Journal of Structural Geology:断层岩微结构分析及摩擦实验揭示海原断裂老虎山段蠕滑机制

海原断裂是青藏高原东北缘一条主要的活动断裂,上世纪20年代发生了两次大地震(1920年M ~8.5海原地震和1927年M ~8.0-8.3古浪地震),在两次地震地表破裂带之间存在约260公里未破裂段,且在过去几个世纪无M 7.0以上地震记录,被称为地震空区(天祝空区),包含冷龙岭断裂、金强河断裂、毛毛山断裂和老虎山断裂西段。基于形变观测和小震活动性分析,发现位于1920年海原地震同震地表破裂最西段与天祝空区之间的老虎山断裂存在长约35km的浅层蠕滑,但蠕滑背后的物理机制并不清楚,缺乏直接的地质标志和岩石力学实验证据。

针对上述问题,中国地震局地质研究所周永胜研究员团队的马玺副研究员、周永胜研究员、党嘉祥副研究员、张雷副研究员、何昌荣研究员等对整个老虎山断裂及1920年海原地震同震地表破裂西段开展了详细的野外地质调查,并采集了典型的断层岩样品。在对断层岩进行详细的矿物组成及微观结构分析基础上,选取天然断层泥开展了摩擦滑动实验,得到了如下几方面认识:

1. 在老虎山蠕滑段,断裂带由较宽的破碎带与多个含断层泥的局部滑动带组成;而在天祝空区老虎山西段,断层破裂带内不存在含断层泥的局部滑动带(图1)。断层岩富含黏土矿物,特别是断层泥中黏土矿物的含量高达53 wt%(图1);且断层泥中黏土矿物含量与老虎山断裂蠕滑速率呈正相关(图3b)。高蠕滑速率段的主要黏土矿物为蒙脱石、伊利石、绿泥石;而老虎山断裂西段和1920年海原地震同震地表破裂最西段的主要黏土矿物为伊利石、伊利石/蒙脱石层、绿泥石,不含蒙脱石(图1)。

2. 在高分辨率扫描电镜下分析了断层岩的微观结构,分析结果表明,断层泥普遍发育良好的黏土矿物叶理,具有膝折、褶皱、形态优选方位等特征(图2a-2b);破裂带中的断层岩发育被碳酸盐脉体愈合的裂缝、以及在流体参与下的石英和长石溶解与沉淀等特征(图2c-2d)。

3. 采用取自老虎山断裂局部化滑动带中的天然断层泥,在气体介质三轴高温高压岩石力学实验系统上开展了断层摩擦实验,实验结果表明,富含黏土矿物的断层泥摩擦强度较低,为0.46-0.58,且随黏土总量的增加呈下降趋势(图3c);基于速度-状态摩擦本构方程,分析了富含断层泥的滑动稳定性,在常温至200 ℃温度范围内(约相当于0-8 km)均表现为速度强化(摩擦强度随速度增加而增大),且速度依赖性(a-b值)与黏土总量呈正相关(图3d),表明老虎山断裂带中富含黏土矿物的断层泥具有典型的稳定滑动特征,即蠕滑特征。实验样品的微观结构演变表现为断层主要沿着黏土矿物富集层发生摩擦滑动,逐渐发育成良好的黏土叶理结构(图2e-2f),这是断层蠕滑的典型结构。力学数据和微观结构演化均表明老虎山断裂带中富含黏土矿物的断层泥表现为稳定的蠕滑行为。

4. 基于断层岩成分、变形微观结构与高温高压摩擦实验,建立了老虎山断裂带浅层蠕滑的地质和岩石力学模型(图4)。认为断层泥中的黏土矿物(具有高含量、叶理结构、低摩擦系数、稳定滑动等特征)控制了老虎山断层浅层蠕滑。


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1 海原断裂老虎山段地质图及断层岩的矿物组成:断层岩和局部滑动带中的断层泥的黏土矿物含量高达53 wt%


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2 天然断层岩(a-d)及摩擦实验样品(e-f)在扫描电镜下的的微观结构照片:黏土矿物发育叶理(a,b,e,f)、造岩矿物石英和长石发育压溶(c)、碳酸岩脉体愈合裂缝(d)


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3 黏土总量与蠕滑速率及摩擦性质的关系:断层蠕滑速率高其黏土矿物总量高(b),摩擦系数随黏土矿物含量增加而降低(c), 

在实验温压范围内富含黏土矿物的断层泥都具有速度强化型稳滑特征(d)


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4 海原断裂老虎山段浅层蠕滑的地质与岩石力学模型:断层泥富含黏土矿物及其叶理化、黏土矿物具有低摩擦系数与速度强化型稳定滑动是老虎山断裂浅层蠕滑的物理机制。


该项研究成果由中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1813)和国家自然科学基金(41804168)共同资助,发表于国际期刊Journal of Structural Geology:

Xi Ma*, Yongsheng Zhou*, Jiaxiang Dang, Lei Zhang, Changrong He. Mineralogical and frictional properties of fault rocks from the Laohushan creep segment of the Haiyuan fault, Northeastern Tibet. Journal of Structural Geology, 2024, 178: 105017.


原文链接:https://doi.org/10.1016/j.jsg.2023.105017