断层岩的研究现状及发展概况

张壹　吴诗勇

摘 要：断层岩作为一种特殊的地质岩体，是断层活动的产物，在岩石学、构造地质和断层活动的研究，以及工程地质应用方面，发挥着重要的作用。断裂带内断层岩的研究主要从显微观方面，断层岩的磁性、矿物组成、常微量元素等特性的探讨，结合不同时期地质学家和学者对断层岩类型划分情况，准确的反映断层性质、运移过程、温度压力发展演化，为断层岩在地质学科的研究及工程建设发展提供更多的依据。

关键词：断层岩；类型划分；找矿；磁性研究

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

0 引言

断层破坏岩石的完整性，使岩体发生破碎形成破裂带，在后期复杂的地质构造演变中，形成不同形态、结构的岩石类型。断层岩作为断层的直接产物，分为以脆性为主的碎裂岩系列和韧性伴生的糜棱岩系列[1、2]，断层岩记录了断层活动的发展过程，是断层存在的良好标志，也为地质岩性的研究提供可靠的地质信息。

断层岩和断层在地质领域是重要的地质现象与产物，断层岩控制着岩体的稳定性和结构完整性。断层岩分布带是地质活动活跃的区域，常发生重大的地质灾害，尤其是地震，我国作为一个多地震的国家，断裂带发育广泛，例如龙门山断裂、郯庐断裂、新疆富蕴断裂带及汾渭断裂带等，这些断层岩发育的断裂带是地震频繁发生的地区。

1 断层岩研究

断层岩作为断层活动形成的岩类，它的形成具有特定的地质条件，主要为动力变质和热力变质作用的结果，研究断层岩是探讨断层活动方式、破裂摩擦机制及类型划分情况的一条主要途径，区域地质构造运动特性能够从断层岩的结构特征直接反映。

断层岩数量相对较少，但在地壳范围内分布却甚为广泛，与众多的地质活动都有密切的联系。对断层岩研究最早具有文献记载的是英国 Lapworth，在1885年他把苏格兰西北部 Moine逆冲断层中所观察到的断层岩称为糜棱岩。直到20世纪末，对于断层岩成因问题都是模糊的定论，Water 和Campbell等定义为碎裂岩，王嘉荫称其为碎裂变质岩，孙岩和韩克从命名为构造岩等。1977年，R.H.Sibson等[3]提出“断层岩”一词，才对断层岩有了一个较为准确合理的解释，之后提出断层双层模式，认为断层的上部主要是脆性断层岩为主，形成碎裂岩，随着深度的增加和压力的升高，下部逐渐变为以韧性断层岩为主，形成糜棱岩。在1981年，我国召开的第一届显微构造会议以及1984年召开的第二届显微构造与组构讨论会议上，都有关于断层岩的文章，之后国内外关于断层岩的文章发表数量不断上升。

2 类型划分

在断层岩的划分上不同学者和专家根据不同的分类依据提出过不同的分类方案。Kahraman 和Alber将断层岩分为6种类型：断层碎裂岩、断层岩、碎裂断层角砾岩、断层泥、断层角砾岩和糜棱岩。Zeck根据变形作用和重结晶作用的相互关系，把断层岩划分为三大类：无重结晶作用的碎裂岩、同构造重结晶糜棱变晶岩和构造后重结晶作用变晶碎裂岩。夏宗国等[4]在对于前人断层岩的划分上作出总结，提出对于断层岩划分时应注意的几个方面：断层岩形成过程中的主导作用、原岩粒化程度以及其粘合能力，据此特性，断层岩划分为无原岩粘合力和有原岩粘合力两种断层岩，断层岩和断层泥属于前者，有原岩粘合力的断层岩又可根据其形成作用划分为碎裂作用、重结晶-新生矿化作用和熔化作用三种断层岩。

众多的分类中，R.H.Sibson的断层岩分类方案受到普遍的认同，根据断层岩的结构特性，分为没有线理、面理结构的碎裂岩系和有线理、面理结构的糜棱岩系，从固结程度划分为固结和非固结两个断层岩系列。从断层岩的形成机制来看，碎裂岩系形成于岩石“弹性-摩擦”条件下，属于脆性破裂。糜棱岩系主要发育于“准塑性”环境中，岩石在重结晶和压溶作用下，发生晶体的蠕变。

断层岩的分类在岩石划分上始终是多元化的，很难有统一的分类方案。研究者的侧重点不同，研究方向和方法各异，决定了对于断层岩划分标准的不一致。在划分类型时，对于岩石的成分、结构、构造及变形特征等能客观反映；其次是岩石的成因，形成时的各种构造地质条件能合理反映；断层所经历的构造变动、断层活动能真实的指示作用[5]。

3 研究方法

地质学者和专家在断层岩的研究上采取了多种方法，从宏微观的不同形态入手，对断层岩的形成组分、结构构造、粒径分析、矿物特性及常微量元素等方面进行了大量研究。

德国的Alber 和土耳其的Kahraman对断层角砾岩的单轴抗压强度、弹性模量、体积块比例、横轴波速等一系列的参数进行简单和多元回归分析，通过多重回归模型分析断层角砾岩的特性；Kahraman在对米塞斯断层角砾岩的地质力学性能进行评价时利用人工神经网络；N.Slatalla通过声发射响应测试，追溯断层带内岩石的性质；Burgl开发了一个名为矿物学和结构指数的指数（MSI），它是使用平均加权维氏硬度，纹理系数和薄片系数矩阵，发现弱碎裂断层岩主应力之间的良好的相关性。Howarth和Rowlands 通过角砾岩的薄片分析，得到研究角砾岩图像模型的数据。林爱民在对断层泥中石英颗粒的电子自旋共振信号强度进行测试实验中，测得了断层的活动年代。同样的工作，张宇、潘金花、刘畅等[6]也对断层泥中石英成分进行了ESR测年实验，并确定了大泉断裂开始活动的时间。

国外地质学者在对断层带研究中，对包裹体温度测试获取断裂构造带内流体运移的可靠信息，对断裂构造环境的成因研究、演变形式以及构造活动都有指导作用。对断层形成时代的确定上断层岩也有着重要作用，主要是利用断层岩矿物中同位素测年，常用的是绢云母中40Ar-39Ar测年法和Rb-Sr等时线法。除常规同位素测年方法外，离子探针和激光探针测年技术也得到广泛应用，准确性更高。田上高広、渡边裕美子等[7]在断层碎裂带的研究中发现，随着断层滑动摩擦断层带内断层粘土的厚度会不断加厚，粘土粒子也会变小，根据粘土带厚度的发展和形成来推断断层的形成年代和演化趋势。孙岩等[8]采用SEM、TEM、AEM方法，把对断层岩的研究从微观深入到超微观等级。endprint

断层岩的组成成分研究，主要集中在粘土矿物方面，其中对于断层泥中的粘土矿物类型和含量最为着重，为研究断层泥的抗剪强度和判断其膨胀性质提供参考数据。断层泥的研究方法得到更新，先进电子设备的采用，如电子显微镜、偏光显微镜以及X射线衍射分析，新方法的应用，使得对断层岩以及断层泥的研究更加详细又具有准确性和说明性。在对淮南舜耕山断层岩研究中，杨为民等[9]对其显微构造和超显微构造进行定向薄片分析，从中得出了断层岩形成时的形变方式、古应力及温度，进而推测出了该断层所经历的变形作用和运移形态。史兰斌、林传勇等在对康定-磨西断裂带进行研究时，利用热释光法和电子自旋共振法对断层泥作了年龄测定，分析得出断层的最后一次强烈活动发生在晚更新世末至全新世初。

4 发展应用

4.1 矿床探测

随着地质勘探的发展与深入研究，表明断层岩在对矿产的探明与预测有着重要的作用。断层岩对于金属矿产和非金属矿产的探寻在国内外都有很大的应用。

我国著名的郯庐断裂带就是一个内生金属矿床带，发育了一系列的金、银、铜、铁等金属矿床，通过对断裂带内的断层泥和断层角砾岩的岩性、组分研究分析，对断裂带内寻找金属矿床具有指导作用。熊耳山地区，上世纪80年代初开始发现断层岩型金矿床；太行山断裂带区域，根据断层岩的预测，发现了大量的多金属成矿带的存在。在美洲版块的太平洋沿岸，存在许多区域性大型线状断裂带，在这些断裂带内发育大量的角砾岩筒形斑岩铜矿床。

断层岩是理想的运矿构造，有较好的储矿条件。矿化断层角砾岩是一种特殊类型的断层岩，是破碎岩石与成矿流体作用的产物，其成岩作用常常伴随成矿作用，构成了金属矿床中的一种重要类型。断层角砾岩很好的保存了原岩的特性，是寻找热液矿床的良好标志。断裂带发育的裂隙空间为含矿元素的运移、携带提供了场所，在交代沉淀作用下最终成矿。通过研究断层岩的地质特征、形成时间、形成机制，可以了解成矿作用的控制因素和过程，并可预测矿化的富集部位，对矿床类型进行划分、探讨矿床成因模式等，推动促进找矿工作的开展。

4.2 磁性研究

岩石在形成过程中经地磁场作用，获得天然剩余磁性。岩石的地质年代越久，其剩余磁性成分就会越复杂。断层岩的磁性组构具有记录地质信息的作用，能反映断层岩的形成过程和形变情况。断层岩的磁性研究，对断层岩石的地质信息有很好的了解作用，可推测断层的许多地质特性。

磁性组构与岩石形变往往有密切的联系，吴汉宁等通过研究岩石的磁性组构特征，阐述岩石发生形变的变化情况。岩石磁性组构在经历不同的地质演变后也会发生变化，如颗粒沉积、岩浆分异结晶、构造演化等过程中，都会产生特定的发育和变化规律，通过这些变化，可反演推断出岩石所经历的沉积环境、岩浆动力学状态、构造变形、方向等地质信息。

通过大量的实验和验证我们知道，位于断层带中心的断层泥具有较高的磁化率，相比于其他形式的断层岩和围岩，断层泥的磁化率往往是峰值，Fukuchi 等在对日本野岛断层泥进行高温摩擦实验时，发现断层泥在经过高温摩擦后，其磁化率明显升高，依此可以对断层热事件区分。

5 结论

（1）断层岩的分类方案当前尚无统一的划分方法，这是由研究内容的侧重点不同和划分依据不同所造成。断层岩类型的划分，应逐渐从单一因素向综合分类过度，更加客观、真实的反映断层岩和断层活动演化，对于地质工作的开展起到促进推动作用。

（2）断裂带内对于矿产的预测普查，尤其是金属矿床的探测，断层岩起到指导性的作用，对断裂带的确定和断层岩的性质研究，分析利于矿床富集区段。

（3）利用岩石矿物测年的方法已经广泛应用，并取得了实质性的进展，断层活动测年也备受关注，岩石矿物同位素测年、岩石伴生形变分析，以及断层岩磁性的新方向研究，都将推动对于断层活动的深入研究和开展。

（4）地质工作者对断层岩的研究取得很多成果，但仍有很多亟需研究的新领域和方向。例如断层岩磁化率强弱、演变过程来推测断层形成年代和构造活动；断层气的成分分析，也是判断断层活动的新方法。

参考文献：

[1]郭进京，韩文峰，王志强等.西秦岭北缘断裂带漳县-车厂断层的结构及构造演化[J].地球学报，2013，34（02）：154-1623.

[2]罗胜元，何生，王浩.断层内部结构及其对封闭性的影响[J].地球科学进展，2012，27（02）：154-164.

[3]杨涛，王江强，金海强.断层岩磁学研究及其意义[J].地球物理学进展，2011，26（03）：876-884.

[4]夏宗国.断层岩的分类、识别及其形成条件[J].地质评论，1983，29（06）：578-583.

[5]李少游.一个断层岩分类的新方案[J].桂林冶金地质学院学报，1986，6（03）：247-253.

[6]张宇，潘金花，刘畅等.新甘交界北山区大泉断裂走滑特征及ESR测年证据[J].北京大学学报（自然科学版），2009，45（01）：71-79.

[7]田上高広，渡邊裕美子，板谷徹丸.地震断层的年代学：最新进展与今后展望[J].世界地震译从，2011（01）：70-76.

[8]孙岩，陆现彩，舒良树等.剪切滑动带断层岩中超微结构的实例观测和研究展望[J].自然科学进展，2005，15（01）：15-21.

[9]杨为民.舜耕山断层的显微构造特征及其意义[J].淮南矿业学院学报，1993，13（03）：22-28.

基金项目：国家自然科学基金课题资助（41372167）

作者简介：张壹（1990-），江苏连云港人，研究生，研究方向：地质构造。endprint