汶川地震断裂作用研究新认识

2008年汶川地震后,人们不得不思考问题是:大地震是如何发生的?下一次大地震什么时候发生?也就是涉及地质学家和地球物理学家一直未解决的科学问题:断层是如何破裂的?震后断裂是如何愈合的?我们试图通过对汶川地震断裂带结构、断裂摩擦行为和断裂愈合过程的研究来回答这些问题。本文将介绍通过对地表露头和汶川地震断裂科学钻探一号孔(WFSD)岩心中汶川地震主滑移带的详细研究,以及钻孔中长期温度监测来分析有关汶川地震断裂动态弱化和摩擦行为,并结合钻孔中长期水文监测计算所得断裂带渗透率变化,分析震后断裂愈合过程,进而探讨和认识汶川地震断裂作用所涉及的上述问题。经过详细研究,确定了汶川地震断裂带(映秀—北川断裂带)宽105~240 m、具有五个不同断裂岩组合的内部结构,是一条经常发生大地震、具多种弱化机制的断裂带;发现了汶川地震不仅具有同震石墨化作用,而且测量到目前世界上最低的动态摩擦系数(≤0.02),同时首次记录到大地震后断裂快速愈合信息。这些研究结果不仅直接回答了一直困扰在地震地质和地震物理学领域几十年的关键问题,而且对完善地震断裂理论和认识汶川地震机制具有极其重要的意义,为防震减灾提供了理论依据。     

西藏雅鲁藏布江缝合带西段东波蛇绿岩的构造背景特征

西藏东波蛇绿岩位于雅鲁藏布江缝合带西段,由地幔橄榄岩、辉石岩和辉长岩等组成。地幔橄榄岩主要为方辉橄榄岩、纯橄岩和少量二辉橄榄岩。岩体的边界出露玄武岩和硅质岩等。地幔橄榄岩中有少量辉石岩和辉长岩的脉岩,宽约1 m,走向北西,与岩体的构造线方向基本一致。各岩相岩石地球化学研究结果表明,东波蛇绿岩的岩相存在较大的差异,玄武岩具有与洋岛玄武岩(OIB)相似的地球化学特征,而地幔橄榄岩中辉石岩、辉长岩脉与洋中脊玄武岩(MORB)相似,形成于洋中脊环境,并受后期俯冲流体作用的改造。东波岩体中二辉橄榄岩具有与深海地幔橄榄岩较一致的轻稀土亏损特征,而方辉橄榄岩和纯橄岩的地球化学特征显示出岩体形成于MOR环境,后受到SSZ环境的改造。东波蛇绿岩的岩石地球化学特征显示其洋中脊叠加洋岛的构造背景。     

地表探槽断裂岩岩石磁学揭示汶川地震断裂带不同滑移机制

岩石磁学能揭示岩石的磁性矿物组合,通过断裂岩不同的磁性矿物组合可揭示地震过程中磁性矿物变化、地震摩擦温度及地震滑移机制等基础地震地质问题。2008年Mw 7.9级汶川地震使两条断裂带同时发生地表破裂,包括映秀-北川和灌县-安县断裂地表破裂带,破裂带上地震断裂岩为岩石磁学提供了大量的研究对象。本研究主要以汶川地震地表破裂带上两个探槽内断裂岩为对象,包括映秀-北川地表破裂带上的八角庙探槽和灌县-安县地表破裂带上的九龙探槽,结合目前已发表的地表及WFSD-1孔的研究成果,从岩石磁学角度探讨汶川地震断裂带经历的地震滑移机制:1综合映秀-北川地震断裂带上八角庙探槽和其它位置的断裂岩岩石磁学研究,结果显示该地震断裂带附近断层泥的高磁化率源于新生的亚铁磁性矿物,如磁铁矿和磁赤铁矿等,故映秀-北川地震断裂曾经历高温快速热增压地震滑移机制;2灌县-安县地震断裂带上九龙探槽内断层泥略低的平均磁化率源于其铁的硫化物含量比断层角砾及侏罗纪砂岩多,铁的硫化物可能源于地震过程或断裂岩抬升到地表后的地表作用,如果断层泥中铁的硫化物多含量源于地震过程,则灌县-安县地震断裂带曾经历低温慢速机械润滑地震滑移机制;3两条断裂经历的不同地震滑移机制可能受控于断裂深部结构,如断层产状,映秀-北川地震断裂带的陡倾角易产生高温快速地震滑移,而灌县-安县地震断裂带的缓倾角更易产生低温慢速地震滑移。     

柴北缘斜长角闪岩的地球化学特征及其构造背景

分布在柴北缘超高压变质带中的斜长角闪岩主要有两种类型,一种由榴辉岩退变而成,一种只经历角闪岩相变质作用。它们的原岩属于拉斑玄武质岩石,轻稀土富集,Nd同位素组成亏损,这些玄武岩浆分别来自不同的地幔源区,地壳混染不明显,形成的环境可能为大陆裂谷或初始洋盆,这可能是柴北缘早古生代洋盆打开的前兆。随着早古生代洋盆的关闭,这些基性火成岩部分经历了超高压变质作用,即发生了深俯冲,部分只经历角闪岩相变质。无论哪种情况,它们在遭受变质作用之前,就与陆壳岩石共生在一起,支持柴北缘榴辉岩、斜长角闪岩与片麻岩的关系为原地关系(in situ)?     

柴达木盆地北缘新元古代蛇绿岩的厘定--罗迪尼亚大陆裂解的证据?

柴达木盆地北缘鱼卡河及绿梁山一带"奥陶纪"滩涧山群中分出-套"新元古代"的蛇绿岩组合,主要由玄武质(枕状)熔岩、岩墙群、辉长岩等古洋壳岩石组成,其中以MORB和岛弧玄武岩为主,岩石变质程度达角闪岩相.蛇绿岩洋壳的Rb-Sr同位素等时线年龄值为768Ma±39Ma,Sm-Nd同位素等时线年龄值780Ma±22Ma.这套古洋壳岩石与典型的奥陶纪(约500Ma)火山岩不同,后者主要为中基性岛弧火山岩,岩石仅发生轻微绿片岩相变质;而前者与榴辉岩的成分可以对比,并且与榴辉岩原岩的时代(75～800Ma)相同.推断绿梁山的海底玄武质岩类可能就是榴辉岩的原岩,祁连地区新元古代蛇绿岩洋盆是在罗迪尼亚大陆大约800～750Ma发生裂解的基础上形成的.     

东海地区高压-超高压变质带中变质橄榄岩及其原岩和成因类型的判别——以PP1孔和PP3孔为例

本文在总结全球地幔橄榄岩岩石学和地球化学特征的基础上,首次提出了一个用于判别HPUHP变质带中变质橄榄岩原岩及其成因类型的判别图解。该图主要由镁铁总量MgO+（%）和一个参数m+f/si比值构成。另用Al2O3和CaO分别与MgO+（%）制成两个辅助图解,以示方辉橄榄岩和二辉橄榄岩之间在Al2O3和CaO含量上的分界。通过原岩判别结果和研究表明,PP3孔和PP1孔两者在变质组合、原岩成因类型、地球化学和变质条件方面存在一系列的重大差异。分别代表来自两种极端的地球化学类型和两种不同大地构造环境的UHP变质体。PP3钻孔以Ol+Gt+Cpx+Opx+Sp为变质矿物共生组合的含石榴石纯橄岩,其原岩系来自地幔残余成因的方辉橄榄岩遭受UHP变质作用的产物,它以成分高度均一,富Mg（Mg’=92）,极端亏损不相容元素REE（∑REE<1×10-6可称为超亏损型）为特征。在变质相中仍保留原岩的残余矿物铬尖晶石（Sp）,其成分显示蛇绿岩地幔橄榄岩的成分趋势。并出现以Gt和Sp共存相为特征的变质相。据实验结果（klemme,2004）表明该共存相的稳定域的PT条件CrSp可达7Gpa,T1400℃,即形成于200km的地幔深度。综合研究显示该孔变质橄榄岩原岩（方辉橄榄岩）具有大洋岩石圈地幔残余成因的某些印记,而不是同深度原生地幔岩相转变的产物。PP1孔变质橄榄岩是由无水矿物相（Ol+Opx+Cpx+Gt）+含水矿物相（Phl±Chu）组成的石榴石橄榄岩杂岩,其原岩来自两种不同成因的超镁铁岩系列：一为具地幔成因的方辉橄榄岩二辉橄榄岩系列（可能相当于地幔楔中的Al型橄榄岩）,另一部分（少数）来自具岩浆成因的超镁铁岩系列（纯橄岩—异剥橄榄岩—辉石岩组合,可能相当于A2型橄榄岩）。该套变质橄榄岩,以成分高度不均一,极端富集REE（∑REE平均>20×10-6可称为超富集型）和大离子亲石元素（K、Ba、Rb）为特征。这种异常现象并不反映其原岩原有的地球化学特征,它可能是由于在俯冲过程中受到陆壳物质的污染,或壳幔相互作用所致。据该孔变质相中缺乏Sp相,而以Gt为标志的变质相的事实,推断其形成的压力条件应>7Gpa, 即形成的深度应大于200km。上述研究表明在苏鲁UHP变质带中,不仅有来自大陆地幔楔中的地幔残余的UHP变质体,而且首次提出有可能来自大陆俯冲前锋具大洋岩石圈地幔性质的（蛇绿岩型地幔残片）变质体存在,这对揭示该区UHP变质带的形成和演化过程提供了新的信息。     

东海地区高压-超高压变质带中变质橄榄岩及其原岩和成因类型的判别——以PP1孔和PP3孔为例

本文在总结全球地幔橄榄岩岩石学和地球化学特征的基础上,首次提出了一个用于判别HP-UHP变质带中变质橄榄岩原岩及其成因类型的判别图解.该图主要由镁铁总量MgO+(%)和一个参数m+f/si比值构成.另用Al2O3和CaO分别与MgO+(%)制成两个辅助图解,以示方辉橄榄岩和二辉橄榄岩之间在Al2O3和CaO含量上的分界.通过原岩判别结果和研究表明,PP3孔和PP1孔两者在变质组合、原岩成因类型、地球化学和变质条件方面存在一系列的重大差异.分别代表来自两种极端的地球化学类型和两种不同大地构造环境的UHP变质体.PP3钻孔以Ol+Gt+Cpx+Opx+Sp为变质矿物共生组合的含石榴石纯橄岩,其原岩系来自地幔残余成因的方辉橄榄岩遭受UHP变质作用的产物,它以成分高度均一,富Mg(Mg'=92),极端亏损不相容元素REE(∑REE<1×10-6可称为超亏损型)为特征.在变质相中仍保留原岩的残余矿物铬尖晶石(Sp),其成分显示蛇绿岩地幔橄榄岩的成分趋势.并出现以Gt和Sp共存相为特征的变质相.据实验结果(klemme,2004)表明该共存相的稳定域的P-T条件Cr-Sp可达7Gpa,T1400℃,即形成于200km的地幔深度.综合研究显示该孔变质橄榄岩原岩(方辉橄榄岩)具有大洋岩石圈地幔残余成因的某些印记,而不是同深度原生地幔岩相转变的产物.PP1孔变质橄榄岩是由无水矿物相(Ol+Opx+Cpx+Gt)+含水矿物相(Phl±Chu)组成的石榴石橄榄岩杂岩,其原岩来自两种不同成因的超镁铁岩系列:一为具地幔成因的方辉橄榄岩-二辉橄榄岩系列(可能相当于地幔楔中的Al型橄榄岩),另一部分(少数)来自具岩浆成因的超镁铁岩系列(纯橄岩-异剥橄榄岩-辉石岩组合,可能相当于A2型橄榄岩).该套变质橄榄岩,以成分高度不均一,极端富集REE(∑REE平均>20×10-6可称为超富集型)和大离子亲石元素(K、Ba、Rb)为特征.这种异常现象并不反映其原岩原有的地球化学特征,它可能是由于在俯冲过程中受到陆壳物质的污染,或壳-幔相互作用所致.据该孔变质相中缺乏Sp相,而以Gt为标志的变质相的事实,推断其形成的压力条件应>7Gpa, 即形成的深度应大于200km.上述研究表明在苏鲁UHP变质带中,不仅有来自大陆地幔楔中的地幔残余的UHP变质体,而且首次提出有可能来自大陆俯冲前锋具大洋岩石圈地幔性质的(蛇绿岩型地幔残片)变质体存在,这对揭示该区UHP变质带的形成和演化过程提供了新的信息.     

再探青藏高原十大关键地学科学问题——《地质学报》百年华诞纪念

本文重新审视了青藏高原的关键科学问题,为解决板块构造理论的"登陆"难题提供新的线索,为理解板块汇聚边界的大陆岩石圈演化及其能源资源、地质灾害和全球环境效应提供新的思路.本文探讨了青藏高原如下十大关键地学问题:①印度大陆北漂模型;②印度-亚洲初始碰撞时限;③青藏高原的古特提斯造山作用;④古近纪喜马拉雅造山带的地壳缩短;⑤...     

走滑断裂、"挤压性盆-山构造"与油气资源关系的探讨

了解含油气盆地的形成及其演化的影响因素对于含油气盆地的勘探和开发是至关重要的．以美国西部的圣安德烈斯断裂带及伴生的南加州油气盆地作为参考,对中国青藏高原北部与阿尔金走滑断裂系相关的盆-山构造进行了剖析．探讨阿尔金走滑断裂系在其演化过程中,怎样控制区域应力场、变形构造及盆地的形成,进而制约油气的迁移和圈闭．分析结果表明与圣安德烈斯断裂带在美国南加州的盆-山构造体系所起的作用相比较,阿尔金走滑断裂系在青藏高原北部的盆-山构造体系的形成和演化中起相似的作用．青藏高原相对于塔里木盆地的斜向运动导致在阿尔金走滑断裂的东南形成走滑-挤压构造域．形成一系列的走滑和推覆构造,在地形上表现为包括柴达木盆地在内的有序的盆-山相间的构造体系,与南加州富含油气的盆地相似,阿尔金走滑断裂及相配套的走滑-逆冲推覆构造促使在这些盆地中形成富集油气的构造。     

断裂熔融作用中单质铁的形成及其指示的孕震环境

目前缺乏来自于地震断裂带的假玄武玻璃的原始特征研究,制约着我们对地震孕震环境和地震发生机制的认识。本文以龙门山断裂带汶川科钻2号钻孔岩心的碎裂岩及花岗闪长岩为研究对象,通过氩气环境下的高温加热实验(最高温度达1750℃)、显微结构观察、地球化学分析和岩石磁学测试,探讨断裂熔融作用中单质铁的形成及其指示意义。花岗闪长岩和碎裂岩在1100℃时发生部分熔融作用,形成了非晶质和微晶;在≥1300℃时形成了大量单质铁组成的微球粒,可能是含铁矿物发生了以碳物质为还原剂的高温还原反应。高温实验后样品的磁化率值高于碎裂岩的磁化率值,新生成的磁铁矿是≤1100℃的样品高磁化率值的主要原因;熔融作用中形成的单质铁和少量的磁铁矿是≥1300℃样品高磁化率值的重要原因。结合前人对于快速摩擦实验熔体、地幔物质及陨石的研究,我们认为粘土矿物、硅酸盐矿物含量较多的断层泥在同震滑移中因热增压机制很难形成单质铁;而花岗岩、安山岩、辉长岩、闪长岩等岩浆岩和糜棱岩在流体作用弱和硫化物含量低的环境中易在大地震中形成单质铁。龙门山断裂带的假玄武玻璃的熔融温度≥1300℃,硫元素含量较低并发现有过剩铁元素。因此,表明龙门山断裂带的假玄武玻璃中可能形成了单质铁,其和磁铁矿是假玄武玻璃高磁化率值异常的重要原因,并指示了深部流体作用弱、硫化物含量低、还原性的孕震环境。