剪切作用下断层泥的SEM显微结构特征研究

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1、177一182．2011地质学刊第35卷第2期doi：10．3969／j．issn．1674-3636．2011．02．177剪切作用下断层泥的SEM显微结构特征研究郝全明，白豹，孙晶。周连春(内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古包头014010)摘要：在模拟断层泥的摩擦实验基础上，对辉长岩的2种主要组成矿物斜长石和辉石实验后的标本进行了SEM显微结构的观察与分析，以期从实验室角度去理解下地壳断层活动的性质和特点。斜长石模拟断层泥剪切带中边界剪切面、R．和y剪切面比较发育，P、R：和x剪切面不发育；辉石剪切带中仅边界剪切面与置面较为发育。然而，2种主要矿物究竟如何影响辉长岩滑动特性的问题

2、，仍有待进一步深入研究。关键词：摩擦实验；剪切带；斜长石；辉石；显微结构中图分类号．TGl4文献标识码：A文章编号：1674—3636(2011)02—0177—060引言模拟断层泥的摩擦实验对断层带的力学性质及变形组构，尤其是断层带上是否可能产生地震成核具有重要意义。在力学实验的基础上观测断层物质的显微结构，可以确定相应的变形机制，对实验变形组构的显微观测意义不只限于对实验变形机制的解释，它对进一步理解野外断层物质变形组构的形成具有重要的约束意义。过去的微观结构研究主要以室温下黏土的剪切变形实验和高温高压中上地壳长英质岩石及其他物质成分的断层泥模拟实验为主(Byerleeetal，1

3、978；Bartlettetal，1981)，这些研究获得了剪切变形微观结构特征及变形机制方面的重要认识，为研究天然断裂带的运动学性质及动力学演化提供了素材。为了探索下地壳的摩擦强度及地震成核的可能性，何昌荣等(2004)、王泽利等(2004)以辉长岩为例对下地壳中的基性岩石进行了大量摩擦实验研究，并用这些结果分析了下地壳的成震成因，论证了地震发生的可能性。在此基础之上，罗丽等(2009)在热水条件下，对辉长岩的2种主要组成矿物斜长石和辉石开展了断层泥的摩擦滑动研究，获得了摩擦的速率依赖陛和强度的基本参数。笔者着重从微观方面对模拟断层泥的变形组构和形成机理进行研究，阐述利用先进的SEM

4、电子像对热水条件下经剪切作用的斜长石和辉石2种不同成分的模拟断层泥的观察与分析结果，以期进一步探索控制辉长岩滑动稳定性的矿物成分，及从实验角度了解地壳深部实际断层带的变形机制和形成特征。1实验方法该课题的前期实验是在中国地震局地质研究所构造物理实验室的气体介质高温高压三轴实验系统上进行的。该系统的压力均匀，位移与温度精度高，适用于岩石摩擦的速率依赖性研究。围压设计可达500MPa，轴向加载由数字液压伺服机控制，设计轴压可达100t。温度用YAMATAKEDCP30型控温仪，通过可控硅调节加温炉的功率来控制，设计最高温度为700℃。实验所用的围岩样品使用采自内蒙古丰镇的辉长岩，圆柱状(图

5、1)，长40mm，直径20ram。中问有预先切好的模拟断层面，断层面与样品中心轴的夹角为35。，并于实验前在上、下断层面之间加入1mm厚的矿物粉末来模拟断层泥。矿物样品从采自四川攀枝花的辉长岩中分选。矿物粉末通过手工粉碎，然后用200目筛进行粒度控制。整个样品、碳化钨以及刚玉柱都封装在退火的、壁厚为0．35ram的铜管中，在铜管和加热炉之间的空隙中填充氮化硼粉末，用于传热并阻止气体对流，使样品的上、下温度收稿日期：2011—03—01；编辑：侯鹏飞作者简介：郝全明(1957一)，男，教授，硕士生导师，采矿专业，E-mail：ji．ss980@163．com地质学州2011年6月～Ⅱ热氯

6、化期断《锇热lU偶＆扎隙水日道毹化鸭锏滤州Ⅲ*样-k碳化鹤№HⅫ￡烯嶝科珉图1气体圄压三轴实验系统装样示意图保持均匀。为了消除高雎气体对流引起的轴向温度不均匀，实验采用两段炉体分别加温的方式，以便根据对流的强弱没定上、下曲段炉体的加温比例。6300C以下样品中部与两端的温差控制在小于14℃的范围内。通过在中心孔中插入热电偶来测量样品温度，铡温点控制精度为±1ac。轴向变形由液压伺服机制来控制，以设定实验所需的变形速率。实验中轴压按设定变形速率加载。为了测定摩擦的速率依赖性，采用了在l_221xm／s和0122p．m／s之问切换的变速率实验方法。2剪切断层泥的SEM显微观测结果在摩擦力学

7、实验之后，考虑到岩石材料不导电的特性，为了达到理想的观测效果，先对不同温度下2种成分的剪切断层泥薄片做了喷碳处理，随后通过扫描电子显微镜对薄片进行了观测，分析了几组较为典型的样品图片。简单剪切滑动带内出现的常见的断裂形式也称为Riedel剪切结构(Riedel，1929)，它是简单剪切断层带中早期阶段形成的断裂结构组合。剪切带内出现的各种裂隙形式如图2所示，其中R．和R：代表一组共轭的Riedel剪切面，它们属于库仑剪}刀破裂(Haoscn，1