汶川地震假玄武玻璃的特征、成因及其构造意义

富流体的断层泥是浅部地震断层带中的特征岩石。一般认为,地震过程中摩擦热会导致粒间孔隙流体热膨胀增压,形成同震断层弱化(热增压机制),从而抑制摩擦熔融的发生。然而我们研究发现,在2008年汶川大地震(M_(W) 7.9)中断层浅部发生了摩擦熔融。汶川地震发生一年后,我们在汶川地震断裂带科学钻探项目一号钻孔(WFSD-1)732.6m深处的断层泥中发现了厚度约2mm的假玄武玻璃(凝固的摩擦熔融物)。该假玄武玻璃形成的位置极浅,且产生于非固结的、富流体的断层泥中。从岩心来看,断层面可见镜面构造和同震擦痕。微构造分析显示,该假玄武玻璃主要由石英碎屑和由长石与黏土矿物熔融的非晶质基质组成,基质中发育众多不规则的微裂隙,并可见流动构造。化学成分分析显示,其基质富Ba且被重晶石(BaSO 4)小细脉切割,为同震及震后流体存在的证据。由于假玄武玻璃在流体存在的条件下会快速蚀变,且龙门山地区大地震复发周期为3000~6000年,因而这些完全未被蚀变的新鲜假玄武玻璃可能是最近一次大地震,即2008年汶川大地震的产物。针对钻孔中断层泥进行的高速摩擦试验,证实了在钻孔732m深度发生地震滑动的条件下确实会产生假玄武玻璃。因此WFSD-1钻孔732.6m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位置。这是首次在自然界中发现浅部含水断层泥摩擦熔融形成假玄武玻璃的实例,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。

龙门山断裂带假玄武玻璃特征及断层弱化机制的探讨

与断层相关的假玄武玻璃被认为是地震化石,记录了地震发生过程和断裂机制的重要信息,对认识断层地震活动性具有重要意义.本文综合地表露头及汶川科钻(WFSD-1、WFSD-2)岩心研究,对映秀—北川断裂带南段彭灌杂岩中发育的假玄武玻璃进行详细的结构、构造及矿物成分分析.这些假玄武玻璃以断层脉和单个/网状贯入脉的形式产出,厚度由几毫米到数十厘米不等,与碎裂岩和超碎裂岩相伴生.显微结构观察发现假玄武玻璃中发育大量熔融特征构造,如港湾状熔蚀边、蜂窝状气孔构造、黏滞性流动构造以及针状、球粒状、羽状、纤维状、粒状等多种形态的微晶及微晶集合体,表明其为断层滑动摩擦熔融的产物,指示摩擦熔融润滑是断层滑动过程中最主要的弱化机制.同时热增压和机械润滑机制可能存在于断层滑动的不同阶段.此外,从野外和显微镜下都观察到假玄武玻璃脉具有浅灰、深灰、浅褐、棕褐色及黑色等不同的颜色,可能代表着不同程度的脱玻化作用,并且不同颜色有相互穿插交切关系,可能指示存在多期假玄武玻璃,也就是说,产生假玄武玻璃的大地震事件沿映秀—北川断裂带重复发生.最近的研究认为这些假玄武玻璃形成于晚三叠世时期地下~10—15km深度.结合须家河组地层中发育的厚层断层泥和角砾岩,~180—280m宽的映秀—北川断裂岩带是断裂长期活动演化的产物.作为龙门山地区最陡峭的地形边界,映秀—北川断裂带长期地震活动造成的地壳缩短加厚可能是龙门山快速隆升的主要原因.

大别造山带东部假玄武玻璃及其围岩的K-Ar和^(40)Ar-^(39)Ar年龄及地质意义

发育在大别造山带东部的假玄武玻璃是区域内 NE— SW向断裂带快速滑移形成的构造岩。地质产状、显微构造及岩石化学研究表明 ,这些假玄武玻璃主要由超碎裂岩化作用所形成。假玄武玻璃及围岩的全岩(包括部分单矿物 ) K- Ar年龄测定表明 ,大别造山带的假玄武玻璃形成于 81～ 93Ma之间。本文同时测定了叠加在假玄武玻璃基质之上的多硅白云母的激光 4 0 Ar/39Ar年龄为 78.9Ma。显微构造及所获得的年龄数据显示 ,这些沿NE— SW向断裂发育的假玄武玻璃是在晚白垩世 (80～ 90 Ma)时期伴随着大别造山带整体隆升过程形成的 ,而与早期板块俯冲过程无关。同时 ,不同定年方法在数据上的一致性还表明 ,全岩 K- Ar方法在确定某些假玄武玻璃及含假玄武玻璃的断裂构造年代时 。

新疆富蕴可可托海—二台断裂带中假玄武玻璃及其围岩的年代学研究

发育在新疆富蕴可可托海—二台断裂带中的假玄武玻璃是古地震断裂快速滑移形成的构造岩。地质产状、显微构造研究表明,这些假玄武玻璃主要由发生重结晶的玻璃质熔融体形成。假玄武玻璃基质的全岩40Ar-39Ar阶段升温方法主阶段和K-Ar年龄分别为282.8±3.8Ma和276.4±7.4Ma。假玄武玻璃所在母岩(黑云母花岗岩和钾长花岗岩)的锆石U-Pb年龄分别为390.4±1.0Ma和396.3±0.1Ma,表明二台断裂带中的假玄武玻璃是在二叠世早期形成的,也说明二台断裂带古地震活动至少可以追溯到晚古生代(早二叠世早期)。尽管二台断裂带是现今仍然活动的地震构造带,但目前所见到的假玄武玻璃是早二叠世时期古地震活动的产物。1931年的富蕴8.0级地震仅仅是沿着二台断裂带发生的多次构造活动的一次活动,与假玄武玻璃之间没有成因上的联系。

嵩山地区假玄武玻璃的发现及其古地震意义

与断层相关的假玄武玻璃是地震作用的产物,是古地震的可靠记录.登封大断层是嵩山地区的主要断层之一,在登封大断层的分支断层及断层破碎带内首次发现了假玄武玻璃.假玄武玻璃呈黑色,以脉状、网脉状和树枝状贯穿石秤钾长花岗岩体.断层带内还发育有未固结的红色断层泥.显微镜下研究表明,假玄武玻璃中的碎屑颗粒以碎裂成因的钾长花岗岩为主,还有部分碎屑颗粒呈港湾状的熔蚀结构.这表明假玄武玻璃的成因以同震断层的碎裂作用为主,伴随有少量的高温熔融过程.古文献记录表明,夏代末年偃师-登封地区有大地震活动,结合未固结的断层泥特征,该地区的地震活动可能与登封大断层的活动有关.

桐柏—大别造山带内与脆性-韧性剪切带共生的假玄武玻璃的发现及意义

在桐柏—大别造山带大河镇剪切带中首次发现与碎裂岩和糜棱岩共生的两种不同类型的假玄武玻璃。野外产状及显微结构的研究表明与碎裂岩共生的假玄武玻璃产出于以脆性破裂为主的断层浅部(<15km),而与糜棱岩共生的假玄武玻璃则产出于以韧性变形为主的断层深部(>15 km)。这两种类型的假玄武玻璃均含有熔解起源的自形微晶体,圆形或港湾状的碎片,流动结构和部分玻璃质基质。假玄武玻璃与碎裂岩和糜棱岩共生的现象说明在桐柏—大别造山带形成和隆起过程中同一断层剪切带内大地震重复发生。大河镇假玄武玻璃的研究可对大陆型大地震的发震机制及地壳浅部的脆性变形领域到深部的塑性变形领域的地震断层的破裂过程和力学性质的研究提供重要信息。

大别造山带东部假玄武玻璃的显微构造特征及其意义

最近,在大别造山带东部发现了广泛的地震成因假玄武玻璃,这些假玄武玻璃主要呈简单脉状沿NE—SW向走滑断裂带或剪切带发育,后者大多与郯庐断裂带平行并穿切了包括白垩纪花岗岩在内的地质体。某些假玄武玻璃内发育由暗色石英条纹构成的糜棱质条带。本文通过普通光学显微镜和扫描电镜观察分析,详细研究对比了不同断裂带内部发育的假玄武玻璃及其围岩在显微构造特征上的差异及联系。根据岩石的组构特征,证实所发现的这些假玄武玻璃主要是由母岩的超碎裂岩化形成的,但在点1发育的假玄武玻璃基质的扫描电镜影象特征上,沿某些残斑矿物(钾长石、斜长石、黄铁矿)的边缘可以看到些许代表摩擦熔融成因的熔蚀状港湾结构,说明假玄武玻璃形成过程中曾经发生了程度较低的局部熔融作用。肉眼所见到的糜棱质石英条纹在显微镜下证实为早期的糜棱面理。同时,岩石组构的叠加显示,含假玄武玻璃的断裂带及假玄武玻璃本身普遍具有多期性,且晚期构造产物(或假玄武玻璃)总是较早期产物(或假玄武玻璃)碎裂岩化作用更加强烈,说明先期存在的构造软化带在控制假玄武玻璃形成过程中起着非常重要的作用,即构造带抬升过程中伴随的多期构造及细粒化是形成假玄武玻璃的基础。岩石的变形序列总体上显示为韧性韧脆性脆性的演化过程。

假玄武玻璃的研究进展与现状

在国外有关假玄武玻璃(Pseudotachylite)的研究已经有百余年的历史,在野外产状、显微镜观察和实验模拟等多方面积累了丰富的资料。而国内在这方面的研究甚少。近年来,随着人们对“活断层”研究的深入,所谓有“地震化石”之称的假玄武玻璃也日益为研究者们所重视。假玄武玻璃通常被认为是与地震断层有关的高应变速率条件下的产物。假玄武玻璃的研究对了解地震时地下深处断层带的变形机制等多方面具有重要意义。尤其是通过模拟假玄武玻璃形成时的相似条件(主要是力学机制和化学机制),可以了解假玄武玻璃形成时断层剪切带变形历史。为了使国内对这一研究领域感兴趣的学者了解假玄武玻璃的形成过程及其所反映的意义,本文从假玄武玻璃的地质特征及成因等几个方面进行了总结,以飨读者。

龙门山逆冲带假玄武玻璃在其形成及后期抬升过程中的化学变化

假玄武玻璃作为地震断层摩擦熔融的产物记录了断层带内地震破裂的相关信息,是认识断层带形成过程及其活动历史的重要物质组成。钻探获取的地下深部的断层岩样品,免受地表物理化学风化,相对较为新鲜,能够提供更接近其形成时的相关信息。本文以龙门山映秀—北川断裂带南段彭灌杂岩中发育多期假玄武玻璃为研究对象,应用扫描电镜、微区X射线荧光光谱(μXRF)岩心扫描仪以及布鲁克M4 TORNADO高性能微区X射线荧光光谱仪等仪器对虹口八角庙地表和汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)岩心中发育的假玄武玻璃的化学组成进行对比研究。显微结构特征表明这些假玄武玻璃为地震断层快速滑动摩擦熔融的产物。化学元素对比分析结果显示,熔融物形成于高温还原环境下,其化学性质以高Fe、Ti、K值,低Si值为特征,并具高磁化率值的物理性质。地表假玄武玻璃经受表生流体作用,化学性质发生明显变化,以低K、Ti值和出现含Ca元素的新生矿物为特征。同时岩心中来自较深断层带的多期假玄武玻璃的成分差异也表明,大气水和地表水已沿断层带侵入到了585m以下或更深部位。因此在应用假玄武玻璃对地震断层瞬时滑动环境进行判断时需谨慎,应考虑其后期化学成分变化等造成的各种影响。

假玄武玻璃及其形成过程和机制综述

对假玄武玻璃的概念和特征以及形成环境和产状作了综合性描述，并对其摩擦熔融成因进行了论证。对假玄武玻璃的形成过程和形成机制以及形成假玄武玻璃的地震断层的动力机制、活动方式和脉动性质进行了深入探讨；同时对母岩矿物性质和流体对假玄武玻璃形成的影响进行了分析；概述了假玄武玻璃形成过程中的化学成分变化，最后提出了有待进一步研究的几个问题。

大别造山带东部假玄武玻璃的成因

最近,在大别造山带东部广泛发现了假玄武玻璃出露点,这些假玄武玻璃主要沿NE-SW向断裂带或剪切带发育。某些假玄武玻璃内发育糜棱质条带。本文主要讨论了大别造山带东部假玄武玻璃的显微构造、岩石化学及稀土元素地球化学等特征,在此基础上阐述了发育在该地区的假玄武玻璃的成因。

假玄武玻璃年代学研究现状及其地震学指示意义

假玄武玻璃是一种呈暗色的微晶—隐晶质岩石,一般产于古地震断层滑动面,被认为是研究地震活动的"化石岩"。经过碎裂岩化或摩擦熔融,假玄武玻璃发育于从地表到岩石圈地幔的整个地震活动区,其年代学研究对于揭示某一地区古地震活动频次及发生规律有重要意义。假玄武玻璃的定年一般采用Rb-Sr4、0Ar-39Ar、裂变径迹等三种方法,但Sr的扩散性质、假玄武玻璃内部结构和成分的不均一性及其形成高温快速过程中锆石的退火行为等诸多因素,制约了以上三种方法的应用。文中总结了三种方法,分析了其适用范围和局限性,探讨了假玄武玻璃定年研究中最适用的方法和需注意的事项。最后,阐述了假玄武玻璃研究的地震学指示意义。

广东河台金矿假玄武玻璃地球化学和年代学特征及其地质意义

前人对河台金矿中的假玄武玻璃早有报道,但是因为未认识到其与成矿的关系而被忽视。在前人发现的糜棱岩中假玄武玻璃的基础上,本次研究又发现了三种其他岩性中的假玄武玻璃。河台金矿中的假玄武玻璃呈黑色脉状、网脉状和树枝状贯穿于糜棱岩化片岩、糜棱岩、混合岩和矿体中。本研究结合野外宏观特征和室内的岩相学微观特征,运用粉晶X射线衍射、全岩地球化学和Ar-Ar同位素等实验分析手段,比较了河台金矿不同地质体中假玄武玻璃岩脉的特征。研究发现假玄武玻璃脉体中存在树枝状微晶结构和碎屑颗粒的港湾结构,同时也含有碎裂成因的石英、长石,表明其成因以同震断层的摩擦熔融为主,并伴随有少量碎裂化。通过计算得出假玄武玻璃样品中结晶态的各类矿物含量为石英53.3%、伊利石20.5%、高岭石17.3%、钾长石8.9%。假玄武玻璃与围岩都具有富SiO_2和Al_2O_3,富K_2O贫Na_2O,低MgO和Fe_2O_3~T的地球化学特征。两者的稀土元素配分型式也非常相似,都显示轻稀土富集和中等程度的负Eu异常(δEu=0.51～0.71)。假玄武玻璃的显微构造和地球化学特征指示其主要是由围岩原地熔融形成的,形成深度在6～18 km。我们认为河台金矿的假玄武玻璃可以指示云开大山抬升过程中伴随着地震的发生,同时,假玄武玻璃脉体在空间上切穿矿体,因此假玄武玻璃的^(40)Ar/^(39)Ar年龄123.3±1.0 Ma可以作为河台金矿的成矿年龄上限。

贺兰山群变质杂岩中假玄武玻璃的成因

贺兰山群变质杂岩是晚太古代的一套孔龙岩系，在其中发育了一条东西向延伸的假玄武玻璃岩带。其产状特征、碎斑的熔蚀结构、基质的长石微晶和球粒结构表明，它是由岩浆结晶而成。这种岩浆形成于古地震带中，与滑动面高速运动摩擦生热有关。岩浆成分是安山质的，熔融是过热非平衡状态下进行的，深融温度可达１４００℃以上，深度可能不足１ｋｍ。

安宁河断裂假玄武玻璃摩擦滑动实验研究

我们在安宁河断层带西侧的花岗片麻岩和碎裂岩中发现假玄武玻璃.并开展了假玄武玻璃的摩擦滑动实验,为国际首次.在化学成分和微观结构分析的基础上,本研究使用粉碎后的假玄武玻璃粉末作为模拟断层泥,在有效正应力250 MPa、温度100~500℃、孔隙水压30 MPa和干燥条件下开展了摩擦滑动实验.为获得假玄武玻璃摩擦系数的速度依赖性参数(a-b),实验中的轴向加载速率在1μm·s^(-1),0.2μm·s^(-1),0.04μm·s^(-1)之间进行切换.实验结果显示,在100~500℃假玄武玻璃的摩擦系数随着温度增加而增大,含孔隙水压条件下摩擦系数比干燥条件大.在加载速度为1~0.2μm·s^(-1)条件下,100~300℃温度范围内,假玄武玻璃表现为速度强化型稳定摩擦滑动;在300~400℃的温度范围内,假玄武玻璃的摩擦滑动行为表现出由速度强化向速度弱化转变的趋势,在400~500℃时其表现出显著的速度弱化行为,从而在该温度范围内具备自发的地震成核条件.本实验还发现假玄武玻璃的滑动稳定性与加载速率有关,在相同温度条件下以及100~300℃的温度范围内,假玄武玻璃在实验室标速条件下(1~0.2μm·s^(-1))表现出速度强化的摩擦滑动行为;而在低速(0.2~0.04μm·s^(-1))条件下,表现出速度弱化.因此在100~500℃的温度条件下,降低剪切滑动速度可以促进假玄武玻璃的不稳定滑动.对比花岗岩与假玄武玻璃的摩擦强度与滑动稳定性表明,在100~500℃(5~30 km深度),假玄武玻璃和花岗岩都具备地震成核的条件.假玄武玻璃的摩擦强度比花岗岩高,由此推测,被假玄武玻璃愈合的同震破裂,原地再次发生同震滑动的可能性小,但如果断裂带内存在假玄武玻璃,不仅能增加断层不稳定滑动和地震的风险,而且会促进同震动态破裂传播.

东南极哈姆峰地区假玄武玻璃的显微构造、年代学及其地质意义

发育在东南极普里兹湾西南部哈姆峰地区麻粒岩相花岗质片麻岩中的假玄武玻璃沿着近东西向断裂带分布。显微构造特征表明,该地假玄武玻璃基质中普遍发育球粒结构及树枝状、放射状-针状等不同形状及组合的矿物微晶体,说明这些假玄武玻璃是地震断层快速滑移过程中摩擦熔融作用的产物。假玄武玻璃中的微晶体矿物组合大体分为两种,它们分布在构造带不同地段:一种是以“紫苏辉石+斜长石”组合为主,分布于构造带东北部地段;一种是以“黑云母+斜长石+钾长石+石英”的组合为主,分布于构造带西南部地段,说明沿构造带不同部位构造环境及应力分布的不均匀性。同时,微晶体中富铝紫苏辉石的存在,表明假玄武玻璃形成过程及其后期的结晶过程可能处于高温(麻粒岩相)的构造环境下。假玄武玻璃的基质全岩K-Ar年龄为878.1±16.8 Ma,全岩^(40)Ar/^(39)Ar年龄谱系中所记录的年龄值主要集中在925~626 Ma。结合区域对比看,假玄武玻璃应该形成于格林维尔期构造事件。

豫西双龙剪切带假玄武玻璃的成因及地质意义

假玄武玻璃是发育在古地震断层带中的一种断层岩,是古地震断层快速滑动的化石记录。目前关于假玄武玻璃的成因还存在争议,有摩擦熔融成因和摩擦碎裂成因2种观点。豫西双龙剪切带是位于秦岭造山带核部的一条韧性剪切带,发育了一系列动力变质岩,后期地质作用在其构造薄弱面上形成了呈简单脉状、平行剪切面发育的假玄武玻璃。假玄武玻璃的出现说明秦岭群曾经历高应变速率的构造运动,即古地震事件。通过对该区假玄武玻璃的镜下观察、粉晶X射线衍射、扫描电镜及石英的EBSD组构等研究,对其成因进行了探讨,结果显示秦岭群核部的假玄武玻璃为摩擦碎裂成因。

断层带中假玄武玻璃成因机制及非稳态流变意义

假玄武玻璃呈玻璃质或隐晶质特性,常常与断层带相伴出现,其形成能有效地降低断层摩擦强度,被认为是古地震快速滑动的化石纪录。因此,对假玄武玻璃的研究对深入了解深部就位的断层变形和地震成因机制等具有重要意义。尽管国内外学者对假玄武玻璃开展了长期的研究,也积累了丰富的资料,然而,由于天然假玄武玻璃非常少见或零星地被报道,再加上其形成环境和过程的复杂性,对假玄武玻璃的构造特征、形成环境和成因机制仍然存在诸多争议及亟待解决的关键科学问题。研究表明,假玄武玻璃可以发育在大陆岩石圈不同深度范围内,即中下地壳乃至上地幔以糜棱岩为主的韧性变形领域(>60 km),或中上地壳层次以碎裂岩为主的脆性变形域(<12 km)。越来越多证据也显示出在断层带的脆—韧性转换域中形成的假玄武玻璃跟浅源地震活动直接关联,也意味着中上地壳脆性变形和中下地壳塑性变形之间存在着更为复杂的耦合关联,同时对不同深部岩石强度和力学行为提出了挑战。对假玄武玻璃形成机制存在由断层面上的摩擦热导致的摩擦熔融体或仅仅是断层面岩石超碎裂粉碎作用认识的争议。而有研究认为干的环境有利于假玄武玻璃形成,因为流体的存在会降低断层面的有效正应力,不利于热量的积累以及摩擦熔融的进行;然而,另外一种观点认为流体的存在可以降低矿物熔融温度有利于断层摩擦熔融及形成假玄武玻璃。本文从假玄武玻璃的形成机制、形成深度、流体影响、形成后对断层强度的影响、以及保存与破坏机制几方面进行了最新总结,并对假玄武玻璃中非晶态物质的成因、脆—韧性转换带之下岩石的变形机制以及对陆壳强度的影响和非稳态流变意义进行探讨。

西藏羌塘裂谷带假玄武玻璃的发现及其岩石学特征与构造意义

假玄武玻璃是地震过程中断层滑动产生摩擦熔融并快速冷却的产物,被誉为“地震化石”,记录了断层带内地震发生时的物理-化学过程的相关信息,是认识断裂活动历史的重要物质组成。本文以青藏高原腹地羌塘地块SN向正断层——东依布茶卡断层中的假玄武玻璃和碎裂岩等为研究对象,借助偏光显微镜、扫描电镜、粉末X射线衍射分析、原位XRF分析等多种方法对其进行了详细的结构、构造、矿物成分及化学元素分布的分析。野外调查表明该断裂带中假玄武玻璃呈深灰-褐色,与超碎裂岩和碎裂岩相伴生,以断层脉、注入脉和网状脉的形式产出,厚度由几毫米至一厘米不等。显微结构观察显示,假玄武玻璃中残留有摩擦熔融形成的特征构造,如石英的港湾状熔蚀边、蜂窝状气孔构造以及局部发育的长柱状微晶、束状微晶集合体等,指示其为断层滑动摩擦熔融的产物。此外可见假玄武玻璃作为碎屑出现在碎裂岩和角砾岩中,且后期的碎裂岩中包含早期形成的碎裂岩的角砾等,这些特征表明在该断裂带内大地震事件多次重复发生。以该地区正断层初始活动时限13.5Ma、碎裂岩和假玄武玻璃形成深度为10km以下计算,这些断裂岩石从地下深部折返的速率至少为~0.74mm/yr。目前国际上鲜有报导正断层形成的假玄武玻璃,这是我们首次在羌塘地块SN向裂谷正断层中发现熔融成因的假玄武玻璃,对认识区域地震活动及断裂带演化过程具有重要意义。