斷層巖的研究現(xiàn)狀及發(fā)展概況

張壹　吳詩勇

摘 要：斷層巖作為一種特殊的地質(zhì)巖體，是斷層活動(dòng)的產(chǎn)物，在巖石學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)和斷層活動(dòng)的研究，以及工程地質(zhì)應(yīng)用方面，發(fā)揮著重要的作用。斷裂帶內(nèi)斷層巖的研究主要從顯微觀方面，斷層巖的磁性、礦物組成、常微量元素等特性的探討，結(jié)合不同時(shí)期地質(zhì)學(xué)家和學(xué)者對(duì)斷層巖類型劃分情況，準(zhǔn)確的反映斷層性質(zhì)、運(yùn)移過程、溫度壓力發(fā)展演化，為斷層巖在地質(zhì)學(xué)科的研究及工程建設(shè)發(fā)展提供更多的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：斷層巖；類型劃分；找礦；磁性研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.257

0 引言

斷層破壞巖石的完整性，使巖體發(fā)生破碎形成破裂帶，在后期復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造演變中，形成不同形態(tài)、結(jié)構(gòu)的巖石類型。斷層巖作為斷層的直接產(chǎn)物，分為以脆性為主的碎裂巖系列和韌性伴生的糜棱巖系列[1、2]，斷層巖記錄了斷層活動(dòng)的發(fā)展過程，是斷層存在的良好標(biāo)志，也為地質(zhì)巖性的研究提供可靠的地質(zhì)信息。

斷層巖和斷層在地質(zhì)領(lǐng)域是重要的地質(zhì)現(xiàn)象與產(chǎn)物，斷層巖控制著巖體的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性。斷層巖分布帶是地質(zhì)活動(dòng)活躍的區(qū)域，常發(fā)生重大的地質(zhì)災(zāi)害，尤其是地震，我國作為一個(gè)多地震的國家，斷裂帶發(fā)育廣泛，例如龍門山斷裂、郯廬斷裂、新疆富蘊(yùn)斷裂帶及汾渭斷裂帶等，這些斷層巖發(fā)育的斷裂帶是地震頻繁發(fā)生的地區(qū)。

1 斷層巖研究

斷層巖作為斷層活動(dòng)形成的巖類，它的形成具有特定的地質(zhì)條件，主要為動(dòng)力變質(zhì)和熱力變質(zhì)作用的結(jié)果，研究斷層巖是探討斷層活動(dòng)方式、破裂摩擦機(jī)制及類型劃分情況的一條主要途徑，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特性能夠從斷層巖的結(jié)構(gòu)特征直接反映。

斷層巖數(shù)量相對(duì)較少，但在地殼范圍內(nèi)分布卻甚為廣泛，與眾多的地質(zhì)活動(dòng)都有密切的聯(lián)系。對(duì)斷層巖研究最早具有文獻(xiàn)記載的是英國 Lapworth，在1885年他把蘇格蘭西北部 Moine逆沖斷層中所觀察到的斷層巖稱為糜棱巖。直到20世紀(jì)末，對(duì)于斷層巖成因問題都是模糊的定論，Water 和Campbell等定義為碎裂巖，王嘉蔭稱其為碎裂變質(zhì)巖，孫巖和韓克從命名為構(gòu)造巖等。1977年，R.H.Sibson等[3]提出“斷層巖”一詞，才對(duì)斷層巖有了一個(gè)較為準(zhǔn)確合理的解釋，之后提出斷層雙層模式，認(rèn)為斷層的上部主要是脆性斷層巖為主，形成碎裂巖，隨著深度的增加和壓力的升高，下部逐漸變?yōu)橐皂g性斷層巖為主，形成糜棱巖。在1981年，我國召開的第一屆顯微構(gòu)造會(huì)議以及1984年召開的第二屆顯微構(gòu)造與組構(gòu)討論會(huì)議上，都有關(guān)于斷層巖的文章，之后國內(nèi)外關(guān)于斷層巖的文章發(fā)表數(shù)量不斷上升。

2 類型劃分

在斷層巖的劃分上不同學(xué)者和專家根據(jù)不同的分類依據(jù)提出過不同的分類方案。Kahraman 和Alber將斷層巖分為6種類型：斷層碎裂巖、斷層巖、碎裂斷層角礫巖、斷層泥、斷層角礫巖和糜棱巖。Zeck根據(jù)變形作用和重結(jié)晶作用的相互關(guān)系，把斷層巖劃分為三大類：無重結(jié)晶作用的碎裂巖、同構(gòu)造重結(jié)晶糜棱變晶巖和構(gòu)造后重結(jié)晶作用變晶碎裂巖。夏宗國等[4]在對(duì)于前人斷層巖的劃分上作出總結(jié)，提出對(duì)于斷層巖劃分時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)方面：斷層巖形成過程中的主導(dǎo)作用、原巖粒化程度以及其粘合能力，據(jù)此特性，斷層巖劃分為無原巖粘合力和有原巖粘合力兩種斷層巖，斷層巖和斷層泥屬于前者，有原巖粘合力的斷層巖又可根據(jù)其形成作用劃分為碎裂作用、重結(jié)晶-新生礦化作用和熔化作用三種斷層巖。

眾多的分類中，R.H.Sibson的斷層巖分類方案受到普遍的認(rèn)同，根據(jù)斷層巖的結(jié)構(gòu)特性，分為沒有線理、面理結(jié)構(gòu)的碎裂巖系和有線理、面理結(jié)構(gòu)的糜棱巖系，從固結(jié)程度劃分為固結(jié)和非固結(jié)兩個(gè)斷層巖系列。從斷層巖的形成機(jī)制來看，碎裂巖系形成于巖石“彈性-摩擦”條件下，屬于脆性破裂。糜棱巖系主要發(fā)育于“準(zhǔn)塑性”環(huán)境中，巖石在重結(jié)晶和壓溶作用下，發(fā)生晶體的蠕變。

斷層巖的分類在巖石劃分上始終是多元化的，很難有統(tǒng)一的分類方案。研究者的側(cè)重點(diǎn)不同，研究方向和方法各異，決定了對(duì)于斷層巖劃分標(biāo)準(zhǔn)的不一致。在劃分類型時(shí)，對(duì)于巖石的成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及變形特征等能客觀反映；其次是巖石的成因，形成時(shí)的各種構(gòu)造地質(zhì)條件能合理反映；斷層所經(jīng)歷的構(gòu)造變動(dòng)、斷層活動(dòng)能真實(shí)的指示作用[5]。

3 研究方法

地質(zhì)學(xué)者和專家在斷層巖的研究上采取了多種方法，從宏微觀的不同形態(tài)入手，對(duì)斷層巖的形成組分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、粒徑分析、礦物特性及常微量元素等方面進(jìn)行了大量研究。

德國的Alber 和土耳其的Kahraman對(duì)斷層角礫巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、體積塊比例、橫軸波速等一系列的參數(shù)進(jìn)行簡單和多元回歸分析，通過多重回歸模型分析斷層角礫巖的特性；Kahraman在對(duì)米塞斯斷層角礫巖的地質(zhì)力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；N.Slatalla通過聲發(fā)射響應(yīng)測(cè)試，追溯斷層帶內(nèi)巖石的性質(zhì)；Burgl開發(fā)了一個(gè)名為礦物學(xué)和結(jié)構(gòu)指數(shù)的指數(shù)（MSI），它是使用平均加權(quán)維氏硬度，紋理系數(shù)和薄片系數(shù)矩陣，發(fā)現(xiàn)弱碎裂斷層巖主應(yīng)力之間的良好的相關(guān)性。Howarth和Rowlands 通過角礫巖的薄片分析，得到研究角礫巖圖像模型的數(shù)據(jù)。林愛民在對(duì)斷層泥中石英顆粒的電子自旋共振信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得了斷層的活動(dòng)年代。同樣的工作，張宇、潘金花、劉暢等[6]也對(duì)斷層泥中石英成分進(jìn)行了ESR測(cè)年實(shí)驗(yàn)，并確定了大泉斷裂開始活動(dòng)的時(shí)間。

國外地質(zhì)學(xué)者在對(duì)斷層帶研究中，對(duì)包裹體溫度測(cè)試獲取斷裂構(gòu)造帶內(nèi)流體運(yùn)移的可靠信息，對(duì)斷裂構(gòu)造環(huán)境的成因研究、演變形式以及構(gòu)造活動(dòng)都有指導(dǎo)作用。對(duì)斷層形成時(shí)代的確定上斷層巖也有著重要作用，主要是利用斷層巖礦物中同位素測(cè)年，常用的是絹云母中40Ar-39Ar測(cè)年法和Rb-Sr等時(shí)線法。除常規(guī)同位素測(cè)年方法外，離子探針和激光探針測(cè)年技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用，準(zhǔn)確性更高。田上高広、渡邊裕美子等[7]在斷層碎裂帶的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著斷層滑動(dòng)摩擦斷層帶內(nèi)斷層粘土的厚度會(huì)不斷加厚，粘土粒子也會(huì)變小，根據(jù)粘土帶厚度的發(fā)展和形成來推斷斷層的形成年代和演化趨勢(shì)。孫巖等[8]采用SEM、TEM、AEM方法，把對(duì)斷層巖的研究從微觀深入到超微觀等級(jí)。endprint

斷層巖的組成成分研究，主要集中在粘土礦物方面，其中對(duì)于斷層泥中的粘土礦物類型和含量最為著重，為研究斷層泥的抗剪強(qiáng)度和判斷其膨脹性質(zhì)提供參考數(shù)據(jù)。斷層泥的研究方法得到更新，先進(jìn)電子設(shè)備的采用，如電子顯微鏡、偏光顯微鏡以及X射線衍射分析，新方法的應(yīng)用，使得對(duì)斷層巖以及斷層泥的研究更加詳細(xì)又具有準(zhǔn)確性和說明性。在對(duì)淮南舜耕山斷層巖研究中，楊為民等[9]對(duì)其顯微構(gòu)造和超顯微構(gòu)造進(jìn)行定向薄片分析，從中得出了斷層巖形成時(shí)的形變方式、古應(yīng)力及溫度，進(jìn)而推測(cè)出了該斷層所經(jīng)歷的變形作用和運(yùn)移形態(tài)。史蘭斌、林傳勇等在對(duì)康定-磨西斷裂帶進(jìn)行研究時(shí)，利用熱釋光法和電子自旋共振法對(duì)斷層泥作了年齡測(cè)定，分析得出斷層的最后一次強(qiáng)烈活動(dòng)發(fā)生在晚更新世末至全新世初。

4 發(fā)展應(yīng)用

4.1 礦床探測(cè)

隨著地質(zhì)勘探的發(fā)展與深入研究，表明斷層巖在對(duì)礦產(chǎn)的探明與預(yù)測(cè)有著重要的作用。斷層巖對(duì)于金屬礦產(chǎn)和非金屬礦產(chǎn)的探尋在國內(nèi)外都有很大的應(yīng)用。

我國著名的郯廬斷裂帶就是一個(gè)內(nèi)生金屬礦床帶，發(fā)育了一系列的金、銀、銅、鐵等金屬礦床，通過對(duì)斷裂帶內(nèi)的斷層泥和斷層角礫巖的巖性、組分研究分析，對(duì)斷裂帶內(nèi)尋找金屬礦床具有指導(dǎo)作用。熊耳山地區(qū)，上世紀(jì)80年代初開始發(fā)現(xiàn)斷層巖型金礦床；太行山斷裂帶區(qū)域，根據(jù)斷層巖的預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)了大量的多金屬成礦帶的存在。在美洲版塊的太平洋沿岸，存在許多區(qū)域性大型線狀斷裂帶，在這些斷裂帶內(nèi)發(fā)育大量的角礫巖筒形斑巖銅礦床。

斷層巖是理想的運(yùn)礦構(gòu)造，有較好的儲(chǔ)礦條件。礦化斷層角礫巖是一種特殊類型的斷層巖，是破碎巖石與成礦流體作用的產(chǎn)物，其成巖作用常常伴隨成礦作用，構(gòu)成了金屬礦床中的一種重要類型。斷層角礫巖很好的保存了原巖的特性，是尋找熱液礦床的良好標(biāo)志。斷裂帶發(fā)育的裂隙空間為含礦元素的運(yùn)移、攜帶提供了場(chǎng)所，在交代沉淀作用下最終成礦。通過研究斷層巖的地質(zhì)特征、形成時(shí)間、形成機(jī)制，可以了解成礦作用的控制因素和過程，并可預(yù)測(cè)礦化的富集部位，對(duì)礦床類型進(jìn)行劃分、探討礦床成因模式等，推動(dòng)促進(jìn)找礦工作的開展。

4.2 磁性研究

巖石在形成過程中經(jīng)地磁場(chǎng)作用，獲得天然剩余磁性。巖石的地質(zhì)年代越久，其剩余磁性成分就會(huì)越復(fù)雜。斷層巖的磁性組構(gòu)具有記錄地質(zhì)信息的作用，能反映斷層巖的形成過程和形變情況。斷層巖的磁性研究，對(duì)斷層巖石的地質(zhì)信息有很好的了解作用，可推測(cè)斷層的許多地質(zhì)特性。

磁性組構(gòu)與巖石形變往往有密切的聯(lián)系，吳漢寧等通過研究巖石的磁性組構(gòu)特征，闡述巖石發(fā)生形變的變化情況。巖石磁性組構(gòu)在經(jīng)歷不同的地質(zhì)演變后也會(huì)發(fā)生變化，如顆粒沉積、巖漿分異結(jié)晶、構(gòu)造演化等過程中，都會(huì)產(chǎn)生特定的發(fā)育和變化規(guī)律，通過這些變化，可反演推斷出巖石所經(jīng)歷的沉積環(huán)境、巖漿動(dòng)力學(xué)狀態(tài)、構(gòu)造變形、方向等地質(zhì)信息。

通過大量的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證我們知道，位于斷層帶中心的斷層泥具有較高的磁化率，相比于其他形式的斷層巖和圍巖，斷層泥的磁化率往往是峰值，F(xiàn)ukuchi 等在對(duì)日本野島斷層泥進(jìn)行高溫摩擦實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)斷層泥在經(jīng)過高溫摩擦后，其磁化率明顯升高，依此可以對(duì)斷層熱事件區(qū)分。

5 結(jié)論

（1）斷層巖的分類方案當(dāng)前尚無統(tǒng)一的劃分方法，這是由研究內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)不同和劃分依據(jù)不同所造成。斷層巖類型的劃分，應(yīng)逐漸從單一因素向綜合分類過度，更加客觀、真實(shí)的反映斷層巖和斷層活動(dòng)演化，對(duì)于地質(zhì)工作的開展起到促進(jìn)推動(dòng)作用。

（2）斷裂帶內(nèi)對(duì)于礦產(chǎn)的預(yù)測(cè)普查，尤其是金屬礦床的探測(cè)，斷層巖起到指導(dǎo)性的作用，對(duì)斷裂帶的確定和斷層巖的性質(zhì)研究，分析利于礦床富集區(qū)段。

（3）利用巖石礦物測(cè)年的方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，斷層活動(dòng)測(cè)年也備受關(guān)注，巖石礦物同位素測(cè)年、巖石伴生形變分析，以及斷層巖磁性的新方向研究，都將推動(dòng)對(duì)于斷層活動(dòng)的深入研究和開展。

（4）地質(zhì)工作者對(duì)斷層巖的研究取得很多成果，但仍有很多亟需研究的新領(lǐng)域和方向。例如斷層巖磁化率強(qiáng)弱、演變過程來推測(cè)斷層形成年代和構(gòu)造活動(dòng)；斷層氣的成分分析，也是判斷斷層活動(dòng)的新方法。

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金課題資助（41372167）

作者簡介：張壹（1990-），江蘇連云港人，研究生，研究方向：地質(zhì)構(gòu)造。endprint