大量孔隙流体在断层滑动过程中会产生热增压作用,因而拟制了摩擦热的升高进而阻碍岩石矿物发生熔融。


近期中国地质科学院地质研究所李海兵研究团队在汶川地震断裂带科学钻探1号钻孔岩心中发现了汶川地震产生的新鲜假玄武玻璃,为地壳浅部断层力学机制的研究提供了新的见解。该研究借助光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和聚焦离子束-透射电子显微镜(FIB-TEM)对岩石样本进行显微结构和原位成分分析,在WFSD-1岩心732.6 m深处的断层泥中发现了厚度约2 mm的假玄武玻璃(图1)。该假玄武玻璃的形成位置极浅,且产生于非固结的、富流体的断层泥中(图2);其基质中可见流动构造(图3)、不规则微裂隙发育,富Ba且被重晶石细脉切割(图2,图3),表明其为近期摩擦熔融的产物。对WFSD-1钻孔中断裂岩进行的高速摩擦实验证实,不管在“干”或“湿”的环境中,模拟732 m深度发生地震滑动的条件下均会产生摩擦熔融物质(图4)。因此WFSD-1中732.6 m的假玄武玻璃被认为是汶川地震的产物,代表了汶川地震主滑动带的位置。


图1 岩石样品位置及特征

a. WFSD-1岩心中断裂岩分布;b. 732.4-732.8 m深处含~2 mm假玄武玻璃的岩心;c、d. 1/4的岩心及连续薄片制备;e. 滑动带及邻区断裂岩分布特征,白色线框指示图2a对应的位置


图2 732.6 m处不同断裂岩显微构造特征

a、b. 滑动面上盘断裂岩从上到下依次为:断层角砾岩、断层泥和假玄武玻璃,a为单偏光显微照片,b为扫描电镜下显微照片;c. 断层泥;d. 断层泥中碎屑特征;e. 假玄武玻璃;f. 假玄武玻璃基质中发育众多不规则微裂隙


图3 假玄武玻璃基质在透射电镜下的

显微构造特征

a. FIB-TEM样品切割位置;b. 制备好的TEM岩石薄片(20 nm),样品顶部喷镀Pt用于导电;c. 为图b中左侧白色线框内放大特征,显示大小形状各异的深灰色碎块被亮色重晶石脉切割;d. 高角度环形暗场图像显示石英颗粒晶格衍射具清晰边界;e. 假玄武玻璃基质中可见不规则裂隙和波纹状构造;f. 图e中所标圆圈位置的衍射图样显示其为非晶质物质;g~j. 分别为图c和e中所标注的区域1、2、3、4对应的TEM-EDX能谱图,谱图中Ga和Cu分别来自于聚焦离子束和样品托盘


图4 断层泥高速摩擦实验数据和微观构造特征

a. 室温湿度下浅灰色断层泥摩擦系数与滑动位移量的关系(S1541、S1543、S1545);b. 室温湿度下深灰色断层泥摩擦系数与滑动位移量的关系(S1542);c. 湿的条件下(加20%蒸馏水)浅灰色断层泥摩擦系数与滑动位移量的关系(S1547、S1891);d、e. 实验S1541产生的假玄武玻璃特征;f、g. 实验S1542产生的假玄武玻璃特征;h、i. 实验S1547产生的假玄武玻璃特;d~i为背散射-扫描电子显微镜图像


这是目前全球首次在自然界中发现断层浅部含水断层泥摩擦熔融形成的新鲜假玄武玻璃,也是震后最快速钻取出的地下无蚀变的假玄武玻璃,且该假玄武玻璃具有微裂隙发育、无微晶、无气孔等独特构造特征。这一发现不仅改变了传统认为的假玄武玻璃很少见,且仅形成于~4 km以下、“干”的坚硬的岩石中的观点;而且使我们意识到对断裂浅部的力学属性、变形环境和变形机制还远未认知,尤其对地震过程中断层浅部的力学机制还不甚了解。该成果不仅对认识汶川大地震的发震机制、断层强度、应力迁移与破裂传播具有重要意义,而且有助于我们认识断裂带内浅部脆性区域的力学属性、岩石变形环境和变形机制,促进对地震滑动机制和破裂过程的认识。


作者简介



王焕(中国地质科学院地质研究所):副研究员,构造地质学专业,主要从事活动构造和断裂作用相关研究。

李海兵(中国地质科学院地质研究所):二级研究员,博士生导师,构造地质学专业,主要从事活动构造和断裂作用相关研究。

司家亮(中国地质科学院地质研究所):副研究员,构造地质学专业。

裴军令(东华理工大学):教授,构造磁学专业。

孙知明(中国地质科学院地质力学研究所):二级研究员,构造磁学专业。

张蕾(中国地质科学院地质研究所):副研究员,构造地质学专业。

基金项目



本文受国家自然科学基金项目(编号:41972229、42372266、41830217)和第二次青藏高原综合科学考察研究项目(编号:2019QZKK0901)联合资助。

论文信息



本研究刊登在《岩石学报》2023年第39卷第12期:


王焕, 李海兵, 司家亮, 裴军令, 孙知明, 张蕾. 2023. 汶川地震假玄武玻璃的特征、成因及其构造意义. 岩石学报, 39(12): 3833-3847.

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排版:岳豪勃(吉林大学地球科学学院)

校对:马洪伟(天津外国语大学)


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