斷層泥伊利石物理化學(xué)特征及其意義1

張秉良 周永勝 袁仁茂 李 康

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

斷層泥伊利石物理化學(xué)特征及其意義1

張秉良 周永勝 袁仁茂 李 康

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

通過X射線衍射和化學(xué)分析等方法，研究了云南水電站斷層泥中伊利石物理化學(xué)特征，結(jié)果顯示：①伊利石物質(zhì)的X射線衍射特征為Δ［（002）?（001）］＞8，Ir＞1，BB1＜4°，屬I+ISII有序混層，膨脹層小于15%，晶胞參數(shù)b0=8.991?，1M多型結(jié)構(gòu)；②K2O的平均含量9.1%變化范圍在8.5%－10%之間；③K2O和Fe2O3含量之間為負(fù)相關(guān)，K2O含量與Δ［（002）?（001）］2θ值呈正相關(guān)，而K2O與Ir值呈負(fù)相關(guān)。上述特征表明該斷層泥伊利石是在低溫（小于200℃）低壓環(huán)境下生成。它的形成與斷層穩(wěn)定滑動機制有關(guān)。由此推測該斷層未來發(fā)生大地震的可能性較小。

斷層泥 伊利石 X射線衍射 化學(xué)分析

引言

斷層的粘滯滑動和穩(wěn)態(tài)蠕變是斷層滑動的兩種基本方式，前者與地震的發(fā)生有密切關(guān)系，對于地表出露的各種斷層，它們在地質(zhì)時期經(jīng)歷了什么樣的運動方式，是評價斷層活動性的重要標(biāo)志之一。但如何判斷斷層活動的方式，是當(dāng)前廣大地震地質(zhì)工作者十分關(guān)注的問題。斷層泥是地殼淺層次脆性斷裂帶中常見的一種未粘結(jié)的由巖石碎屑、巖粉和粘土礦物等組成的斷層巖，它是斷層活動的直接產(chǎn)物。因此它記載著斷層活動的歷史，保留著斷層運動的遺跡，它的形成常常受到與斷層運動相伴生的低級變質(zhì)作用的影響（Bos等，2000）。由于斷層泥中的伊利石對外界環(huán)境較敏感，它可以作為斷層活動的一種應(yīng)力礦物（Hoffman等，1979）。本文介紹了通過 X射線衍射和化學(xué)分析，研究云南水電站斷層泥伊利石的物理和化學(xué)特征，初步探討了斷層泥伊利石物理化學(xué)特征與斷層活動機制的關(guān)系。從而有可能從礦物學(xué)方面開辟一條研究斷層活動方式的新途徑。

1 樣品采集及分析方法

1.1 樣品采集和顯微鏡研究

樣品采自云南省云縣境內(nèi)小灣水電站斷層的平硐中，該斷層發(fā)育于燕山期花崗片麻巖中，斷層泥顏色有灰白和灰綠色兩種，厚度約0.5—24cm不等，多為薄層狀夾在斷層上下盤之間。在光學(xué)顯微鏡下，斷層泥中的長石和石英碎粒顯示脆性破裂，眼球狀流動構(gòu)造較發(fā)育，粘土礦物伊利石集合體呈緞帶狀，具有明顯的組構(gòu)現(xiàn)象。在掃描電鏡下，伊利石為“鱗片”狀（圖1a），有明顯定向排列的特點（圖1b），石英或長石碎屑被包裹在伊利石中成“卷心菜”狀結(jié)構(gòu)（圖1c），石英或長石碎粒的長軸近于平行微斷層面（圖1d）。上述結(jié)構(gòu)特征表明，斷層泥中的伊利石是在力偶（剪切力）作用下產(chǎn)生的塑性變形（構(gòu)造剪切變形）（張秉良等，1993；林傳勇等，1995），即是斷層緩慢滑動形成的（張秉良等，1993；2002；林傳勇等，1995；虢順民等，1992；Gyaneshwar等，1972；Haines等，2013）。斷層泥經(jīng)熱釋光、電子自旋共振、鈾系不平衡法等多種測年方法綜合研究，加之對斷層上覆松散沉積物采用熱釋光測年綜合分析，確定斷層7萬年以來無活動跡象（虢順民，1992）。

圖1 斷層泥微結(jié)構(gòu)特征Fig. 1 Microstructure feature of fault gouge

1.2 分析方法

在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察斷層泥的顯微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對斷層泥中的粘土進行提純，同時將伊利石物質(zhì)含量大于95%的樣品進行化學(xué)分析和X射線衍射。

1.2.1 粘土提純

斷層泥中的粘土礦物顆粒大都＜2μm。首先將樣品浸泡于蒸溜水中，采用物理化學(xué)方法除去樣品中的游離鐵、有機質(zhì)和可溶性鹽，使其充分分散成穩(wěn)定懸浮液。然后按Stokes公式計算，式中ν為在重力條件下微粒在水中的沉降速度；g為重力加速度；r為微粒半徑；ρ′為顆粒比重（約2.65）；ρ為水的比重；η為粘度。用虹吸法提取＜2μm的粘粒，供化學(xué)分析和X射線衍射。

1.2.2 X射線衍射

X射線衍射分析可快速有效的對粘土進行定量分析，是鑒定黏土礦物最有效的方法之一。本文樣品在中石油天然氣研究院實驗中心完成測試。所用儀器采用日本Rigaku D/MAX2500衍射儀，CuKα輻射。根據(jù)測試需要采用了不同的實驗條件和測定方法，如混層測定，需要定向樣品，定向樣品制備要經(jīng)過以下2個步驟逐步進行：①將滴在玻璃片上的粘土懸浮液在60℃下干燥成定向片（N）；②把定向片在60℃的乙二醇蒸汽中恒溫16小時（EG），衍射條件為D·S=S·S=1o，R·S=0.3mm，衍射2θ范圍3°—35°。參數(shù)計算利用?rodoń（1984）方法，即Ir參數(shù)等于1為純伊利石，否則就存在伊利石/蒙脫石混層（詳述見本文2.2.1節(jié)）。多型分析需要隨機樣品，衍射條件為D·S=S·S=1o，R·S=0.3mm，步進掃描，步長0.01°，預(yù)置時間0.5s，衍射2θ范圍3°—60°。b0值測量需要隨機樣品，用石英d（211）作內(nèi)標(biāo)，衍射掃描2θ范圍59°—60°，b0值由測量（060）衍射峰的面網(wǎng)間距按b0=6×d（060）求得。

2 結(jié)果

2.1 斷層泥伊利石物質(zhì)的化學(xué)組成

伊利石是一種2:1型粘土礦物，它的結(jié)晶化學(xué)式為KAl2(Si，Al)4O10(OH)2nHO。表1列出了7個斷層泥伊利石物質(zhì)化學(xué)組成。

表1 伊利石物質(zhì)化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of illite

2.2 伊利石物質(zhì)的X射線衍射

2.2.1 伊利石物質(zhì)混層測定

大部分伊利石礦物是伊利石/蒙脫石混層結(jié)構(gòu)，它的兩個單元為蒙脫石和伊利石。隨著溫

度、壓力的增加，膨脹層減少，混層從無序轉(zhuǎn)為有序。當(dāng)膨脹層減少到60%，開始形成有序伊利石/蒙脫石混層；當(dāng)膨脹層在60%－40%之間時，是無序和有序共存的轉(zhuǎn)化階段，膨脹層含40%，僅存在有序；當(dāng)膨脹層減少到18%時，則為ISII有序（?rodoń，1984）。研究認(rèn)為，在溫度85℃－135℃時，開始形成有序混層；在溫度大于200℃時，僅出現(xiàn)5%的膨脹層（Muffler，1969；Inoue，1983）。?rodoń（1986）提出了用X射線衍射法確定伊利石是否存在混層的標(biāo)準(zhǔn)，即純伊利石的Ir參數(shù)等于1，否則就肯定存在伊利石/蒙脫石混層，Ir的參數(shù)由下式確定：

式中，IN為原始樣；IEG為經(jīng)乙二醇處理的樣品；分子和分母分別表示用乙二醇處理前（N）后（EG）的（001）和（003）反射強度比（以峰高計）。

Ir＝1表明這2個峰經(jīng)乙二醇處理后，強度均不變或成比例下降。而Ir＞1，則說明經(jīng)乙二醇處理后（001）峰下降或（003）峰加強，由此證明有膨脹層存在。

對于含低膨脹層的ISII型結(jié)構(gòu)，其圖譜與伊利石基本相似，但也有嚴(yán)格區(qū)別。小灣斷層泥中伊利石衍射圖的變化特點是：經(jīng)乙二醇處理后（001）和（003）2個峰的位置發(fā)生了移動，（001）向著高角度移動，而（003）向著低角度移動；峰的強度和寬度變化更加明顯，（001）反射變低變窄；（003）反射變窄變高；（002）的反射也有明顯變化，但與（003）相反，峰變寬變低（圖2）。測得其Ir均大于1。表2列出了定向的伊利石/蒙脫石混層X射線衍射數(shù)據(jù)。

圖2 斷層泥伊利石物質(zhì)X射線衍射圖（定向）Fig. 2 XRD patterns of Illite from fault gouge（in fixed orientation）

表2 伊利石/蒙脫石有序混層X射線粉末數(shù)據(jù)Table 2 XRD data from ordered illite/montomorillonite

2.2.2 伊利石物質(zhì)多型分析

將伊利石物質(zhì)制成隨機樣品，X射線衍射圖譜（圖3）和表3顯示，衍射圖譜中具有典型的1M伊利石的3.650?的112衍射峰和3.060?的112衍射峰（圖3），由此認(rèn)為，這些伊利石物質(zhì)均為1M多型。

表3 伊利石的X射線衍射結(jié)果Table 3 XRD patterns of illite

圖3 斷層泥伊利石的物質(zhì)X射線衍射圖（隨機）Fig. 3 XRD patterns of Illite from fault gouge（in random orientation）

2.2.3 伊利石物質(zhì)b0值測定

由于伊利石的晶體結(jié)構(gòu)與白云母類似，因此它像白云母一樣可以作為一種應(yīng)力礦物。筆者對7個斷層泥伊利石物質(zhì)的b軸作了測量，如表3（測量精度±0.006?）所示。其平均值為8.991 ?。按照Sassi等（1976）的分類標(biāo)準(zhǔn)，此種伊利石物質(zhì)是在低壓環(huán)境中生成的。

3 討論

在自然界中，純的單礦物粘土礦物樣品很難找到，粘土礦物的任何化學(xué)分析僅是一種平均值（Weaver等，1973）。表1中列出了斷層泥伊利石物質(zhì)含量大于95%的7個樣品的化學(xué)組成。完全收縮的純伊利石層含有10%的K2O，斷層泥伊利石物質(zhì)K2O的平均含量為9.1%，變化范圍在8.5%－10%之間。K2O含量除一個樣品之外，都小于10%，表明樣品中有混層或除K以外的層間陽離子存在（楊雅秀等，1994；Weaver等，1973；?rodoń，1979；2002）。

斷層泥伊利石氧化物之間存在較好的相關(guān)性，F(xiàn)e2O3和Al2O3含量為負(fù)相關(guān)（圖4），K2O和Fe2O3含量之間也存在著同樣的關(guān)系（圖5），這種相關(guān)性可能反映了這樣一個事實，F(xiàn)e3+是伊利石結(jié)構(gòu)中能夠代替而不增加層電荷的唯一的主要離子，事實上層電荷可能減少，這種鐵離子也可能在層間位置出現(xiàn)。

圖4 斷層泥伊利石物質(zhì)中Al2O3與Fe2O3之間關(guān)系Fig. 4 The relation between Al2O3and Fe2O3of illite in fault gouge

圖5 斷層泥伊利石物質(zhì)中K2O與Fe2O3之間關(guān)系Fig. 5 The relation between K2O and Fe2O3of illite in fault gouge

表2中Δ（002?001）是乙二醇處理后伊利石物質(zhì)（002）和（001）衍射峰間的2θ差值，它介于8.75—8.85之間。表2中BB1變化范圍為2.8—3.3，按?rodoń（1979）對伊利石物質(zhì)的分類標(biāo)準(zhǔn)，所有樣品屬于I+ISII有序混層，且膨脹層小于15%（林西生等，1990）。

伊利石物質(zhì)中K2O含量與X射線衍射參數(shù)具有一定的相關(guān)性，如K2O含量與Δ（002?001）值之間為正相關(guān)（圖6）。這是由于隨著K2O含量的增高，膨脹層減少，（001）峰的位置向高角度偏移減小，（002）峰的位置向低角度偏移減小，結(jié)果是Δ（002?001）2θ增大。而K2O含量和Ir值為負(fù)相關(guān)（圖7）。同樣是隨著K2O含量增高，膨脹層減小，這是由于經(jīng)乙二醇處理后，（001）和（003）衍射峰強度變化減小造成的。

圖6 斷層泥伊利石物質(zhì)中K2O含量與Δ（002?001）的關(guān)系Fig. 6 The relation between K2O andΔ（002?001）of illite in fault gouge

圖7 斷層泥伊利石物質(zhì)中K2O含量與Ir值的關(guān)系Fig. 7 The relation between K2O and Irvalue of illite in fault gouge

本文斷層泥中的伊利石具有極尖銳的X射線反射，并有比較標(biāo)準(zhǔn)的1M多型結(jié)構(gòu)圖譜，表明樣品可能是結(jié)晶較好、較純的一種1M型伊利石（楊雅秀等，1994）。

在斷層活動中，由于溫度和壓力不同，致使斷層泥中粘土礦物的組合和多型也不同。筆者在活動機制不同的斷層中分別發(fā)現(xiàn)了1Md、1M和2M1型伊利石。大量研究證實，隨著溫度和壓力的增加，伊利石礦物多型轉(zhuǎn)化順序是1Md→1M→2M1，1Md為低溫亞穩(wěn)態(tài)無序結(jié)構(gòu)（＜100℃）。1M轉(zhuǎn)變?yōu)?M1的溫度為200℃—350℃（Yoder等，1955；Reynolds，1963）。礦物的多型是在生長的過程中形成的，風(fēng)化不會改變其結(jié)構(gòu)類型（Balley等，1978）。本文中部分有序IIS和 ISII型伊利石/蒙脫石混層是成巖階段生成的，直到目前還沒有證據(jù)說明這種礦物是風(fēng)化形成的（Reynolds等，1970）。這就是說，本文研究的斷層泥伊利石為1M多型結(jié)構(gòu)，b0=8.991?表明，該斷層泥伊利石是在低溫（＜200℃）低壓環(huán)境下生成。同時結(jié)合伊利石的微觀結(jié)構(gòu)特征可認(rèn)為，該斷層泥伊利石是斷層穩(wěn)定滑動的產(chǎn)物。

斷層活動往往是多期次和多方式的（粘滑、蠕滑），但斷層的后期活動會破壞前期活動留下的痕跡，或后期活動痕跡疊加在前期之上，因此目前筆者所觀察到的斷層泥的特征往往是斷層最后一次活動的記錄。斷層快速滑動摩擦能生成大量的熱，這種熱可使斷層泥產(chǎn)生低級變質(zhì)作用（Bos等，2000），使斷層物質(zhì)發(fā)生不同程度物理化學(xué)變化，有時甚至使硅質(zhì)物質(zhì)熔融生成假玄武玻璃，而該斷層泥伊利石的有序混層（ISII）及其結(jié)構(gòu)的多型（1M）都表明其環(huán)境溫度低于200℃，這種較低的溫度和伊利石的顯微結(jié)構(gòu)特征都反映了小灣斷層活動可能是蠕滑。這就意味著該斷層未來發(fā)生地震的可能性較小。

4 結(jié)論

斷層泥是斷層活動的直接產(chǎn)物，因此它記載著斷層活動的歷史，保留著斷層運動的遺跡，它的形成常常受到與斷層運動相伴生的低級變質(zhì)作用的影響，而伊利石是一種應(yīng)力礦物，因此，研究斷層泥中的伊利石的多型、晶胞參數(shù)及化學(xué)組成，對于判斷斷層活動方式具有十分重要的意義。綜合上述研究結(jié)果，筆者給出以下認(rèn)識。

（1）斷層泥伊利石X射線衍射分析結(jié)果為Δ（002?001）＞8，Ir＞1，BB1＜4°，屬I+ISI有序混層結(jié)構(gòu)，膨脹層小于15%。

（2）該斷層泥伊利石的Fe2O3和Al2O3含量、K2O和Fe2O3含量之間均為負(fù)相關(guān)；K2O含量與Δ（002?001）2θ值呈正相關(guān)；而K2O與Ir值呈負(fù)相關(guān)。這些物理化學(xué)特征是ISII有序混層的結(jié)果。

（3）斷層泥伊利石為1M多型結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)b0=8.991?，表明斷層泥伊利石是在低溫（小于200℃）低壓環(huán)境下生成。

（4）伊利石是一種應(yīng)力礦物，常常受到與斷層運動相伴生的低級變質(zhì)作用的影響，而該斷層泥伊利石的有序混層（ISII）及其結(jié)構(gòu)的多型（1M）都表明其形成溫度低于200℃。同時結(jié)合斷層泥的微結(jié)構(gòu)綜合分析認(rèn)為，該斷層泥伊利石特征是斷層最后一次活動（蠕滑）形成的。由于斷層最后一次活動為穩(wěn)定滑動，因此這就意味著該斷層未來發(fā)生大地震的可能性較小。

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Characteristics of Illite Minerals in Fault Gouge and Their Geological Implications

Zhang Bingliang，Zhou Yongsheng，Yuan Renmao and Li Kang

（Institute of Geology，CEA，Beijing 100029）

The characteristics of minerals，such as illite，etc．in fault gouge from Xiaowan Fault are studied with X-ray diffraction and chemical analysis．The results show that：（1）X-ray diffraction features of illite are Δ［（002）?（001）］＞8°，Ir＞1，BB1＜4°，belonging to orderly mixed layer．Expansive layer accounts are smaller than 15%．The crystal cell parameters b0=8.991 ?，1M polytype structure.（2）KO2content varies from 4.18% to 5.56%.（3）There is negative correlation exists between K2O and Fe2O3．There is a positive correlation between Δ［（002）?（001）］and K2O，but negative correlation exists between K2O and Ir. All of characteristics suggest that illite was formed in the environment with low-temperature and low-pressure，which is related with the low level of fault activity and low probability of strong earthquake occurrence in future．

Fault gouge；Illite；X-ray diffraction；Chemical analysis

張秉良，周永勝，袁仁茂，李康，2014．?dāng)鄬幽嘁晾锢砘瘜W(xué)特征及其意義．震災(zāi)防御技術(shù)，9（4）：829—837．

10.11899/zzfy20140410

國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：41172193，40572127，49772168）；中國地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項（批準(zhǔn)號：IGCEA-1107）

2014-02-20

張秉良，男，生于1948年。研究員。主要從事巖石、礦物學(xué)研究。E-mail：zhangbl 15@126.com