大陆地壳具有明显分层的力学性质, 随着深度(温度和压力)增加, 岩石从脆性破裂向塑性流动转化, 这种转化对发震机制和过程的研究具有重要意义(Tse et al., 1986; Li et al., 1987; Scholz, 1988; 周永胜等, 2000)。 上地壳的变形以摩擦和碎裂过程等脆性变形为主导, 而在温度较高的中、 下地壳中, 发生部分熔融和深熔作用之前, 热相关的位错蠕变被认为是主要的变形特征(Brace et al., 1980)。 上地壳断层带的岩石摩擦强度随围压(深度)的增加而增加, 直至温度达到阈值触发位错蠕变。 在较高的温度下, 晶体塑性变形机制占主导地位。 石英在约300℃时出现塑性流变, 而斜长石在450℃时出现塑性流变(Nevitt et al., 2017), 温度升高使得深部富含长石的地壳强度变弱。 在断层摩擦强度和岩石塑性流变强度包络线的交点处, 2种变形机制均为主导, 这确定了地壳的最大强度和临界应力的深度和温度(Sibson, 1983; Regenauer-Lieb et al., 2008)。 这种从摩擦或碎裂到位错蠕变的变形机制转化称为脆-塑性转化(brittle-plastic transition), 即脆性(破裂、 碎裂或摩擦)向晶体塑性变形的转化。 脆-塑性转化带被认为是确定大陆地壳地震带深度下限的关键层位。

影响地壳岩石脆-塑性转化的因素主要包括地温梯度、 应变速率、 矿物学、 结构构造、 断层定向以及流体等(Sibson, 1983; Tullis et al., 1992; Kohlstedt et al., 1995; Monté si et al., 2002; Gueydan et al., 2004; Holyoke et al., 2006; Chernak et al., 2009; Ikari et al., 2011)。 在空间上, 温度是控制脆-塑性转化深度的主要因素, 而在与时间相关的地震周期的不同阶段, 断层脆-塑性转化带的变形机制通常受应变速率和流体控制(Trepmann et al., 2003, 2007, 2013, 2017)。 应变速率和流体对地壳脆-塑性转化机制的影响在3个阶段中体现, 分别是间震期、 同震加载和震后松弛阶段(图1)。 间震期时, 地壳所受的应力处于相对较低的水平, 应变速率为比较低的正常区域背景值, 由于塑性变形对裂隙和孔隙的愈合作用, 在断层脆-塑性转化带存在较高的流体压力背景, 斜长石发生水解反应, 生成石英与含水的环状或层状硅酸盐矿物, 形成反应弱化, 石英、 云母等矿物以动态重结晶等塑性变形为主(图1, 间震期)。 同震加载阶段, 地壳所受应力较大, 应变速率最高, 在此阶段会发生高速摩擦滑动, 并伴有较大的应力降, 流体压力也随之而降低, 地壳脆-塑性转化带表现为脆性破裂, 可能出现摩擦熔融引起的假玄岩(图1, 同震加载)。 震后松弛阶段, 地壳所受的应力逐渐降低, 由于应变速率较高, 该阶段斜长石发生碎裂, 石英发生动态重结晶和静态重结晶, 愈合了同震裂隙, 流体压力逐渐增加, 钾长石沉淀于白云母和石英条带构成的叶理之间(Wintsch et al., 2013)(图1, 震后松弛)。

图 1

Fig. 1

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	图 1 地震周期各阶段石英的变形机制、 应力和流体压力随时间变化模型(Trepmann et al., 2003)Fig. 1 The model of deformation mechanism, stress and fluid pressure change with time in an earthquake cycle(after Trepmann et al., 2003).

红河断裂中的糜棱岩和碎裂岩为研究地震周期不同阶段的断层脆-塑性转化带变形提供了条件。 前人根据大量年龄数据, 确定出该区域地块3个阶段的冷却历史(Wintsch et al., 2013; Cao et al., 2016)。 24M aBP之前, 糜棱岩经历了400~700℃的高温变形, 在24~5M aBP的地质时期中, 温度(深度)的变化范围并不大, 约250~350℃, 而在5M aBP后快速抬升出露于地表。 Wintsch等(2013)将整个红河断裂脆-塑性转化带的变形分为5个阶段: 1)花岗岩叶理化与反应蠕变; 2)岩石碎裂; 3)反应蠕变与糜棱岩化; 4)破裂、 裂隙及脉体愈合裂隙和反应硬化; 5)溶解-沉淀蠕变。 其中, 阶段2— 5发生在250~350℃的温度范围内, 在温度(深度)变化不大的条件下发生过多次塑性变形-脆性变形转化, 表明脆-塑性转化变形并非由温度变化所引起, 而是由应变速率变化与流体引起的(周永胜等, 2014)。 这种脆-塑性转化被认为与地震循环过程中的断层活动相关(Trepmann et al., 2003, 2007, 2013, 2017; 周永胜等, 2014; Nevitt et al., 2017), 其中, 阶段2被认为是断层脆-塑性转化带在同震阶段的变形, 阶段4可能与同震和震后松弛阶段变形相关(Wintsch et al., 2013)。

在前人关于红河断裂脆-塑性转化带在间震期和同震阶段的变形特征研究(Wintsch et al., 2013)的基础上, 本文结合同震和震后松弛阶段的实验与矿物变形机制研究(Trepmann et al., 2003, 2007, 2013, 2017), 对红河断裂带的糜棱岩和碎裂岩开展了微观结构和变形机制研究, 以确定其在震后松弛阶段的变形特征与变形机制。

样品采集自云南红河断裂带中部的元江— 墨江剖面, 研究样品属于点苍山— 哀牢山变质杂岩中的韧性剪切带, 为在细粒糜棱岩-眼球状糜棱岩基础上发育的碎裂岩(图2)。 本研究对其中的3块碎裂岩样品(Y11-2A、 Y11-2B、 Y11-1D)(图3)的变形特征与变形机制进行了研究。

图 2

Fig. 2

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	图 2 研究样品的野外露头照片Fig. 2 The image of samples collected in the field.

图 3

Fig. 3

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	图 3 碎裂岩样品的手标本照片 a、 c 样品Y11-2A; b 样品Y11-2B; d 样品Y11-1DFig. 3 The images of cataclasitc specimen.

利用偏光显微镜与扫描电镜和能谱, 系统观测了碎裂岩中主要矿物的形态、 微观变形特征、 矿物水-岩反应、 压溶、 出溶、 裂隙充填及脉体的成分与变形特征; 利用电子背散射衍射(EBSD)分析了主要矿物的晶轴定向与组构特征。 在EBSD分析中, 坐标系选择拉伸线理方向为X轴方向, 即石英-云母条带方向为X轴方向, 面理方向为XY面方向。 分析参数为加速电压20keV、 束电流10~20nA和光栅尺寸15~20nm。 对3个碎裂岩样品的5个探针片中石英的{100}{001}{2-10}面、 长石的< 100> < 001> 方向以及{010}面、 云母的< 100> < 001> 方向以及{010}面、 方解石的{0001}{11-20}{10-10}{10-11}面、 角闪石的< 100> < 010> 方向以及{001}面的晶轴定向进行了分析。

(1)在偏光显微镜下, Y11-2A样品中似斑状结构发育, 并发育有条带状的方解石脉(图4a— c), 斑晶多为长石颗粒和被蚀变的角闪石颗粒(图4d)。 斑晶中的长石颗粒多呈自形或半自形, 颗粒边缘不规则, 普遍发育裂纹, 裂隙被方解石脉充填(图4d)。 斑晶中的角闪石颗粒多呈自形或半自形, 颗粒内部有明显的穿晶裂纹。 基质主要成分为细粒长石、 石英以及少量云母和角闪石。 细粒长石和石英具有波状消光, 定向拉长显示出塑性流动的特点(图4b, c)。 方解石以2种脉体形式充填裂隙, 其中, 第一种方解石脉体以细粒集合体为主, 构成条带状, 切穿整个碎裂岩样品, 方解石具有显著的塑性流动特征(图4a), 推测为震后松弛阶段产生的裂隙被方解石愈合, 之后方解石发生了塑性变形; 第二种方解石脉体以半自形或它形大颗粒集合体为主, 没有任何变形特征(图4b, c), 为含碳酸盐的流体在裂隙中沉淀、 方解石在裂隙中缓慢生长的产物, 根据其形态和相互交切关系确定为后期裂缝愈合阶段的产物。

图 4

Fig. 4

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	图 4 样品Y11-2A正交偏光下的矿物组合及微观结构特征 Qtz 石英; Fsp长石; Am角闪石; Cal方解石。a 塑性变形的石英裂隙中充填细粒集合体的方解石脉体, 方解石具有塑性流动特征; b、 c 半自形、 它形大颗粒方解石充填于塑性变形的石英裂隙中, 方解石无明显变形; d 方解石充填在被压碎的长石裂隙中Fig. 4 The microstructure of sample Y11-2A under crossed polarizers.

在扫描电镜下可以观察到长石斑晶具有压碎的裂纹(图5a— c), 斑晶长石的矿物组合与成分变化十分复杂, 整体为长石假形, 裂隙被石英和方解石脉充填(图5c), 基质的长石或石英颗粒间隙生长有它形的方解石, 斜长石出溶钠长石(图5d), 局部被富含镁铁的流体交代生成角闪石(图5a)。 这些特点说明岩石在碎裂过程中伴随流体作用, 发生了化学元素的迁移与沉淀。

图 5

Fig. 5

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	图 5 样品Y11-2A在扫描电镜下的矿物组合及微观结构特征 Qtz 石英; Fsp 长石; Ab 钠长石; Kfs 钾长石; Am 角闪石; Cal 方解石。 a 长石中具明显的压碎裂纹; b 大颗粒方解石充填裂隙; c 长石假形被方解石充填; d 斜长石出溶钾长石Fig. 5 The microstructure of sample Y11-2A under SEM.

(2)Y11-2B样品在显微镜下可以观察到典型的碎裂结构, 裂纹贯穿长石颗粒(图6a, d), 长石的裂隙中充填了次生石英和云母(图6a, c), 显示长石发生了水解反应, 生成了石英与黑云母。 石英多为重结晶颗粒, 边界膨凸重结晶(图6b), 表明石英发生了低温位错蠕变。

图 6

Fig. 6

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	图 6 样品Y11-2B正交偏光下的矿物组合及微观结构特征 Qtz 石英; Fsp 长石。 a、 d 碎裂结构, 石英颗粒被定向拉长; b 重结晶石英颗粒; c 长石颗粒被压碎发育裂纹后被石英充填Fig. 6 The microstructure of sample Y11-2B under crossed polarizers.

扫描电镜下可见钠长石和钾长石互相交代(图7b, d), 钾长石中发育星状或乳滴状的钠长石(图7a), 石英呈条带状分布(图7b, c)。 长石边缘有云母和石英的集合体(图7b, c), 表明长石发生了水解反应, 而斜长石中有钠长石出溶。

图 7

Fig. 7

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	图 7 样品Y11-2B在扫描电镜下的矿物组合及微观结构特征 Qtz 石英; Ab 钠长石; Kfs 钾长石; Bt 黑云母。a 钾长石中的钠长石; b、 c、 d 长石碎裂结构, 石英呈条带分布, 长石水解Fig. 7 The microstructure of sample Y11-2B under SEM.

(3)在偏光显微镜下观察样品Y11-1D, 发现长石和石英普遍发育微破裂。 长石具有定向排列的特点(图8a, b), 长石边缘出现膨凸重结晶。 石英颗粒分为2种, 第一种的粒度与长石颗粒相近, 具有拉长定向特征, 呈现波状消光(图8a), 该类为碎裂岩破碎之前糜棱岩中的石英; 第二种粒度较小, 分布在长石和石英颗粒的裂隙中或矿物颗粒之间, 呈蠕虫状或乳滴状, 边缘弯曲不平直, 具有静态重结晶的特点(图8b), 表明其为岩石碎裂后在裂隙中重结晶而形成的。 这2种石英代表了2个世代石英的变形, 第一世代为碎裂岩母体糜棱岩中的塑性变形石英, 第二世代为碎裂岩形成裂隙后在流体作用下重结晶产生的石英, 并且愈合了裂隙。 在扫描电镜下观察, 发现乳滴状钾长石分布在钠长石颗粒之中, 为钠长石被钾长石交代 (图9a, b), 同时也观测到斜长石中有钠长石出溶。

图 8

Fig. 8

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	图 8 样品Y11-1D正交偏光下的矿物组合及微观结构特征 Qtz 石英; Fsp 长石Fig. 8 The microstructure of sample Y11-1D under crossed polarizers.

图 9

Fig. 9

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	图 9 样品Y11-1D在扫描电镜下的矿物组合及微观结构特征 Qtz 石英; Ab 钠长石; Kfs 钾长石; Bt 黑云母。 a、 b 斜长石出溶钾长石与钠长石Fig. 9 The microstructure of sample Y11-1D under SEM.

温度由低到高或应变速率由高到低, 石英占主导地位的滑移系依次为底面、 菱面和柱面, 在高温环境下, 随着差应力的升高, 滑移系依次为底面< a> 、 菱面< a> 、 柱面< a> 、 柱面< c> (Schmid et al., 1986; 嵇少丞, 1988; Toy et al., 2008; 夏浩然等, 2011)。 在石英韧性变形过程中, 中低温(250~350℃)条件下主要通过底面(0001)< 1120> 位错滑移系蠕变, 中温(350~450℃)条件下主要通过柱面(1010)< 1210> 位错滑移系蠕变, 中高温(450~550℃)条件下主要通过柱面(1010)< 0001> 位错滑移系蠕变(Schmid et al., 1986; 嵇少丞, 1988; Heidelbach et al., 2000; Toy et al., 2008; Á balos et al., 2011)。 利用石英< c> 轴极图可分析晶体内部的滑移系, 从而判断其变形温度。 本次分析的5个探针片中的石英都以石英< c> 轴近南北集密为主, 基本属于底面< a> 滑移, 具有中低温(250~350℃)变形特征。

Wintsch等(2013)对红河断裂脆-塑性转化带变形进行了分析, 给出了3种类型的间震期塑性变形和2种类型的同震变形。 Cao等(2017)对红河断裂的间震期的缓慢塑性变形与糜棱岩化以及流体作用下的反应软化与结构软化进行了深入研究。 Trepmann等(2017)对震后松弛阶段岩石中石英的晶轴定向进行了分析, 认为碎裂岩中的第一世代石英颗粒具有定向特点, 但裂隙中重结晶的第二世代石英并无定向。

本研究对红河断裂带糜棱岩中的碎裂岩样品的分析结果表明, 碎裂岩代表了震后松弛阶段的变形。 碎裂岩样品中的变形以脆性变形与塑性变形共同发展为特征, 具体表现为长石等矿物的脆性碎裂、 斜长石的出溶与钾长石的沉淀。 石英颗粒分为2个世代, 第一世代石英为母岩中的石英, 其颗粒粒度与长石颗粒相近, 形态与长石颗粒类似, 呈现波状消光, EBSD分析表明其具有低温塑性变形特征; 第二世代石英为岩石碎裂后在裂隙愈合机制下重结晶而形成的, 这一世代石英颗粒粒度较小, 分布在长石颗粒的裂隙中或矿物颗粒之间, 呈蠕虫状或乳滴状, 边缘弯曲不平直, 具有静态重结晶的特点。 方解石等矿物沉淀后呈脉状产出且后期经历塑性变形。

Wintsch等(2013)给出了红河断裂脆-塑性转化带在间震期塑性变形和同震变形的特征, 但没有给出震后松弛阶段的变形情况。 基于Trepmann等(2017)对震后松弛阶段的变形研究, 我们确定了红河断裂脆-塑性转化带在震后松弛阶段的变形特征与变形机制。

根据Wintsch等(2013)和Trepmann等(2003, 2007, 2013, 2017)的研究结果, 结合本研究, 我们把震后松弛阶段的变形模式概括为: 同震和震后松弛阶段的高应力和高应变速率导致岩石中长石等高强度矿物发生脆性碎裂, 在流体作用下, 裂隙被石英和方解石等矿物充填而渐渐愈合, 随着裂隙愈合和应力积累, 断层强度逐渐增加, 为下一次地震孕育积累能量。

通过对红河断裂糜棱岩中发育的碎裂岩样品的微观结构分析, 确定了断层脆-塑性转化带在震后松弛阶段的典型变形特征。 震后松弛阶段脆-塑性转化带的变形特征主要为脆性碎裂与裂隙愈合, 以及裂隙中充填的脉体发生新的塑性变形。 其中, 长石和石英碎裂, 长石在流体作用下发生交代、 出溶及水解反应等。 石英分为2个世代, 第一世代石英为糜棱岩中的石英, EBSD分析表明具有低温塑性变形特征; 第二世代石英为糜棱岩碎裂后在裂隙愈合机制下重结晶形成的, 具有静态重结晶的特点。 石英和方解石脉体愈合裂隙, 并且发生了新的塑性变形。

致谢 本文样品采集得益于何昌荣研究员、 杨晓松研究员、 Shimamoto教授的野外考察工作; 苗社强副研究员、 马玺工程师对本文的EBSD实验进行了指导。 在此一并表示感谢!