斷層泥粒度特征及其與物理力學參數關系初探

張 海 峰

(甘肅省建筑設計研究院，甘肅 蘭州 730030)

斷層泥粒度特征及其與物理力學參數關系初探

張 海 峰

(甘肅省建筑設計研究院，甘肅 蘭州 730030)

斷層泥是斷層活動的產物，為研究斷層的形成及環境演變提供了豐富的信息。通過統計已有斷層泥粒度，并按沉積物粒度分析的經典方法繪制概率曲線，計算粒度參數，結果表明：平均粒徑MZ、分維值D和物理力學參數之間都有良好的相關關系。從而反映出斷層泥是斷層多期次性活動的產物，不同的斷層活動形式和不同程度的水巖相互作用產生不同性質和粒度的斷層泥。

斷層泥，中位值，平均粒徑，眾數

1 概述

斷層泥是斷層反復運動時，兩盤巖石錯動—破碎—研磨而形成的含有一定粘土礦物的斷層巖，該過程記錄了斷層活動的多種信息，特定的斷層活動必然具有特定的斷層泥粒度特征及其組合。因此，研究斷層泥的特征與成因具有重要的地質意義。斷層泥在斷層活動中不斷地受到機械破碎、剪切研磨和擠壓等作用，其物理、力學性質必將會發生一定程度的變化，而這些變化會在粒度參數上有所體現。因此，根據斷層泥的粒度參數及組合特征，可以分析斷層泥的成因，進而獲悉斷層運動方式、過程等重要的環境信息。鑒于此，許多學者對斷層泥的諸多方面進行了研究：斷層泥的裂變徑跡法測斷層活動年代[1]；斷層泥組構特征(特征礦物)[2,3]、石英顆粒微形貌特征[4,5]、石英碎粒表面SEM特征、摩擦強度[6]以及斷層顆粒的分形特征與斷層活動方式、期次和活動年代的關系等等。此外，斷層泥粒度的研究也比較多，自Sammis1987年將分形理論應用到斷層泥研究領域后，中國不少學者將分形理論應用到斷層泥粒度分維上。前人對斷層泥粒度的研究在不斷完善，但都未從粒度本質上系統地揭示斷層的活動性以及和物理力學性質的關系，本文通過搜集大量資料，應用沉積學分析方法全面探討斷層泥粒度、粒度參數及其兩者之間，以及和物理力學參數的關系，進而解釋斷層的活動性。

2 斷層泥粒度特征

文獻[4]中所述均是控制性斷裂帶，比較具有代表性，因此從中選取了71個樣品進行計算、分析。本文選取其中最具代表性的粒度參數來說明斷層泥的粒度分布。

2.1斷層泥粒度參數特征

2.1.1數據和計算公式的選取

圖解法是根據繪制出的布曲線圖，在圖中讀出代表性的粒徑值，然后根據選定的參數公式進行計算。計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，MZ為平均粒徑；S0為分選系數；σ1為標準偏差；SK1為偏度；Kg為峰度(尖度)；Md為中位數值；M0為眾數；Q1為累計曲線上累計百分含量為75%的顆粒；Q3為累計曲線上累計百分含量為25%的顆粒。

2.1.2粒度參數

1)Md,MZ,M0。

Md，MZ，M0可以反映斷層泥粒度分布的規律，反映了斷層活動的動能趨勢。從圖1中MZ的分布可以看出，75%的樣品粒徑主要集中在0.005 mm～0.075 mm范圍，邵順妹、鄒謹敞認為，斷層帶要產生斷層泥需同時具有蠕滑和粘滑兩個特征，驗證了不同構造期次的斷層帶是兩種滑動形式的組合。根據三個粒度參數值不完全相同，表明斷層泥的粒度不遵從正態分布。

2)標準偏差σ1、偏度SK1和峰度Kg。

表1 標準偏差、偏度和峰度分級

根據表1，標準偏差小于0.8的占53%，表明斷層泥的分選性較好；偏度均大于0.01，表明斷層泥粗細顆粒分布均勻性較差；偏度均值0.76，表明斷層泥的顆粒組成當中，以細顆粒為主。

峰度值及其變化與物質來源、環境、外來物的加入和沉積區的改造能力密切相關。峰度值極尖窄(>1.11)的部分占68%，表明斷層具有較強的改造能力。

2.2斷層泥粒度參數之間的關系

斷層泥粒度參數σ1和M0,MZ之間具有線性相關，M0,MZ和σ1呈正相關。根據圖2所示，D和MZ呈負相關，和S0呈正相關。同時從分維值D的大小可以看出，78%的樣品的D值介于2.5～2.9。這也說明斷層泥的形成是由斷裂構造運動在高頻剪切變形與低頻剪切變形反復運動后形成的產物。

3 斷層泥粒度與物理力學參數

本文選取的一些斷層泥的物理力學參數見表2,圖3，對斷層泥粒度和物理力學參數之間進行嘗試性探討。

斷層活動的劇烈程度與斷層泥粒度的分布密切相關，斷層泥的粒度分布又決定了斷層泥的物理力學性質。簡言之，斷層活動方式決定了斷層泥粒度的特征。

4 結語

根據斷層泥粒度參數分析，75%的樣品粒徑大小集中在0.005 mm～0.075 mm，具有蠕滑和粘滑兩個斷層特征，斷層泥的粒度不遵從正態分布。計算標準偏差、偏度和峰度的結果顯示，斷層泥的分選性較好，顆粒組成當中，以細顆粒為主，表明斷層具有較強的改造能力。斷層泥粒度參數σ1和M0,MZ之間具有的線性相關，眾數M0和平均粒徑MZ和標準偏差σ1呈正相關。斷層泥粒度和物理力學參數之間相關性顯著。

[1] 張 峰，王世杰.長江三峽壩區斷層泥的裂變徑跡法年齡[J].地質科學，2001，36(1):101-106.

[2] 張秉良，向宏發，虢順民，等.六盤山東麓斷裂斷層泥的組構特征及其意義[J].地震地質，2000，22(1):47-52.

[3] 胡道功,吳樹仁,殷秀蘭.仙女山斷裂帶斷層泥分維值與斷裂活動關系[J].地球學報，1999，20(2)：137-141.

[4] 邵順妹，鄒謹敞.西秦嶺北緣斷裂帶和海原斷裂帶斷層泥粒度分布和分形研究[J].內陸地震，2000，14(1)：30-31.

[5] 諶文武.斷層巖的工程性質與環境效應[D].蘭州:蘭州大學，2004.

[6] 易順民，唐輝明.斷層泥粒度成分的分形研究[J].地震地質，1995，17(2):185-191.

Grainsizecharacteristicsoffaultgougeanditsrelationwithphysicalandmechanicalparameters

ZhangHaifeng

(GansuArchitecturalDesignandResearchInstitute,Lanzhou730030,China)

Fault gouge is the product of fault activity and provides abundant information for the study of fault formation and environmental evolution. According to the statistical existing fault gouge size, the classical method and according to the analysis of sediment grain size probability curve drawing, calculation of grain size parameters, the results show that the average particle size ofMZ, the fractal dimension value betweenDand physical mechanical parameters have good correlation. It shows that fault gouge is the product of multiple stages of fault activity. Different fault activity forms and different degrees of water rock interaction produce fault gouge with different properties and sizes.

fault gouge, median, average particle size, mode

1009-6825(2017)28-0062-02

2017-07-23

張海峰(1981- )，男，工程師

P694

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