基本介紹
- 中文名：斷層泥
- 外文名：fault gouge
- 實質：未固結或弱固結的泥狀岩石
- 位於：地殼淺層脆性斷層帶中
- 頻寬：幾毫米至數十米
- 學科：冶金工程
簡介,斷層泥物質組成,礦物成分,化學成分,斷層泥結構,粒度特徵,分形研究,微觀結構特徵,斷層泥的工程地質,物理力學性質研究,斷層活動性研究,存在問題,
簡介
斷層泥作為斷層活動的一種產物，記載著斷層活動的多種信息，包括活動年代、運動方式、活動期次和賦存環境等。隨著研究工作的深入，對斷層泥物質成分和結構特徵等方面的認識日益全面。
斷層作為最重要的結構面之一，控制著岩土體的穩定性，進而影響建築物的安全性。從工程地質角度來看，斷層泥是一種軟弱帶，較鄰近的岩體要差，是許多地質災害發生的邊界條件。從岩體力學來看，由於斷層泥力學性質差，強度低且分布較廣，是岩體工程工作的重點對象。國內外很多大型水電工程、礦山工程、邊坡工程和隧道巷道工程中都與斷層和斷層軟弱帶相關。據統計，在一些大型水電工程中，70%以上的勘察工作和80%以上的基礎處理工程都是針對斷層帶或與之相關的斷層構造岩。斷層帶給礦山開採、隧道開挖和地下建築等造成的危害極其巨大，它也是形成滑坡、崩塌等地質災害的控制因素。
為了減少由斷層引發的工程地質問題，經常要進行大量的工程處理，人類也積累了不少實踐經驗和科學研究成果。但是，這些經驗和研究成果大多都是從工程角度來處理，缺乏對地質體本身性質的認識，從而導致很多工程後遺症，增加工程成本，延長工期，嚴重影響工程建設和經濟效益的正常發揮。然而，從工程地質地球化學角度深入研究斷層泥的本身性質，研究物質成分如何變化，結構如何變化，導致力學參數降低的根本原因等等，這不僅具有理論意義和實際意義，同時對社會將產生很大的經濟效益和環境效益，而且也將會對工程地質學和地球化學以及兩者的交叉學科的發展起到積極的推動作用。
斷層泥物質組成
礦物成分
斷層泥主要發育在地殼淺部，是斷層反覆運動時兩側岩石破碎形成的。蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石等粘土礦物是斷層泥的主要組成部分，斷層泥形成時間越長，粘土含量越多。
通過前人的研究可以看出，關於斷層泥礦物成分的研究主要集中在粘土礦物上，重點探討了其力學性質及滑動方式，缺乏對其他特徵礦物及其所反映的賦存和演化環境的研究。
化學成分
地質體中的化學成分研究一直是地球化學研究的基本問題。近年來隨著科學的發展，相關學科間的交叉滲透，不斷湧現出新的分支科學，如工程地質地球化學。對斷層泥進行地球化學實驗，能更好地揭示其形成與演化，為解決相關的工程問題奠定理論基礎。
斷層泥化學成分研究的資料較礦物成分研究要匱乏，對斷層泥的化學成分做了很多測試分析，包括龍羊峽、李家峽等大型水利水電工程，認為斷層泥的化學成分不僅同圍岩成分有關，而且同斷層泥的性質、斷層泥的賦存環境有關。對雲南小灣斷層泥樣品中的伊利石研究結果並與國內17個伊利石以及白雲母理論值的化學組成進行對比，結果發現，斷層泥中伊利石含量高於白雲母理論值(45.2%)和斷層剪下面上的伊利石，而低於風化成因的伊利石。
關於氣體組份，有學者利用現場測斷層氣來說明斷層的活動性，梁通過對大柳樹壩址斷層泥樣品做吸附氣體實驗，得到斷層泥中的氣體組份並且和斷層活動年代建立了相關關係，說明斷層泥吸附氣體與斷層賦存地質環境、演化歷史和活動性密切相關。
斷層泥結構
粒度特徵
王其允(1979)通過對美國聖安德列斯斷層泥的研究，發現斷層活動時間越長，強度越大，斷層泥的粒度越細，越均勻。同時對於不同活動方式產生的斷層泥，其粒度特徵也不同。之後王仁等通過對一些斷裂帶中斷層泥粒度的分析研究，認為強烈的單峰型斷層泥可能代表著斷層的最新一次活動，雙峰型斷層泥的強峰在泥質區，弱峰在粗粒區，這可能與斷層的蠕滑活動相對應。後來研究發現斷層泥的粒度特徵和黃土、斷層兩盤圍岩的粒度特徵有比較大的差異，且根據斷層的粒度特徵等可初步判斷斷層的活動性質，直到通過對紅河斷裂、霧都河斷裂、樟木斷裂等10條斷層的斷層泥粒度研究，提出斷層泥粗粒含量高於45%、粘粒級含量低於30%，斷裂運動以粘滑為主；若斷層泥的粘粒級含量高於45%、粗粒級含量低於30%，則斷裂以蠕滑為主。當破裂研磨作用減小時，斷層泥顆粒並不會隨著斷層位移的增大而無限變小，而是趨近於穩定值。
分形研究
自提出分形幾何理論以來，該理論逐步套用於物理、材料科學和地球科學等諸多領域。由於岩石破碎模型的引入，分形理論又開始套用於研究斷層泥、凍土、土石流沉積物和冰磧物等各種粒度組成的顆粒。
通過對大量的斷層面的研究，得出斷層的粘滑作用與斷層表面粗糙度和顆粒度有關，與斷層泥的厚度無關。首先將分維理論套用於斷層泥研究領域，運用電子顯微鏡等手段統計顆粒分布，得到了美國聖安德烈斯斷層系的洛佩斯斷層泥的分維值。
分形理論傳入我國後，很快就套用到地球科學領域。在斷層泥分形方面，邵順妹、易順民、鄒謹敞、李細光、胡道功等做了大量的工作，結果表明，活動斷裂帶斷層泥分維值與斷裂活動有比較密切的關係，粒度分維值的大小可以反映了斷裂活動的方式。一般斷層泥的粒度越粗，分維值就越大；當斷層泥起始粒度一定，斷層泥活動性越強，分維值就越大。一般斷層泥粗粒含量多，說明斷層滑動速率快，研磨不充分，斷層以粘滑為主，若細粒含量多，則表明斷層泥是經過緩慢反覆研磨形成的，斷層以蠕滑為主。
微觀結構特徵
關於斷層泥結構研究愈來愈受人們重視，一方面歸功於結構本身反映物質性質的重要性；另一方面應歸功於研究手段的更新。可以說，工程地質中有關斷層泥微結構研究豐富和發展了斷層的研究內容。斷層泥結構研究中以結構類型和連線特徵為主。大部分成果主要闡述斷層泥所含礦物的結構特徵，特別是石英顆粒表面的SEM特徵。
斷層泥中石英表面顆粒顯微構造特徵的研究主要是套用電子顯微鏡觀察其表面溶蝕程度來研究斷層的活動性質。石英透光性非常好，質地堅硬，可以很好地反映斷層的活動信息。當斷層活動時，就會在石英顆粒表面上保留下撞擊坑、擦痕、斷口、裂隙、魚鱗狀、貝殼狀、次貝殼狀以及橘皮狀等結構。根據這些結構特徵就可以判定斷層是蠕滑還是粘滑。一般認為顆粒表面有強烈的撞擊坑、擦馬向賢斷層泥特徵及其工程地質意義。
痕和斷口等脆性破裂的，斷層主要表現為粘滑，若出現裂隙且沒破壞、輕微撞擊坑和魚鱗狀等特徵的，斷層主要表現為蠕滑、擦痕線的疊加、切穿現象表明，斷層在中更新世的滑動至少有3個亞期次。綜合應力痕跡和微形貌特徵認為，3個亞期次滑動的前兩次表現為粘滑，第三次為蠕滑或粘滑向蠕滑過渡類型進行微結構研究，有三個關鍵問題：一是制樣，二是觀察手段，三是資料分析方法。傳統制樣方法是自然風乾，1990年以來，隨著科技的發展，新的乾燥方法不斷湧現，如臨界點乾燥法、低溫冷凍乾燥和真空抽氣乾燥等，新方法克服了樣品乾燥過程中引起的變形和物質賦存環境的變化。現代的觀察方法以掃描電子顯微鏡為主，利用X射線衍射儀研究斷層泥微結構的成果。從研究資料情況來看，多以定性觀察為主，圖像自動分析，數據達到半定量水平。
斷層泥的工程地質
斷層泥的工程地質研究主要是對其物理力學性質的研究，同時結合斷層的活動性來分析和解決相應的工程地質問題。
物理力學性質研究
斷層泥是斷層岩中性質最差的一類，力學性質也最差，常導致一些工程地質問題。同時斷層泥的研究也是解決這些地質工程問題的一個重要切入點。斷層泥的物理力學性質指標是進行工程岩體穩定分析評價的基本參數，是斷層岩工程地質研究的重點。在長期的工程實踐中，人們廣泛地開展了斷層岩物理力學性質測試和研究工作，積累了豐富的資料。
雖然在斷層泥物理力學性質研究取得了多方面成績，但還存在以下問題：
（1）測試方法、儀器設備和資料處理都待改進。斷層泥的測試都是借鑑土力學方法，而斷層泥的性質和土體又有很大差別，這就導致測試方法不一定實用。另外斷層泥的不均一性更為顯著，物理力學性質常因賦存環境而異，更增加了測試工作的難度。另外測試方法也很不統一。
（2）缺乏斷層泥物理力學性質和斷層泥本身物質成分、結構特徵等關係的研究。
斷層活動性研究
斷層活動性的研究重點包括活動方式和測年兩方面的成果。關於斷層活動方式的研究重點通過研究斷層泥的結構特徵來反映，前已提及，此處不再贅述。關於斷層泥中的測年方法已有多種，大多數都基於同位素測年。
熱釋光法是根據斷層活動所產生的摩擦熱而致零，即熱淬火效應，斷層活動後又重新開始計時來測年的。電子自旋共振是由於電子有1/2的自旋，在外加磁場能級下而測試年代的方法。磷灰石的裂變徑跡是根據磷灰石中礦物中的U、Th等放射性同位素自發裂變產生的徑跡數和自發裂變的速度來進行年齡的測定的方法。
斷層泥測年採用最多的是TL和ESR兩種方法，其用於測斷層泥樣品的機理也類似，都是測試礦物中有一些信號和物質隨時間積累，斷層的強烈活動(熱事件)可以使其回零(退火)。可以看出，測量結果是否可靠，主要取決於斷層活動能否將礦物中已經積累的信號和物質回零。
到實踐中，也取得了較好的成果，節省了工程費用，為國民經濟做出了巨大的貢獻。
斷裂活動年代的確定是當代地球科學中的一個重點和熱點。以往僅根據地質現象和斷裂發育的地層年代與斷裂的關係來確定斷裂活動的時間區間，這樣的測年結果很不準確，已不能滿足當今地球科學發展的需要，特別是在地震地質研究中。此外確定斷裂的活動時代和最後一次活動的時間對地震地質和工程地質的研究非常重要。因此，如何準確獲取斷層的活動年代，成為當今斷層研究工作的一個難點。
直接套用斷裂活動過程中產生的斷層物質確定斷層年齡，獲得比較理想的結果。這為以後通過斷層物質特別是斷層泥來確定斷層年齡提供了可靠的依據。之後中國的水利水電工程地質勘察規範中明確提出活斷層的判別標誌，可根據斷裂帶中的斷層岩確定，並確定了最後一次錯動年代距今10-15萬年(絕對年齡)。
存在問題
如前所述，對斷層泥的研究國內外都做了大量的工作，但存在以下問題：
(1)斷層泥的形成和演化研究還沒形成系統的理論，對其成因還處於模糊的狀態，是以後研究工作的重點和難點。
(2)關於斷層泥礦物化學成分的研究目的。只達到半定量的水平，還會受採樣和實驗狀況的影響。可以進一步提高研究的精度，達到定量水平。
(3)缺乏通過物質成分對斷層泥形成環境的探討。
(4)粒度和分形的研究是研究斷層泥研究的熱點，多側重分形理論研究，缺少分形研究和其它方法有機結合。斷層泥表面粘滑摩擦的顯微力學特徵又是斷層活動性研究的一個重要方面，但成果還很欠缺，因此從斷層泥的分形研究可能對了解斷層面粘滑摩擦的顯微力學特徵有較大的幫助。
(5)同斷層泥有關工程地質問題分析的物理模擬和數值模擬有待進一步深入，這將為斷層泥形成和演化的研究提供參考，為解決相關的工程地質問題提供依據。
