活動(dòng)斷裂帶斷層泥的納微米構(gòu)造研究方法1

王 雷 晁洪太 王志才 付俊東 萬(wàn)永魁 楊傳成 吳 頔 劉 軍

活動(dòng)斷裂帶斷層泥的納微米構(gòu)造研究方法1

王 雷1，2）晁洪太1）王志才1）付俊東1）萬(wàn)永魁3）楊傳成1）吳 頔1）劉 軍1）

1）山東省地震局工程地震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250014 2）防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 065201 3）中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180

斷層泥是研究活動(dòng)斷裂帶運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和活動(dòng)習(xí)性的重要介質(zhì)。以往，對(duì)斷層泥的研究主要借助偏光顯微鏡和低真空掃描電鏡進(jìn)行，觀察到的現(xiàn)象有限。借助高真空掃描電鏡從納微米尺度對(duì)斷層泥進(jìn)行更精細(xì)化的研究，其方法是對(duì)野外斷層泥進(jìn)行定向原狀樣品采集，通過(guò)室內(nèi)樣品自然風(fēng)干、微樣制作、表面鍍金和掃描電鏡觀察，從納微米尺度研究-組構(gòu)面和-組構(gòu)面的各種變形現(xiàn)象。此方法可以幫助確定斷層的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)、斷層滑動(dòng)面的新老關(guān)系，并可鑒別粘滑過(guò)程與蠕滑過(guò)程；同時(shí)，還可以對(duì)工程場(chǎng)地中發(fā)現(xiàn)的黏土滑動(dòng)面進(jìn)行鑒別，區(qū)分地震斷層和非地震斷層。

活動(dòng)斷裂帶 斷層泥 納微米構(gòu)造 研究方法

引言

“氫彈之父”Edward Teller曾預(yù)言“誰(shuí)更早掌握納米技術(shù)，誰(shuí)就占據(jù)下一世紀(jì)技術(shù)的制高點(diǎn)”。納米技術(shù)崛起于20世紀(jì)80年代末，并在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域迅速發(fā)展，如物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)、能源科學(xué)等（閆金定，2015）。地質(zhì)學(xué)家也逐步將該高新科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到活動(dòng)斷裂帶和發(fā)震構(gòu)造等方面的研究（Kanamori等，2000；Schulz等，2000；Wilson等，2005；Cashman等，2007；孫巖等，2007；晁洪太等，2009；Laurich等，2014；Chou等，2014；Omori等，2015；Yuan等，2015）。

斷層泥是地殼淺層脆性活動(dòng)斷裂帶中常見的一種斷層變形產(chǎn)物，由未固結(jié)的巖石碎屑、巖粉和黏土礦物組成，多呈不同彩色的條帶平行斷層面展布，帶寬幾毫米至數(shù)十米（吳大銘等，1981；何永年等，1988）。但一次地震形成的斷層泥往往只有幾毫米至幾厘米寬（Ma等，2006；付碧宏等，2008；晁洪太等，2009），其記載著斷層活動(dòng)的歷史，保留著斷層活動(dòng)的各種信息（馬瑾等，1985；林傳勇等，1995）。前人對(duì)活動(dòng)斷裂帶斷層泥的研究，主要集中在石英礦物顆粒形貌觀察、巖性成分分析、分形特征研究以及常規(guī)顯微構(gòu)造分析等方面（楊主恩等，1984，1999；徐葉邦，1986；晁洪太等，2001；俞維賢等，2002；胡玲等，2004；馬浩明等，2009；高璐等，2011；張秉良等，2014），但觀察到的現(xiàn)象是有限的，不能解決所有問(wèn)題。隨著掃描電子顯微鏡的普及，Chou等（2014）利用XRD衍射和透射電子顯微鏡，分析了中國(guó)臺(tái)灣集集地震車籠埔斷層的斷層泥，對(duì)斷層泥的超細(xì)納米顆粒進(jìn)行了研究。

斷層帶發(fā)育的斷層泥，由3個(gè)相互垂直的軸構(gòu)成立體空間，其中沿?cái)鄬踊瑒?dòng)方向的軸稱為軸，滑動(dòng)面上垂直于軸的稱為軸，與滑動(dòng)面垂直的稱為軸。換言之，-構(gòu)成了滑動(dòng)面或與之平行的面，即斷層主滑移帶，往往可見擦痕、擦脊、擦槽等現(xiàn)象（晁洪太等，2016），表現(xiàn)為平直或相互穿插、切割；-結(jié)構(gòu)面與主滑移面垂直，即斷層主滑移帶旁側(cè)葉理帶，可見褶皺、顆粒包裹等現(xiàn)象，表現(xiàn)為黏土礦物有序堆疊成層，受硬質(zhì)顆粒阻擋繞礫滑動(dòng)或擠壓相對(duì)運(yùn)動(dòng)、扭曲形成小褶皺。晁洪太等（2009）、袁仁茂等（2014）借助EDS能譜和掃描電鏡，分別從-組構(gòu)面和-組構(gòu)面觀察并分析了納微米尺度斷層泥的形貌和變形特征，均取得研究進(jìn)展。因此，從納微米尺度觀察斷層泥的形貌和構(gòu)造特征，為研究斷層的變形機(jī)制和地震的孕震、發(fā)震過(guò)程提供全新的視角?？紤]到該研究剛剛起步，本文著重總結(jié)和歸納了試驗(yàn)研究方法，并對(duì)觀察到的幾種典型現(xiàn)象進(jìn)行了分析，以期為后續(xù)深入的研究提供指導(dǎo)和幫助。

1 方法和步驟

1.1 野外采樣

選擇斷層泥發(fā)育的活動(dòng)斷裂帶，以野外宏觀調(diào)查為基礎(chǔ)，在滑動(dòng)面上系統(tǒng)地采集斷層泥樣品，并進(jìn)行三維定向標(biāo)注。為了保持樣品的新鮮度和滑動(dòng)面的原始構(gòu)造，本文采集規(guī)格為10cm×5cm×5cm的樣品，用保鮮膜和軟紙分層包裹，裝入硬紙盒帶回室內(nèi)。為了防止外包裝標(biāo)定的方向被破壞，同時(shí)在樣品表面不受影響處標(biāo)注方向。

1.2 室內(nèi)制樣

室內(nèi)制樣需要準(zhǔn)備的工具有一次性透明手套、放大鏡、刻刀、鑷子、磨石、洗耳球、塑封袋、標(biāo)簽、記號(hào)筆和樣品收納盒。

在室內(nèi)，將野外樣品包裝紙打開，在室溫下緩慢干燥10小時(shí)。需要注意勿將整個(gè)樣品打開暴露在空氣中，以防止樣品快速干燥、失水裂開。用鑷子將樣品剝開，借助放大鏡，選擇擦痕清晰的擦面。用鑷子、刻刀取出選中的靶區(qū)，微樣尺寸為：長(zhǎng)和寬3—5mm、厚2—3mm。在磨刀石上將微樣底部打磨平整，用洗耳球清除樣品表面的粉末后，將微樣單個(gè)裝入速封袋內(nèi)用于掃描電鏡觀察分析。最后進(jìn)行標(biāo)注、貼標(biāo)簽，將微樣存入樣品收納盒。

1.3 表面鍍金

掃描電鏡的工作原理是用聚焦電子束在微樣表面逐點(diǎn)掃描成像。由電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)加速電壓的作用，在掃描線圈驅(qū)動(dòng)下，于樣品表面按一定時(shí)間、空間順序作柵網(wǎng)式掃描（王醒東等，2012）。聚焦電子束與微樣相互作用，產(chǎn)生二次電子發(fā)射，二次電子發(fā)射量隨微樣表面形貌而變化。二次電子信號(hào)被探測(cè)器收集轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)視頻放大后輸入到顯像管柵極，調(diào)制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映微樣表面形貌的二次電子像。斷層泥微樣本身是無(wú)導(dǎo)電性的，電子束與微樣接觸后不能發(fā)射二次電子。為得到反映微樣表面形貌的二次電子像，利用Cressington 108 AUTO離子濺射儀在其表面鍍一層金膜，一般在壓力0.1Pa、電流10mA和距離35mm狀態(tài)下鍍金。整個(gè)鍍金過(guò)程約2—3分鐘，時(shí)間長(zhǎng)短視抽真空時(shí)間決定。

鍍金之前，先利用導(dǎo)電膠帶將微樣粘貼于樣品托上（導(dǎo)電、無(wú)磁性），然后利用洗耳球或氮?dú)鈱⒋兘饦颖砻娲祪簟?/p>

1.4 SEM觀察分析

利用日立Hitachi S4800高真空?qǐng)霭l(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）觀測(cè)鍍金后的微樣，基本工作參數(shù)為：樣品倉(cāng)內(nèi)氣壓＜2×10-3Pa，工作電壓5kV，焦距約5—12mm。輔助利用Horiba EMAX Energy EX-350進(jìn)行巖性成分分析，基本工作參數(shù)為：工作電壓15kV，焦距約10—15mm。

在顯微領(lǐng)域，利用偏光顯微鏡觀察構(gòu)造現(xiàn)象，尋找反映斷層活動(dòng)習(xí)性的各種現(xiàn)象和特征，并進(jìn)行構(gòu)造和力學(xué)分析（晁洪太等，2001）。在超顯微領(lǐng)域，從構(gòu)造角度研究斷層泥，與顯微領(lǐng)域或宏觀領(lǐng)域研究思路相似。利用掃描電鏡觀察斷層泥-組構(gòu)面擦痕、擦脊、擦槽、擦痕組數(shù)、擦面、階步、黏土礦物排列形式和-組構(gòu)面片狀黏土礦物褶皺、繞礫、旋轉(zhuǎn)、撕裂以及碎屑顆粒包裹等變形表現(xiàn)出的各種超微觀構(gòu)造現(xiàn)象。

1.5 注意事項(xiàng)

微樣不能含有揮發(fā)物（主要指水分），也不能具有磁性。因?yàn)樗肿与婋x放電，導(dǎo)致電子束不穩(wěn)定或偏離而無(wú)法成像或圖像變形，所以必須進(jìn)行干燥預(yù)處理。如果微樣具有磁性，也會(huì)導(dǎo)致電子束偏離，同時(shí)會(huì)污染電鏡，觀察分析前必須檢驗(yàn)磁性。

斷層泥主要成分是黏土，內(nèi)部結(jié)構(gòu)多孔隙，賦存氣體。當(dāng)抽真空時(shí)，斷層泥會(huì)有“放氣”效應(yīng)，微樣體積越大，抽氣時(shí)間越長(zhǎng)，因此需要控制微樣的大小。

S4800掃描電鏡工作運(yùn)行前，系統(tǒng)將對(duì)樣品倉(cāng)內(nèi)抽真空，若微樣表面有附著的細(xì)小顆粒，其會(huì)被吸入電鏡內(nèi)部，堵塞通道，損傷電鏡。所以，務(wù)必將微樣表面附著的顆粒清理干凈。

2 典型現(xiàn)象

2.1 自然沉積黏土樣品特征

將野外采集的黏土樣品置于燒杯中，注入清水，待黏土完全松軟后，用玻璃棒將其攪拌均勻。靜置1小時(shí)，將燒杯底部沉淀的砂礫濾去。反復(fù)幾次后，使高純度黏土自然沉積、風(fēng)干，獲得實(shí)驗(yàn)用黏土樣品。制作水平方向和豎直方向的黏土微樣，用作斷層泥的納微米尺度觀察實(shí)驗(yàn)的參照、對(duì)比。

在顯微構(gòu)造中，自然沉積的片狀黏土礦物是雜亂無(wú)章、隨機(jī)排列的。但斷層泥是斷層兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的產(chǎn)物，滑動(dòng)過(guò)程中黏土礦物受同一方向的力而定向排列，具有優(yōu)勢(shì)消光（晁洪太等，2001）。利用掃描電鏡在納微米尺度觀察自然沉積的片狀黏土礦物（圖1（a）、（b）），與顯微領(lǐng)域中觀察結(jié)果一致，自然沉積的片狀黏土礦物無(wú)規(guī)則地疊加、排列，具有隨機(jī)性。

自然沉積的黏土地層，在形成過(guò)程中也可能被擾動(dòng)，但與斷層泥中的黏土礦物的表現(xiàn)是不同的。例如，在濰坊一鉆孔中130m處獲得的原狀黏土樣品，可見摩擦鏡面和1組明顯的垂向擦痕，肉眼觀察其手標(biāo)本與斷層泥相似。利用S4800掃描電鏡放大30倍時(shí)（圖1（c）），微樣表面平直的擦痕清晰可見。繼續(xù)放大至2000倍時(shí)（圖1（d）），擦痕斷續(xù)、無(wú)規(guī)則彎曲，似“波動(dòng)”狀變形，該現(xiàn)象由重力作用下差異沉陷形成，是非地震斷層作用的結(jié)果。

（a）自然沉積的黏土，水平方向，片狀黏土礦物隨機(jī)疊加（實(shí)箭頭）；（b）自然沉積的黏土，豎直方向，片狀黏土礦物無(wú)規(guī)則排列；（c）取自鉆孔的原狀黏土，擦痕明顯（實(shí)箭頭）；（d）圖1（c）方框區(qū)域局部放大，似“波動(dòng)”狀變形（虛線框區(qū)域）

2.2 斷層泥a-b組構(gòu)面特征

斷層泥的-組構(gòu)面是斷層滑動(dòng)面，借助掃描電鏡，可觀察到以下現(xiàn)象。

在1.2×104倍率下（圖2（a）），昌邑市于家山下4號(hào)微樣（CY-4）的?組構(gòu)面上可見連續(xù)、清晰、平直的擦脊和擦槽。擦脊間距約0.3—1.2μm；主擦槽深0.2—0.3μm，兩側(cè)有次級(jí)擦槽。局部繼續(xù)放大至6×104倍時(shí)（圖2（b）），仍可見擦痕，擦脊和擦槽中分布著納米級(jí)片狀黏土礦物。這種斷層主滑動(dòng)面上的擦面、擦痕、擦槽、擦脊在-組構(gòu)面常見，是伴隨地震發(fā)生時(shí)斷層快速滑動(dòng)形成的。

在70倍視域下（圖2（c）），新沂市橋北鎮(zhèn)1號(hào)微樣（QB-1）的-組構(gòu)面上可見連續(xù)、穩(wěn)定的擦線和階步。階步指示斷層對(duì)盤（上盤）向下運(yùn)動(dòng)。擦線沿著滑動(dòng)方向向左偏移，指示斷層以正斷層滑動(dòng)為主，兼有左旋運(yùn)動(dòng)分量。局部繼續(xù)放大至6×104倍時(shí)（圖2（d）），擦脊和擦槽中密集分布著納米級(jí)的“花瓣”狀礦物，自形程度好。通過(guò)電子探針，測(cè)得該礦物含鐵量高，達(dá)30%左右，主成分與黏土成分相似。

在-組構(gòu)面，還可見多期次擦痕（晁洪太等，2016；王雷，2016；Chao等，2017），表現(xiàn)為多組不同方向的平直擦線、弧形擦線，及不同長(zhǎng)度擦線和深淺相異的擦槽。與巖體中巖脈切割穿插理論相同，早期擦痕被后期擦痕切割或斷層后期活動(dòng)改變較早活動(dòng)留下的痕跡，斷層泥表面擦痕期次還有待進(jìn)一步深入研究。

（a）擦脊（實(shí)箭頭），擦槽（虛箭頭）；（b）擦脊上的納米級(jí)片狀黏土礦物（實(shí)箭頭）；（c）階步（實(shí)箭頭）和擦線（虛箭頭），指示對(duì)盤向下運(yùn)動(dòng)，兼有左旋分量；（d）擦槽中分布著“花瓣”狀礦物（實(shí)箭頭）

2.3 斷層泥a-c組構(gòu)面特征

斷層泥的-組構(gòu)面垂直于斷層滑動(dòng)面，借助掃描電鏡，可觀察到以下現(xiàn)象。

在3×104倍率下（圖3（a）），郯城縣麥坡2號(hào)微樣（MP-2）的-組構(gòu)面上片狀黏土礦物彎曲，呈褶皺狀，屬于蠕滑作用的表征。昌邑市于家山下3號(hào)微樣（CY-3）的-組構(gòu)面上可見“磨礫”現(xiàn)象（圖3（b）），斷層滑動(dòng)過(guò)程中受硬質(zhì)礦物顆粒的阻擋，黏土礦物包裹顆粒。根據(jù)黏土礦物與硬質(zhì)礦物顆粒的接觸關(guān)系，可判斷斷層泥的運(yùn)動(dòng)方向，間接地反映斷層的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。

在6×104倍率下（圖3（c）），新泰市4號(hào)微樣（XT-4）的-組構(gòu)面上同一層片狀黏土礦物垂直錯(cuò)開，視域內(nèi)錯(cuò)開寬度900nm，呈“撕裂”狀，表明后期沿軸方向受張力作用。在9×104倍率下（圖3（d）），新沂市橋北鎮(zhèn)6號(hào)微樣（QB-6）的-組構(gòu)面上片狀黏土礦物局部褶曲、對(duì)折，黏土礦物片上分布著長(zhǎng)條狀的礦物。其中，沿褶曲面生長(zhǎng)的部分長(zhǎng)條狀礦物在對(duì)折處有斷開現(xiàn)象，可能是后期褶曲面受力變形導(dǎo)致礦物在最大受力處同步斷開。

3 認(rèn)識(shí)與討論

斷層泥的成分主要是黏土礦物（高嶺石、伊利石、蒙脫石等）。在野外，僅靠肉眼很難區(qū)分?jǐn)鄬訋?nèi)的黏土是否屬于斷層泥，其成因更難以辨別。通過(guò)觀察黏土的納微米特征，如黏土礦物片狀形態(tài)、形貌和分布規(guī)律，可以判斷黏土的成因，自然形成的黏土隨機(jī)排列（Janssen等，2012），斷層泥有規(guī)律疊附。同時(shí)，在工程建設(shè)中可以判斷地震斷層和非地震斷層。

（a）片狀黏土礦物褶皺（虛線）；（b）斷層泥中“磨礫”（實(shí)箭頭）與片狀黏土礦物接觸關(guān)系（虛箭頭），指示斷層運(yùn)動(dòng)方向；（c）片狀黏土礦物“撕裂”，裂開寬度900nm（實(shí)雙箭頭）；（d）斷層泥中長(zhǎng)條形礦物（實(shí)箭頭），在彎曲處斷開（虛線框內(nèi)）

斷層活動(dòng)具有多期性，而斷層泥變形具有“部分記憶”現(xiàn)象（晁洪太，1998）。隨著時(shí)間的推移，斷層泥中后期活動(dòng)變形現(xiàn)象往往疊加或掩飾早期變形，原有的滑動(dòng)面特征也會(huì)隨之改變。在斷層泥-組構(gòu)面，清晰、平直的擦面、擦痕、擦槽、擦脊和階步等現(xiàn)象，表明斷層泥可能是因斷層最新滑動(dòng)（周本剛等，2006）或前1至2期斷層粘滑作用形成。晁洪太等（2016）在郯廬斷裂帶左山采集的樣品中觀察到3組擦面擦線，主擦線分布穩(wěn)定、連續(xù)、清晰，與主擦線相交的次級(jí)擦線零散、斷續(xù)，第3組擦線零星分布于主擦面，被主擦線改造彎曲而方向改變。在昌邑采集的樣品中，同樣觀察到3組擦線，主擦線改造前期擦線作用明顯（王雷，2016；Chao等，2017）。斷層泥-組構(gòu)面留下的不同方向的擦痕，反映了斷層受力活動(dòng)的方向是有變化的。

礦物生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程及介質(zhì)的物理化學(xué)條件對(duì)礦物的形態(tài)變化有明顯的約束，形成完全自形結(jié)晶的礦物需要一定的時(shí)間和空間（李勝榮等，2008）。圖2（d）中-組構(gòu)面集中分布的“花瓣”狀自形礦物，表明斷層滑動(dòng)以后，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，斷層面沒(méi)有完全閉合，留有足夠的空間供礦物析出、結(jié)晶。從斷層活動(dòng)性角度，自此次粘滑作用后，斷層沒(méi)有明顯的活動(dòng)，處于間震平穩(wěn)期。如圖3（d）所示，沿-組構(gòu)面觀察到長(zhǎng)條狀礦物附著在變形的層狀黏土片上，隨著變形程度的增大，長(zhǎng)條狀礦物在最大彎曲處斷開，該過(guò)程處于能量積累、緩慢滑動(dòng)的孕震階段。今后，通過(guò)不斷深入的研究，根據(jù)滑動(dòng)面分布的不同礦物及其結(jié)晶程度，或許可以鑒別斷層活動(dòng)的新老關(guān)系。

粘滑作用是一個(gè)快速滑動(dòng)的過(guò)程，巨大的能量瞬間釋放，其滑動(dòng)面旁側(cè)的葉理應(yīng)是平直的，所包裹的顆粒被切穿或碎裂，斷層泥-組構(gòu)面的擦痕也是粘滑作用的表征，反映同震這一過(guò)程（晁洪太等，2016）。文中實(shí)驗(yàn)所觀察到的-組構(gòu)面的褶皺、斷層泥“磨礫”等現(xiàn)象，是與斷層相關(guān)的變形、旋轉(zhuǎn)和扭動(dòng)的結(jié)果，表明蠕滑作用在該階段斷層泥的形成過(guò)程中占主導(dǎo)因素。文中實(shí)驗(yàn)所觀察到的-組構(gòu)面的片狀黏土礦物“撕裂”和后生礦物斷開的現(xiàn)象，反映斷層能量積累導(dǎo)致的應(yīng)力變化，也許是新的地震發(fā)生的征兆。

（a）隨機(jī)排列的黏土片；（b）受力作用，黏土片定向排列，箭頭指示擦痕；（c）箭頭指示新生成的礦物，有單晶、集合體；（d）黏土片受力變形，礦物斷開

結(jié)合已完成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為，無(wú)規(guī)則排列的黏土在斷層帶內(nèi)聚集（圖4（a））；地震發(fā)生時(shí)斷層兩盤相對(duì)錯(cuò)動(dòng)生成有規(guī)則、定向排列的斷層泥，斷層泥-組構(gòu)面留下了斷層活動(dòng)的痕跡：平直擦痕（圖4（b）），反映同震失穩(wěn)階段；隨時(shí)間推移，擦痕逐漸減少或消失，沿縫隙通道，化學(xué)元素在斷層泥-組構(gòu)面匯聚并生成新的礦物，結(jié)晶、自形形態(tài)完好，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜這一過(guò)程屬于間震期穩(wěn)定階段；構(gòu)造應(yīng)力積累，伴隨著斷層泥-組構(gòu)面的扭動(dòng)和變形，在-組構(gòu)面表現(xiàn)為褶皺等形式，新礦物晶體破裂、折斷，屬于孕震不穩(wěn)定階段。

總之，借助掃描電子顯微鏡，從納微米尺度觀察地質(zhì)體，讓我們看到了不同的地質(zhì)世界。通過(guò)這樣的觀察，有助于從另一視角解釋地震地質(zhì)學(xué)遇到的諸多問(wèn)題。今后，我們將觀察并積累更多的現(xiàn)象，進(jìn)一步探討發(fā)震斷層的微觀機(jī)理；同時(shí)，我們也將繼續(xù)跟蹤國(guó)內(nèi)外在納米地質(zhì)學(xué)方面的最新研究成果和經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用于地震地質(zhì)學(xué)研究。

致謝：本文中的掃描電鏡觀察工作，分別在山東省地震局工程地震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室掃描電鏡室和山東大學(xué)功能晶體材料樓掃描電鏡室完成，在此表示衷心感謝，同時(shí)感謝審稿專家提出的寶貴修改意見。

晁洪太，1998．第四紀(jì)地層中活斷層的顯微構(gòu)造標(biāo)志、隱性活斷層及其應(yīng)用研究．北京：中國(guó)地震局地質(zhì)研究所．

晁洪太，鄧起東，李家靈等，2001．第四紀(jì)松散沉積物中活斷層滑動(dòng)面的顯微構(gòu)造研究方法．中國(guó)地震，17（4）：24—30．

晁洪太，孫巖，王志才等，2009．發(fā)震斷裂的納米級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)觀測(cè)一例．自然科學(xué)進(jìn)展，19（10）：1076—1081．

晁洪太，孫巖，王志才等，2016．同震和無(wú)震剪切滑移作用的納微米級(jí)構(gòu)造觀察與分析．礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)，35（1）：37—42．

付碧宏，王萍，孔屏等，2008．四川汶川5.12大地震同震滑動(dòng)斷層泥的發(fā)現(xiàn)及構(gòu)造意義．巖石學(xué)報(bào)，24（10）：2237—2243．

高璐，尹功明，劉春茹等，2011．六盤山東麓斷裂斷層泥ESR測(cè)年研究．核技術(shù)，34（2）：121—125．

何永年，林傳勇，史蘭斌，1988．構(gòu)造巖石學(xué)基礎(chǔ)．北京：地質(zhì)出版社，129—140．

胡玲，胡道功，何登發(fā)等，2004．準(zhǔn)噶爾盆地南緣霍爾果斯和吐谷魯斷裂帶斷層泥分形特征與斷裂活動(dòng)關(guān)系．地學(xué)前緣，11（4）：519—525．

李勝榮，許虹，申俊峰等，2008．結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)．北京：地質(zhì)出版社，1—346．

林傳勇，史蘭斌，劉行松等，1995．?dāng)鄬幽嘣诨鶐r區(qū)斷層新活動(dòng)研究中的意義．中國(guó)地震，11（1）：26—32．

馬浩明，陳龐龍，2009．深圳市橫崗-羅湖斷裂第四紀(jì)活動(dòng)性研究．震災(zāi)防御技術(shù)，4（3）：266—274．

馬瑾，Moore D. E.，Summers R.等，1985．溫度壓力孔隙壓力對(duì)斷層泥強(qiáng)度及滑動(dòng)性質(zhì)的影響．地震地質(zhì)，7（1）：15—24．

孫巖，舒良樹，陸現(xiàn)彩等，2007．巖石剪切面納米粒子層的近期研究進(jìn)展．自然科學(xué)進(jìn)展，17（10）：1331—1337．

王雷，2016．活動(dòng)斷裂帶斷層泥納微米尺度的特征研究．廊坊：防災(zāi)科技學(xué)院．

王醒東，林中山，張立永等，2012．掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)及對(duì)樣品的制備．廣州化工，40（19）：28—30．

吳大銘，張?jiān)Ｃ?，方仲景等?981．論中國(guó)郯廬斷裂帶的活動(dòng)．地震地質(zhì)，3（4）：15—26，93—94．

徐葉邦，1986．海原活動(dòng)斷裂中斷層泥的特征、成因及其對(duì)斷層滑動(dòng)性能的影響．西北地震學(xué)報(bào)，8（1）：75—90．

閆金定，2015．我國(guó)納米科學(xué)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及戰(zhàn)略思考．科學(xué)通報(bào)，60（1）：30—37．

楊主恩，胡碧茹，洪漢凈，1984．活斷層中斷層泥的石英碎礫的顯微特征及其意義．科學(xué)通報(bào)，29（8）：484—486．

楊主恩，郭芳，李鐵明等，1999．鮮水河斷裂西北段的斷層泥特征及其地震地質(zhì)意義．地震地質(zhì)，21（1）：21—28．

俞維賢，安曉文，李世成等，2002．瀾滄江流域主要斷裂斷層泥中石英碎礫表面SEM特征及其斷裂活動(dòng)研究．地震研究，25（3）：275—280．

袁仁茂，張秉良，徐錫偉等，2014．汶川地震剪切滑動(dòng)面微-納米級(jí)顆粒的特征、形成機(jī)制及地震意義．中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)，44（8）：1821—1832．

張秉良，周永勝，袁仁茂等，2014．?dāng)鄬幽嘁晾锢砘瘜W(xué)特征及其意義．震災(zāi)防御技術(shù)，9（4）：829—837．

周本剛，沈得秀，2006．地震安全性評(píng)價(jià)中若干地震地質(zhì)問(wèn)題探討．震災(zāi)防御技術(shù)，1（2）：113—120．

Cashman S. M., Baldwin J. N., Cashman K. V., et al., 2007. Microstructures developed by coseismic and aseismic faulting in near-surface sediments, San Andreas fault, California. Geology, 35(7): 611—614.

Chao H. T., Wang Z. C., Wang L., et al., 2017. Implication of creep slipping before main shock for earthquake prediction: evidence from nano/micro-scale structure of gouges. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 17(9): 6852—6858.

Chou Y. M., Song S. R., Tsao T. M., et al., 2014. Identification and tectonic implications of nano-particle quartz (<50nm) by synchrotron X-ray diffraction in the Chelungpu fault gouge, Taiwan. Tectonophysics, 619—620: 36—43.

Janssen C., Kanitpanyacharoen W., Wenk H. R., et al., 2012. Clay fabrics in SAFOD core samples. Journal of Structural Geology, 43: 118—127.

Kanamori H., Heaton T. H., 2000. Microscopic and Macroscopic physics of earthquakes. In: GeoComplexity and the Physics of Earthquakes. Washington: AGU, 120: 147—163.

Laurich B., Urai J. L., Desbois G., et al., 2014. Microstructural evolution of an incipient fault zone in Opalinus Clay: Insights from an optical and electron microscopic study of ion-beam polished samples from the Main Fault in the Mt-Terri Underground Research Laboratory. Journal of Structural Geology, 67: 107—128.

Ma K. F., Tanaka H., Song S. R., et al., 2006. Slip zone and energetics of a large earthquake from the Taiwan Chelungpu-fault drilling project. Nature, 444(7118): 473—476.

Omori Y., Ikei H., Kugimiya Y., et al., 2015. Nanometre-scale faulting in quartz under an atomic force microscope. Journal of Structural Geology, 79: 75—79.

Schulz S. E., Evans J. P., 2000. Mesoscopic structure of the Punchbowl fault, Southern California and the geologic and geophysical structure of active strike-slip faults. Journal of Structural Geology, 22(7): 913—930.

Wilson B., Dewers T., Reches Z., et al., 2005. Particle size and energetics of gouge from earthquake rupture zones. Nature, 434(7034): 749—752.

Yuan R. M., Zhang B. L., Xu X. W., et al., 2015. Microstructural and mineral analysis on the fault gouge in the coseismic shear zone of the 2008w7.9 Wenchuan earthquake. International Journal of Earth Sciences, 104(5): 1425—1437.

Observation of Nano/micro-scale Structures of Gouges in the Active Fault Zones

Wang Lei1, 2), Chao Hongtai1), Wang Zhicai1), Fu Jundong1), Wan Yongkui3), Yang Chuancheng1), Wu Di1)and Liu Jun1)

1) Key Laboratory of Engineering Earthquake, Shandong Earthquake Agency, Jinan 250014, China 2) Institute of Disaster Prevention, Sanhe 065201, Hebei, China 3) The First Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Tianjin 300180, China

Gouges are the common product bydeformation in the shallow crust of the active fault zones. They are made up of unconsolidated clastic, rock grains and clay minerals. Generally, the width of gouges in a fault zone is only a few millimeters to tens of meters, while it formed from one earthquake motion which is just a few millimeters to several centimeters. Gouges record the history and retain all kinds of the active fault zones. Therefore, as an important medium, gouges are useful to study the movement and activity of the active fault zones. In this paper we use high vacuum scanning electron microscope to study of structures of gouges at nano/micro-scale. Firstly, original-state directional samples of gouges in the active fault zones are collected. Secondly, the samples are dried up naturally in laboratory before they are made into micro samples. Thirdly, before observing nano/micro-structures by high vacuum scanning electron microscope, the surfaces of micro samples need to be coated with a layer of gold. Lastly, all kinds of phenomena of deformations on fabric in-surface and fabric in-surface are analyzed. For example, striations, ridges, grooves, groups of striations in different directions, slickenside, steps and arrangement types of clay minerals can be observed from fabric in-surface. Folds, gravels surrounded by clay minerals, rotation, break, clastic particle packed by clay minerals and other phenomena of deformations can be observed from fabric in-surface. These phenomena represent different meanings and reflect different mechanical property, which is useful in study of the fault movement, fault age, faulting mode, and faulting type.

Active fault zone; Gouges; Nano/micro-scale structure; Observation method

王雷，晁洪太，王志才，付俊東，萬(wàn)永魁，楊傳成，吳頔，劉軍，2018．活動(dòng)斷裂帶斷層泥的納微米構(gòu)造研究方法．震災(zāi)防御技術(shù)，13（3）：600—609．

10.11899/zzfy20180311

地震科技星火計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目（XH17020），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（ZY20150317），山東省地震局科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（活動(dòng)構(gòu)造研究）和山東省自然科學(xué)基金（ZR2012DM005）共同資助

2017-12-21

王雷，男，生于1988年。助理工程師。主要從事地震地質(zhì)和納米構(gòu)造方向研究。E-mail：wangleifz0421@qq.com

晁洪太，男，生于1964年。研究員。主要從事地震地質(zhì)、活動(dòng)構(gòu)造和地震區(qū)劃等方向研究。 E-mail：htchao@eqsd.gov.cn