龍門山斷裂脆塑性轉化帶內花崗巖的流體特征與裂縫愈合的實驗模擬研究

韓 亮

（中國地震局地質研究所，北京100029）

（作者電子信箱，韓亮：hanliangla＠163.com）

汶川MW7.9級大地震的發震斷層具有高角度逆沖滑動特征。通過對高角度逆斷層滑動的力學條件的分析表明，龍門山斷裂深部可能存在高孔隙流體壓力有利于斷層的失穩滑動。利用現有的技術手段無法獲得中地殼深度斷層內的流體特征。龍門山斷裂帶是一條逆沖推覆的構造帶，這使得地質歷史早期的龍門山斷裂深部的彭灌雜巖體抬升到地表，并保留了當時的深部流體特征和變形特征。研究地表露頭的變形花崗巖能夠推斷過去的龍門山地區的深部環境，從而了解過去該地區的深部強震孕育機理，這能夠幫助理解現今龍門山地區類似汶川地震的強震的發生機理。

通過對汶川地震地表破裂帶地質調查，在映秀—北川斷裂南段和中段出露的韌性剪切帶內采集了變形花崗巖樣品，開展了石英的變形組構研究，確定斷層脆塑性轉化帶巖石的變形溫度，估算塑性流動應力。利用傅里葉變換紅外吸收光譜儀（FTIR），研究變形花崗巖中主要礦物的微量水的賦存類型、含量和分布；利用顯微冷熱臺和激光拉曼探針，測試了石英中的流體包裹體的成分、冰點和均一溫度，估算了深部流體的捕獲深度和孔隙流體壓力。在考慮存在流體壓力的情況下，初步建立了龍門山地區地殼流變結構，并討論了高孔隙流體壓力對斷層滑動的影響。采用Carrara大理巖，在熔融鹽固體介質三軸高溫高壓實驗系統中開展斷層帶微裂縫愈合的模擬實驗，研究了動態重結晶作用、水和應變對方解石裂隙愈合的影響。結合野外樣品研究結果和大理巖微裂隙愈合的模擬實驗，討論了脆塑性轉化帶內石英的動態重結晶作用對斷層帶內裂縫的愈合的影響。

研究結果表明，映秀—北川斷裂深部存在非均勻塑性流動，韌性剪切帶中石英和長石以中溫位錯蠕變為主，變形的溫度約400～500℃，流動應力約15～80MPa。斷層核部的石英因動態重結晶而強烈細?；?，其變形機制轉變為擴散蠕變。石英和長石內的微量水以晶體缺陷水、顆粒邊界水和流體包裹體水的型式存在，其中石英的水含量約0.001 wt%～0.031 wt%，長石的水含量約0.004wt%～0.103wt%，水含量隨巖石的應變增加而升高，表明斷層帶中心流體含量相對較高，流體對斷層帶內的巖石變形和斷層滑動具有弱化作用。

根據石英中的NaCl－H2O 體系的流體包裹體研究，得到包裹體水的捕獲溫度約330～350℃，流體壓力約110～420 Mpa，這種流體可能形成于接近18～19km 深度。由此估計的深部斷層帶內的流體壓力系數約為0.15～0.9，局部存在接近靜巖壓力的高壓流體?；诓煌黧w壓力系數建立的龍門山地區地殼流變結構顯示，高壓流體能夠顯著弱化斷層強度，增加脆塑性轉化帶深度，導致在靜水壓條件下處于脆塑性轉化帶頂部的斷層，在高壓流體作用下能夠發生脆性滑動。

Carrara大理巖微裂隙愈合實驗表明，在室溫和高應變速率下樣品脆性破裂產生微裂隙，在高溫和低應變速率條件下通過方解石的動態重結晶作用而愈合，水和大應變能夠促進微裂縫愈合。動態重結晶作用引起裂隙愈合的機制，在映秀—北川斷裂南段的韌性剪切帶中也存在，表明這可能是脆塑性轉化域內斷層裂隙愈合的主要機制之一。這種愈合作用有利于斷層帶內高壓流體的形成。