虹口八角庙-深溪沟炭质泥岩同震断层泥的X射线衍射分析结果

党嘉祥 周永胜 韩 亮 何昌荣 陈建业 党新增 杨晓松

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

虹口八角庙-深溪沟炭质泥岩同震断层泥的X射线衍射分析结果

党嘉祥 周永胜 韩 亮 何昌荣 陈建业 党新增 杨晓松

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

5.12汶川地震同震地表破裂带在虹口八角—深溪沟一带主要出露于三叠系须家河组的炭质泥岩中，同震断层泥在颜色、结构上与老断层泥和围岩类似。通过开挖探槽，系统采样，采用粉晶X射线衍射定量分析方法，研究了同震地表破裂带的围岩、断层角砾岩、老断层泥和新断层泥的矿物成分特征。同震断层泥的主要成分为石英和黏土矿物，含微量长石和白云石;断层泥的显著特征为高黏土矿物含量，从同震断层泥、老断层泥、角砾岩到围岩黏土矿物含量依次降低，黏土矿物以伊利石和伊蒙混层为主，含微量绿泥石和高岭石，矿物组成明显比地表破裂带北段同震断层泥简单。不同颜色的同震断层泥成分略有不同，黑色断层泥中伊利石含量明显高于白色断层泥;老断层泥中含有方解石和白云石，而同震断层泥不含方解石，只含微量白云石。同震断层泥中伊蒙混层高含量表明，在本次地震错动中有富含K的流体参与。

汶川地震 同震断层泥 粉晶X射线衍射定量分析 黏土矿物

0 引言

5.12汶川地震在虹口八角庙—深溪沟一带的炭质泥岩中形成明显的地表破裂带，对地表破裂的特点、同震位移等已有许多报道(Burchfiel et al.，2008;张培震，2008;Xu et al.，2008;徐锡伟等，2008;付碧宏等，2008;何宏林等，2008;Xu et al.，2009;韩亮等，2010)。同震地表破裂带在虹口一带主要沿三叠系须家河组炭质泥岩出露，由于围岩松软，形成的同震断层泥与北部相对较硬岩石形成的同震断层泥在结构和成分上(党嘉祥等，2012)有很大区别。一方面同震断层泥在颜色、结构上与老断层泥和围岩类似(韩亮等，2010)，不易区分;另一方面，同震地表破裂形成的断层陡坎容易垮塌，新鲜的同震断层泥不易保留。为了研究同震断层泥的成分特征，我们在地表破裂带取样的基础上，开挖了探槽，进行系统取样与分析。

1 样品采集与成分分析方法

八角庙和深溪沟地表破裂带均位于北川-映秀断裂南端 (图1)。结合前人研究(何宏林等，2008;王萍，2009;韩亮等，2010)，我们对北川-映秀断裂同震地表破裂带的八角庙和深溪沟基岩露头进行了详细的野外工作，由于露头地表无同震断层泥出露，因此进行了探槽观测，采集了各露头上不同类型的断层泥和构造岩进行粉晶X射线衍射研究。

图1 龙门山地表破裂带上探槽位置Fig.1 Locations of trenches in surface rupture zones of Longmenshan.

1.1 样品采集

1.1.1 八角庙地表破裂带

八角庙地表破裂带发育于须家河组炭质泥岩中，何宏林等(2008)在汶川地震之后的地震科考中对此露头的研究表明，该处由本次地震形成了高约4.6m的断层崖(NW盘抬升)，向SW方向切过河流形成跌水，在跌水的两侧出露此次地震的破裂面，出露的地层上部为近1m的河流相砾石层，下部为出露厚度接近4m的黑色含煤泥层(图2a)，破裂面产状为40°/NW∠76°，破裂面上部的擦痕(距地表2.3m以上)侧伏角为S80°W，下部的擦痕(距地表2.3m以下)侧伏角为S75°W(图2b)。由于2008年夏天的泥石流把该处的断层崖冲毁，因而本研究对该点的研究以探槽研究为主。探槽揭露的地层主要为断层上盘的泥质砂岩，发现新老断层泥各一层 (图3a，b)。按照构造岩和断层泥的颜色与结构类型采集了成分分析样品，采样位置与编号详见图3。

1.1.2 深溪沟地表破裂带

深溪沟地表破裂带位于北川-映秀断裂南端，断层上盘为元古代彭灌杂岩，下盘为三叠系须家河组炭质泥岩、页岩、泥质灰岩，地表破裂出露在须家河组炭质泥岩中。探槽中出露的断层带，上盘为角砾岩，下盘为第四纪砾石沉积，在距主滑动面40cm内，混合发育黑色和白色2种同震断层泥。按照构造岩和断层泥的类型采集了成分分析样品，采样位置与编号详见图4。

1.2 分析测试方法

图2 八角庙断层崖和破裂面(何宏林等，2008)Fig.2 Fault scarp and fault plane at Bajiaomiao(HE Hong-lin et al.，2008).

图3 八角庙探槽素描Fig.3 The trench log of Bajiaomiao.

图4 深溪沟探槽素描Fig.4 The trench log of Shenxigou.

样品分析均采用X射线衍射定量分析法，分析测试均在中国地质科学院地质研究所完成。分析仪器为日本Rigaku D/max2500转靶衍射仪，测试使用铜靶，45KV/100mA带单色器，样品准备和数据处理均按照标准SY/T 6210-1996(沉积岩中黏土矿物总量和常见非黏土矿物X射线衍射定量分析方法)进行。样品成分分析分主要造岩矿物分析和黏土矿物分析两部分进行:首先对样品进行黏土分离，计算出样品中的黏土总含量;然后对非黏土矿物和黏土矿物分别进行衍射分析。非黏土矿物直接制作薄片进行衍射分析;黏土矿物在制作自然定向片的基础上，制作了乙二醇饱和片(EG)和高温片(550℃)，碳酸盐含量较高的样品进行了盐酸处理，对3种不同的薄片进行衍射分析，最终计算得到各种矿物的含量。

2 基岩断层带组成与矿物成分

2.1 八角庙地表破裂带

根据造岩矿物与黏土矿物粉晶X射线衍射谱图 (图5a，b)，确定分析样品的矿物类型与含量(表1)。下面详细介绍各样品的成分特征:

图5 粉晶X射线衍射谱图Fig.5 X-ray powder diffraction spectra ofminerals.

(1)灰色角砾岩(BJ-1):采样部位为本次地震中抬升到地表的上盘，由泥砂岩角砾组成。X射线衍射分析表明，角砾岩成分以石英(57.6%)和黏土矿物(30.9%)为主，黏土矿物以伊蒙混层(30.6%)为主，含少量斜长石和白云石，微量绿泥石。

(2)黑色新断层泥(BJ-2):沿同震断层主滑动面分布，厚度约3cm，不含角砾，松软，为本次地震的同震断层泥。X射线衍射分析表明，其成分以石英(30.6%)和黏土矿物(65.3%)为主，黏土矿物以伊蒙混层(43.8%)和伊利石(15.0%)为主，含少量钾长石、斜长石和绿泥石。

(3)炭质泥岩(BJ-3):位于下盘，黑色，含炭。X射线衍射分析表明，其成分以白云石(42.3%)和黏土矿物(28.1%)为主，黏土矿物以伊利石(22.8%)为主，含少量石英(16.0%)、钾长石、斜长石、方解石、伊/蒙混层、绿泥石。

(4)灰黑色老断层泥(BJ-4):夹在上盘角砾岩中，厚度约2cm，含少量小块泥砂岩角砾，有一定程度压实。X射线衍射分析表明，其成分以石英(32.6%)和黏土矿物(43.3%)为主，黏土矿物以伊蒙混层(41.1%)为主，含少量斜长石、方解石、白云石、绿泥石。

根据断层岩的成分特征(图6a)，断层上下盘围岩有所不同，断层上盘泥砂岩成分以石英(57.6%)和伊蒙混层(30.6%)为主，不含伊利石;下盘炭质泥岩成分以白云石(42.3%)和伊利石(22.8%)为主，石英(16.0%)和伊/蒙混层(上盘:30.6%;下盘:2.8%)含量明显低于上盘。

图6 地表破裂带矿物成分分布图Fig.6 Mineralogical distribution on co-seismic surface rupture zones.a八角庙破裂带;b深溪沟破裂带

夹在上下盘之间的同震断层泥，以石英(30.6%)和黏土矿物(65.3%)为主，黏土矿物以伊蒙混层(43.8%)和伊利石(15.0%)为主，不含白云石和方解石;夹在上盘角砾岩中的老断层泥，以石英(32.6%)和伊蒙混层(41.1%)为主，含白云石17.5%，微量方解石，不含伊利石。

与围岩泥砂岩和炭质泥岩相比(图6a)，断层泥中黏土矿物含量显著增加，黏土矿物以伊/蒙混层为主，石英含量高于下盘炭质泥岩，低于上盘泥砂岩;同震断层泥中伊利石含量高于上盘泥砂岩，低于下盘炭质泥岩;同震断层泥中不含白云石和方解石，老断层泥中不含伊利石。

2.2 深溪沟地表破裂带

根据造岩矿物与泥土矿物粉晶X射线衍射谱图 (图5c，d)，确定分析样品的矿物类型与含量 (表2)。

下面详细介绍各样品的成分特征:

(1)黑色新断层泥(SX-1，SX-2):沿主滑动面与白色新断层泥混合发育，厚度约35cm，不含角砾，松软。X射线衍射分析表明，其成分以石英(26.2%～32.5%)和黏土矿物(61.6～65.2%)为主，黏土矿物以伊利石(19.6% ～40.0%)和伊/蒙混层(10.5% ～33.3%)为主，含少量白云石、斜长石、高岭石、绿泥石，微量钾长石。

(2)白色新断层泥(SX-3，SX-4):沿主滑动面与黑色新断层泥混合发育，厚度约5cm，不含角砾，松软。X射线衍射分析表明，其成分以石英(45.5%～48.3%)和黏土矿物(33.5%～42.7%)为主，黏土矿物以伊利石(6.0% ～11.5%)和伊/蒙混层(26.9% ～25.8%)为主，含少量白云石和斜长石，微量高岭石和绿泥石。

(3)灰白色角砾岩(SX-5):位于断层泥边缘，厚度约30cm，由灰色角砾和白色细粒基质组成，胶结不良，易碎。X射线衍射分析表明，其成分以石英(29.1%)和黏土矿物(52.8%)为主，黏土矿物为伊利石(24.8%)、伊/蒙混层(13.2%)和绿泥石(14.8%)，含少量白云石、方解石、斜长石和钾长石。

(4)灰黑色角砾岩(SX-6):位于断层上盘，由黑色角砾和灰色细粒基质组成，胶结良好。X射线衍射分析表明，其成分以石英(28.8%)和黏土矿物(54.2%)为主，黏土矿物以伊利石(30.9%)和伊/蒙混层(13.6%)为主，含少量白云石、斜长石和绿泥石。

根据断层岩的成分特征，断层岩具有分带性 (图6b)，断层最外侧断层角砾岩，含石英28.8%，伊利石 30.9%，伊/蒙混层 13.6%，白云石 10.8%，斜长石 6.2%，绿泥石 9.8%。

分布在断层泥边缘的灰白色角砾岩，含石英29.1%，伊利石24.8%，伊/蒙混层13.2%，绿泥石 14.8%，白云石 10.1%，方解石 1.1%，斜长石 6.3%，钾长石 0.6%。

沿主滑动面分布的白色和黑色2种断层泥，其主要成分为石英、伊利石和伊/蒙混层，其中，石英含量黑色(26.2% ～32.5%)低于白色(45.5% ～48.3%)，黏土矿物总量黑色(61.6% ～65.2%)高于白色(33.5% ～ 42.7%)，伊利石含量黑色(19.6% ～ 40.0%)高于白色(6.0% ～11.5%)。

与断层外侧角砾岩相比(图6b)，断层泥中黏土矿物含量显著增加，黏土矿物以伊/蒙混层和伊利石为主，石英含量高于角砾岩;断层泥和断层泥边缘局部含有微量钾长石;断层泥中均含有微量高岭石，角砾岩中不含高岭石。

3 讨论

3.1 与地表破裂带北段同震断层泥成分比较

同震断层泥颜色以黑色为主(深溪沟发育少量白色断层泥)，细粒，不含角砾，松散，孔隙发育，主要成分为石英和黏土矿物，含微量长石和白云石;断层泥的显著特征为高黏土矿物含量，高于围岩和角砾岩，黏土矿物以伊利石和伊蒙混层为主，含微量绿泥石和高岭石。

本研究中的两处地表同震破裂带均发育于炭质泥岩中，两处探槽所揭露的断层岩为断层上盘的泥砂岩，其主要成分为石英和黏土矿物，而在八角庙下盘炭质泥岩中含有约40%的白云石，及下盘围岩为白云质;这一特征与映秀-北川破裂带其他露头有所不同，其他露头上下盘围岩在露头处基本类似(党嘉祥等，2012)。两观测点的黑色同震断层泥成分接近，深溪沟断层泥中含有微量白云石和高岭石，黑色断层泥和白色断层泥相比，黑色断层泥中伊利石含量明显高于白色断层泥;同震断层泥的高黏土矿物和石英含量特征与地表破裂带北段的同震断层泥相似(党嘉祥等，2012)，但是矿物组成明显比北段简单，本处老断层泥中含有方解石和白云石，而同震断层泥不含方解石，只含微量白云石;黏土矿物中不含绿蒙混层和蒙皂石。

3.2 与其他地区同震断层泥成分比较

车轮铺断层钻探岩心研究表明，在南孔110～182m处，断层泥的主要黏土矿物成分是高岭石和伊利石，从弱变形围岩到破坏了的断层岩再到断层泥高岭石含量逐渐增加(Chen et al.，2007);在北孔223～450m和南孔122～182m处，断层泥黏土矿物主要由蒙脱石、伊利石和绿泥石组成，出现伊蒙混层，其中伊利石含量较高。Nojima断层的断层泥成分主要由沸石、菱铁矿、方解石、石英、斜长石、黑云母组成，其花岗质围岩主要成分为石英、斜长石、钾长石和云母(Lin et al.，2007)。San Andreas断层的断层泥含石英和长石总量40%～57%，其余部分由黏土矿物组成，主要黏土矿物为蒙脱石，含量30%～35%，绿泥石含量约15%，含微量伊利石(Logan et al.，1981)，仅在一个样品中有高岭石，破碎带填充物中含有沸石;Liechti等(1979)对该断层的断层泥细粒部分研究表明，黏土矿物含量约80%，黏土矿物成分以高岭石为主。

本研究中，黏土矿物主要由伊蒙混层、伊利石、绿泥石组成，这与San Andreas断层、车轮铺断层类似，但本研究的样品中高岭石含量极低，仅在个别露头的部分样品中出现微量。所有样品中均未发现沸石和蒙皂石，这与其他地震断层带中的断层泥存在差别。

3.3 断层带流体活动特征

黏土矿物含量在同震新断层泥中最高，从老断层泥、断层角砾岩到围岩，黏土矿物含量逐渐降低。黏土矿物作为断层泥的重要组成部分，其不同类型形成条件也各不相同。以往研究(Wu et al.，1975;Wu et al.，1978;Vrolijk et al.，1999;Tanaka et al.，2001)表明:绿泥石主要由黑云母、角闪石、辉石等在低温热水作用下形成;高岭石为云母、长石等在酸性流体条件下水解的最后产物;伊利石主要由长石、云母等分化而来;蒙脱石形成于富Na、Ca的碱性介质中。高岭石、蒙脱石、伊利石等黏土矿物在特定的条件下可以转化:在水的作用下蒙脱石容易转化为高岭石，但蒙脱石在100～250℃，绝大部分层间水被脱出，形成伊利石。伊利石没有层间水，因此，在潮湿的环境中可以转化为蒙脱石。

伊蒙混层为伊利石和蒙皂石相互转化的中间态，伊蒙混层根据膨胀层含量的不同分为3种类型(周张健，1994):1)100%～50%，R0型无序结构;2)50%～35%，R1型无序到有序的中间状态;3)35%～0%:R2型有序结构。流体和温度是影响其转化的关键因素(Buatier et al.，1992;Pollastro，1993;Hashimoto et al.，2007)，随着温度升高蒙皂石向伊利石转化，含钾流体是蒙脱石向伊利石转化的必要条件，富含Ca、Mg的流体将阻碍蒙皂石向伊利石的转化，同样动力学也是影响该转化的关键因素(黄思静，1990;Velde et al.，1992;Pusch et al.，1996;Hashimoto et al.，2007)。

八角庙和深溪沟同震断层泥中黏土矿物以伊蒙混层为主，与围岩中的伊蒙混层均为R2型，但膨胀层含量断层泥高于围岩，我们认为在本次地震错动中由于富含K的流体的参与，使得蒙皂石转化为伊蒙混层。此外，各露头断层岩和断层泥中均含伊利石和绿泥石，深溪沟露头含有微量高岭石，我们认为这些均为围岩矿物在低温热液作用下形成的。

4 结论

(1)同震断层泥在颜色、结构上与老断层泥和围岩类似;X粉晶衍射定量分析显示，同震新断层泥在主要造岩矿物和黏土矿物类型方面与老断层泥类似，但含量有所差别。这表明，同震新断层泥是在老断层泥基础上发育而成。

(2)断层泥主要造岩矿物成分取决于围岩与角砾岩成分，以石英为主，含微量长石、方解石、白云石;从围岩、角砾岩、老断层泥到新断层泥，主要造岩矿物含量逐渐降低，黏土矿物含量增加。

(3)新断层泥黏土矿物成分在各露头有所不同，但黏土矿物含量显著高于老断层泥和断层角砾岩，同震断层泥中均含伊利石、伊蒙混层、绿泥石，深溪沟断层泥中含微量高岭石。黏土矿物成分主要由伊蒙混层、伊利石、绿泥石组成，不含蒙皂石，表明本次地震错动中有富K流体的参与;这与San Andreas断层、车轮铺断层类似，但本研究中，黏土矿物显著特点是高岭石含量极少，只有深溪沟含有微量。

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X-RAY DIFFRACTION ANALYSIS RESULT OF CO-SEISM IC FAULT GOUGE IN CARBON MUDSTONE AT OUTCROPS OF BAJIAOM IAO AND SHENXIGOU IN HONGKOU

DANG Jia-xiang ZHOU Yong-sheng HAN Liang HE Chang-rong CHEN Jian-ye DANG Xin-zeng YANG Xiao-song
(State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

The co-seismic surface ruptures of the May 12，2008 Wenchuan earthquake in Bajiaomiao and Shengxigou were developed mainly at the outcrops of carbon mudstones of Xujiahe formation of Triassic system.The black color and textures of co-seismic gouge are similar to old gouge and bed rock.We excavated trenches along the surface ruptures and collected samples of wall rock，fault breccia，old fault gouge and co-seismic gouge.All samples were analyzed quantitatively by X-ray diffraction.The main rock-formingminerals and clay minerals of co-seismic gouge are similar to old gouge，but their content is different，which shows the co-seismic gouge was formed based on old gouge.

The wall rock and fault breccias adjacent to co-seismic gouge are carbonmudstones.Themineral composition and texture of the fault zone are obviously simpler than thatof the northern partof the surface ruptures of Yinxiu-Beichuan Fault.The major minerals of co-seismic gouge are quartz and clay minerals，containing a few amountof feldspar，without calcite;a small amountof dolomite was found in co-seismic gouge at Shenxigou，and the content of dolomite ismuch lower than that in bed rock and old gouge.Themarked character of new gouge is abundant in clay minerals，and the content of clay minerals decreases in turn from co-seismic gouge to old fault gouge，fault breccia and wall rock.The main clayminerals are illite and illite/smectite(I/S)mixed layer，containing a few amount of chlorite;a few kaolinite was found in co-seismic gouge of Shenxigou，the bed rock and gouge of Bjiaomiao did not contain kaolinite.Mineral characters of co-seismic gouge are different from old gouge.The old gouge contains calcite and dolomite，and the co-seismic gouge contains a few amount of dolomite and without calcite;the old gouge does not contain illite.However，for co-seismic gouge，mineral characters are different between black and white gouges，the content of illite in black gouge is higher than that in white gouge.

In this study，themain clayminerals are I/Smixed layer，illite and chlorite，which is similarwith San Andreas Fault and Chelunpu Fault.However，kaolinite content is extremely low in this fault，only trace kaolinite was found in the co-seismic gouge of Shenxigou.The high content of I/S in co-seismic gouge shows that the rich K+fluid participated in the seismic fault slip.All of these characters show thatminerals of co-seismic fault gouge in this study are somewhat different with that of San Andreas Fault and Chelunpu Fault.

Wenchuan earthquake，co-seismic gouge，X-ray diffraction quantitative analysis，clay mineral

P315.2

A

0253-4967(2012)01-0017-11

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.003

2011-08-25收稿，2011-12-11改回。

国家自然科学基金(40972146)与中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA0906)共同资助。

党嘉祥，男，1981年生，2007年毕业于中国地震局地质研究所，获得硕士学位，主要从事岩石流变实验研究，电话:010-62009030，E-mail:dangjiaxiang@ies.ac.cn。