龙门山断裂脆塑性转化带内花岗岩的流体特征与裂缝愈合的实验模拟研究

【摘要】：汶川Mw7.9级大地震的发震断层具有高角度逆冲滑动特征。通过对高角度逆断层滑动的力学条件的分析表明，龙门山断裂深部可能存在高孔隙流体压力有利于断层的失稳滑动。利用现有的技术手段无法获得中地壳深度断层内的流体特征。龙门山断裂带是一条逆冲推覆的的构造带，这使得地质历史早期的龙门山断裂深部的彭灌杂岩体抬升到地表，并保留了当时的深部流体特征和变形特征。研究地表露头的变形花岗岩能够推断过去的龙门山地区的深部环境，从而了解过去该地区的深部强震孕育机理，这能够帮助理解现今龙门山地区类似汶川地震的强震的发生机理。 通过对汶川地震地表破裂带地质调查，在映秀-北川断裂南段和中段出露的韧性剪切带内采集了变形花岗岩样品，开展了石英的变形组构研究，确定断层脆塑性转化带岩石的变形温度，估算塑性流动应力。利用傅里叶变换红外吸收光谱仪(FTIR)，研究变形花岗岩中主要矿物的微量水的赋存类型、含量和分布；利用显微冷热台和激光拉曼探针，测试了石英中的流体包裹体的成分、冰点和均一温度，估算了深部流体的捕获深度和孔隙流体压力。在考虑存在流体压力的情况下，初步建立了龙门山地区地壳流变结构，并讨论了高孔隙流体压力对断层滑动的影响。采用Carrara大理岩，在熔融盐固体介质三轴高温高压实验系统中开展断层带微裂缝愈合的模拟实验，研究了动态重结晶作用、水和应变对方解石裂隙愈合的影响。结合野外样品研究结果和大理岩微裂隙愈合的模拟实验，讨论了脆塑性转化带内石英的动态重结晶作用对断层带内裂缝的愈合的影响。 研究结果表明，映秀-北川断裂深部存在非均匀塑性流动，韧性剪切带中石英和长石以中温位错蠕变为主，变形的温度约400-500℃，流动应力约15-80MPa。断层核部的石英因动态重结晶而强烈细粒化，其变形机制转变为扩散蠕变。石英和长石内的微量水以晶体缺陷水、颗粒边界水和流体包裹体水的型式存在，其中石英的水含量约0.001wt%-0.031wt%，长石的水含量约0.004wt%-0.103wt%，水含量随岩石的应变增加而升高，表明断层带中心流体含量相对较高，流体对断层带内的岩石变形和断层滑动具有弱化作用。 根据石英中的NaCl-H2O体系的流体包裹体研究，得到包裹体水的捕获温度约330-350℃，流体压力约110-420Mpa，这种流体可能形成于接近18-19km深度。由此估计的深部断层带内的流体压力系数约为0.15-0.9，局部存在接近静岩压力的高压流体。基于不同流体压力系数建立的龙门山地区地壳流变结构显示，高压流体能够显著弱化断层强度，增加脆塑性转化带深度，导致在静水压条件下处于脆塑性转化带顶部的断层，在高压流体作用下能够发生脆性滑动。 Carrara大理岩微裂隙愈合实验表明，在室温和高应变速率下样品脆性破裂产生微裂隙，在高温和低应变速率条件下通过方解石的动态重结晶作用而愈合，水和大应变能够促进微裂缝愈合。动态重结晶作用引起裂隙愈合的机制，在映秀-北川断裂南段的韧性剪切带中也存在，表明这可能是脆塑性转化域内断层裂隙愈合的主要机制之一。这种愈合作用有利于断层带内高压流体的形成。