龙门山断裂带近断层显微尺度裂隙发育特征研究.pdf

38第 2 期（总第 187 期）2023 年 6月No.2Jun.2023收稿日期：2023-01-06；修回日期：2023-01-17基金项目：第二次青藏高原科学考察项目（2019QZKK0901）和国家自然科学基金项目（42072244）联合资助作者简介：罗培晟（1997-），男，重庆人，在读硕士研究生，主要从事活动构造与地震灾害研究 E-mail：2711218553 qq com通讯作者：王虎（1983-），男，湖北荆州人，副教授，主要从事活动构造与地震灾害研究 E-mail：wanghu9905 126 com断层破裂带内岩石变形主要表现为从微观破裂到宏观破裂尺度上的变化，而显微尺度下裂隙的空间分布和几何结构能为断层的生长、区域应力场的演化和地震机理的揭示提供重要约束（Mitchell et al，2009）。此外，显微裂隙还影响着岩石的强度、弹性波速度和渗透率等物理性质（Mark et al，2014），进而控制着各种地质灾害的发育规律。例如:都汶隧道内的岩体由于发育大量裂隙导致完整性较差，同时在风化作用下岩体强度和稳定性进一步降低，并于 2008 年汶川 MS8 0 地震时发生了塌方破坏（李天斌，2008）。显微裂隙的发育还能增加岩石的渗透率，这就增加了隧道开挖时突水灾害的风险，例如我国第一条超长双线铁路隧道大瑶山隧道,就曾因裂隙广泛发育而发生严重的突水事故（陈成宗等，1992；刘高等，2002）。显微裂隙密度是量化断层破裂带岩石变形损伤的一个重要参数，大量研究表明显微裂隙的密度随着断层距离的增加而逐渐衰减（高孝巧等，2015；Mayolle et al，2019）。目前，大量学者主要研究了走滑断层的显微裂隙空间展布特征，发现其裂隙密度与距断层距离呈指数衰减（Mitchell et al，2012；Mizoguchi et al，2013）或幂函数衰减（Mitchell et al，2009）特征。然而逆断层相比走滑断层更为复杂，其由于断层面倾斜导致位错变形的不对称可能会造成显微裂隙在断层两侧发育的差异化，但该认识到目前为止还缺少岩石裂隙方面的案例予以证实。因此，本文选择一个横跨 2008 年汶川 MS8 0 地震地表破裂带的基岩剖面，统计断层上下盘内的显微裂隙单位面积长度和单位面积条数，为逆断层型断层破碎带内显微裂隙的空间发育特征及其理论研究提供更多案例支撑，相关成果也能为近断层工程建设与地质灾害评价提供一定的科学依据。1 地质背景青藏高原是地球上最宏伟的构造变形部位，且发生过多次造山运动，其中印度-亚洲大陆碰撞是自新生代以来最重大的构造事件，它导致了青藏高原的隆升和周围造山带的进一步崛起（许志琴等，2007；李勇等，2009）。龙门山断裂带属于青藏高原东南缘造山带，由一系列逆冲断裂和推覆体组成，并呈 NE-SW 走向（李勇等，2009）。龙门山推覆构造带长约 500 km，宽 4050 km，主要由汶川茂汶断裂、映秀北川断裂、江油灌县断裂等 3 条主断裂组成，其南段以泸定、天全一带为起点，向东北延伸，中段经过宝兴、都江堰、安县等地，北段进入陕西勉县一带（邓起东等，1994）。龙门山推覆构造带长期的逆冲变形作用导致了其东西两侧的地形存在显著变化，其西侧为平均海拔 4 000 m 的高原，而东侧为平均海拔 500 m 的四川盆地（许志龙门山断裂带近断层显微尺度裂隙发育特征研究罗培晟，王 虎，梁 翼，李东明，李开锦，邓 林，沈长伟（西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031）摘 要：以龙门山中央断层清平镇一带为例，选择一个横跨 2008 年汶川MS8 0 地震地表破裂带（长约 800 m）的基岩剖面，基于显微构造方法在该剖面采集系列定向岩石样品，统计岩石薄片内显微裂隙的单位面积长度、单位面积条数等参数，以此获得显微裂隙在断层上下盘的发育特征。统计数据揭示：显微裂隙在断层上下盘的发育特征均符合幂函数衰减模型，但上盘的显微裂隙发育强度明显高于断层下盘的裂隙强度，上述结果为逆断层型显微裂隙的空间发育和演化规律研究提供了重要约束。关键词：龙门山断裂带；逆断层；显微裂隙；发育特征中图分类号：P54 文献标识码：A 文章编号：1001-8115（2023）02-0038-05DOI：10 13716 j cnki 1001-8115 2023 02 007392023 年 6 月罗培晟，等：龙门山断裂带近断层显微尺度裂隙发育特征研究琴等，2007）。龙门山断裂带发生了 2008 年汶川 MS8 0 地震，该地震在映秀北川断裂、江油灌县断裂和小鱼洞断裂产生了同震地表破裂带，总长度约 270 km，其中同震地表破裂主要沿映秀北川和江油灌县断裂展布，同震位错样式以逆冲变形为主，北川以北右旋走滑分量逐渐增大（徐锡伟等，2008）。本文研究地点位于映秀北川断裂的清平一带（图 1），该部位同震位错表现为逆冲变形，为跨逆断层型上下盘基岩显微裂隙发育特征的量化研究提供了良好的露头剖面。图 1 龙门山断裂带区域主要断裂分布简图2 数据收集清平镇位于映秀北川断裂靠中部一带，在 2008 年汶川 MS8 0 地震时产生了以垂向断错为主的同震地表破裂带，例如：绵远河南岸一级阶地上的绵茂路（旧）被垂向同震位错约 3 8 m（图 2a）。野外岩石采样点位于绵远河北岸，该基岩剖面（图 2b 中 AB）横跨了 2008 年汶川 MS8 0 地震地表破裂带，有效采样带宽约800 m，其中断层上盘主要出露灰岩，下盘为砂岩、灰岩。最终采集了 15 个定向样品，断层上盘和下盘分别为 7 个和 8 个样品（图 2b）。图中红色线为汶川MS8 0地震地表破裂带，AB为地质剖面图 2 清平路面抬升（a）和样品采样点（b）分布基于断层展布特征，在地质图上沿 AB 方向（图 2b）做剖面（图 3）尽可能实测多个地层产状，并将采样点投影到该剖面，以此获得采样点与断层和地层的空间分布关系。受植被发育和一些坡积物的影响，能粗略看到该剖面一些宏观尺度的露头，可见岩石裂隙距离断层越近，其发育程度越强烈。由于露头个数少且402023 年第 2 期四 川 地 震分布不均匀，为此不做宏观尺度的统计，而通过定向样品采集及磨制薄片的方式，获得断层上下盘内岩石水平向和竖直向显微裂隙的密度特征。图 3 清平采样点剖面3 显微裂隙提取和统计提取和统计显微裂隙的主要步骤包括：（1）用罗盘恢复样本的空间位置，沿着能完整切割岩石的水平面画闭合的环线，标记龙门山断裂带逆断层的水平最大主应力方向（近似 135）；（2）将切割和磨制好标记的岩样样品制成 30 mm24 mm 的薄片，每个样品水平面和竖直面各 3 张薄片；（3）将薄片置于强光下，使其透射薄片，对每张薄片拍照记录，用 Photoshop 对照片进行校正；（4）将校正后的薄片照片导入 CorelDraw，对照着薄片描绘裂隙，形成薄片裂隙图；（5）将薄片裂隙图导入 AutoCAD，统计出薄片裂隙的总长度和条数，用MapInfo 统计薄片的面积，最终得到裂隙单位长度和条数的相关数据。图 4 为清平剖面 B-04 和 B-09 采样点的水平面显微裂隙图片和对应的裂隙解译结果。图 4 断层下盘灰岩薄片裂隙（a）和砂岩薄片裂隙（b）图片和解译4 岩体裂隙显微尺度发育特征分析通过整理和统计所有样品磨制薄片单位面积内的显微裂隙长度和条数，得到跨断层岩体裂隙显微尺度的分布图。基于统计分析，发现该显微裂隙的密度分布符合幂函数衰减模型（图 5），F 表示显微裂隙的单位面积长度（cm cm2）或单位面积条数（#cm2），r 表示断层距离（m），具体为：位于断层上盘的岩石水平向显微裂隙长度密度拟合曲线函数为 F=237 03r-1 03，对应的下盘拟合曲线函数为 F=7 80r-0 46（图 5a），这表明断层上盘岩石显微裂隙长度密度函数收敛趋势比下盘更强，而且单位面积长度要明显大于下盘，这似乎与逆断层的上盘效应相一致（俞言祥等，2001）。同时，位于断层上盘的岩石水平向条数密度拟合曲线函数为F=243 51r-1 06，对应的下盘拟合曲线函数为 F=6 46r-0 44，这与显微裂隙长度密度函数收敛趋势具有一致性，即上盘收敛趋势大于下盘、上盘显微裂隙发育强度大于下盘（图 5b）。对应的，位于断层上盘的岩石竖直412023 年 6 月罗培晟，等：龙门山断裂带近断层显微尺度裂隙发育特征研究向显微裂隙长度密度拟合曲线函数为 F=414 27r-1 16，对应的下盘拟合曲线函数为 F=5 62r-0 38（图 5c），这也表明断层上盘岩石显微裂隙收敛趋势比下盘更强，而且单位面积长度要明显大于下盘。同时，位于断层上盘的岩石竖直向条数密度拟合曲线函数为 F=367 05r-1 17，对应的下盘拟合曲线函数为 F=5 64r-0 38，这与显微裂隙长度密度函数收敛趋势也具有一致性（图 5d）。因此，上述结果表明逆断层基岩显微裂隙发育特征具有不对称性，即上盘的显微裂隙发育规模和强度均明显强于下盘。此外，样品岩性会对拟合曲线函数产生一定干扰，例如 B-09 样品岩性为砂岩（图 4a），因为砂岩相对灰岩而言更具塑性，所以显微裂隙在砂岩中呈现出弯曲样式；B-09 水平面 3 个薄片显微裂隙单位面积长度分别为 0 44、0 54 和 0 61 cm cm2，B-07水平面 3 个薄片显微裂隙单位面积长度分别为 1 03、1 55 和 2 21 cm cm2，B-07 距断层距离比 B-09 更大，但是 B-07 水平面 3 个薄片显微裂隙单位面积长度比 B-09 更大，这表明相同条件下的灰岩裂隙发育强度大于砂岩。（a）清平上盘和下盘水平向单位面积显微裂隙长度统计图；（b）清平上盘和下盘水平向单位面积显微裂隙条数统计图；（c）清平上盘和下盘竖直向单位面积显微裂隙长度统计图；（d）清平上盘和下盘竖直向单位面积显微裂隙条数统计图。图 5 显微裂隙密度统计5 结论本文采集了系列位于清平镇横跨 2008 年汶川 MS8 0 地震地表破裂带的基岩剖面样品，通过岩体水平向和竖直向的薄片制作并统计显微裂隙的密度数据，得到如下认识：（1）断层上下盘内水平向和竖直向岩石显微裂隙的单位面积长度、单位面积条数均随着距断层距离增加而逐渐衰减，其空间分布特征符合幂函数422023 年第 2 期四 川 地 震衰减模型。（2）断层上盘水平向和竖直向的岩石显微裂隙发育强度和规模均明显大于下盘，与逆断层上盘效应相一致。因此，逆断层上盘基岩的岩石完整性和抗剪强度会明显小于逆断层下盘的基岩，且越靠近断层这种差异性越明显。尽管目前跨逆断层的岩石显微尺度的裂隙发育特征研究较为薄弱，但本研究为跨活动断层的工程建设在防震减灾方面提供了一定的科学依据，特别是提出了跨逆断层的隧道修建时其上盘部位会面临更严重的地质灾害风险。致谢：本文受到第二次青藏高原科学考察项目（2019QZKK0901）和国家自然科学基金项目（42072244）的联合资助。参考文献陈成宗，何发亮 1992 大瑶山隧道九号断层的特性与工程对策 J 岩石力学与工程学报，11（1）：72-78邓起东，陈社发，赵小麟 1994 龙门山及其邻区的构造和地震活动及动力学 J 地震地质，16（4）：389-403高孝巧，张达 2015 逆断层控制构造裂缝发育的力学机制模拟 J 地质力学学报，21（1）：47-55李天斌 2008 汶川特大地震中山岭隧道变形破坏特征及影响因素分析 J 工程地质学报，16（6）：742-750李勇，黄润秋，周荣军，等 2009 龙门山地震带的地质背景与汶川地震的地表破裂 J 工程地质学报，17（1）：3-18刘高，杨重存，谌文武，等 2002 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Geophysical Research Letters，40：2023-2027Study on Characteristics of Microfractures within the Fault Damage Zone of the Longmen Shan FaultLUO Peisheng，WANG Hu，LIANG Yi，LI Dongming，LI Kaijin，DENG Lin，SHEN Changwei（Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Sichuan Chengdu 611756，China）Abstract：Revealing distribution of bedrock microfractures within fault damage zones can help us better understand fault growth，variations of local stress status，and penetration mechanisms of underground flow This paper used the Qingping site along the Longmen Shan fault as an example，and studied an 800 m-wide bedrock exposure that crossed the surface ruptures associated with the 2008 Wenchuan MS8 0 earthquake Based on microstructural analysis and thin sections，we measured length and numbers of microfractures per area to estimate microfracture characteristics within the two sides of the fault The results show that patterns of microfractures within the two sides are consistent with a power law decay model Moreover，development intensity of microfractures in the hanging wall is much greater than that in the footwall，which provides an important insight into revealing spatial development and evolutional styles of microfractures for thrust faults Keywords：the Longmen Shan fault；reverse fault；microfractures；characteristics