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  断层泥指未固结或弱固结的泥状岩石。发育在地壳浅层脆性断层带中,呈各种彩色条带平行断层面展布,带宽由几毫米至数十米。断层泥的主要成分是粘土矿物,其次为原岩的碎粉和碎砾,是断层剪切滑动、碎裂、碾磨和粘土矿化作用的产物。断层泥中的粘土矿物是层状硅酸盐(高岭石伊利石绿泥石蒙脱石等)和层链状硅酸盐类(海泡石等)。

  断层泥作为断层活动的一种产物,记载着断层活动的多种信息,包括活动年代、运动方式、活动期次和赋存环境等。随着研究工作的深入,对断层泥物质成分和结构特征等方面的认识日益全面。

  断层作为最重要的结构面之一,控制着岩土体的稳定性,进而影响建筑物的安全性。从工程地质角度来看,断层泥是一种软弱带,较邻近的岩体要差,是许多地质灾害发生的边界条件。从岩体力学来看,由于断层泥力学性质差,强度低且分布较广,是岩体工程工作的重点对象。万博客户端手机版国内外很多大型水电工程、矿山工程、边坡工程和隧道巷道工程中都与断层和断层软弱带相关。据统计,在一些大型水电工程中,70%以上的勘察工作和80%以上的基础处理工程都是针对断层带或与之相关的断层构造岩。断层带给矿山开采、隧道开挖和地下建筑等造成的危害极其巨大,它也是形成滑坡、崩塌等地质灾害的控制因素。

  为了减少由断层引发的工程地质问题,万博客户端手机版经常要进行大量的工程处理,人类也积累了不少实践经验和科学研究成果。但是,这些经验和研究成果大多都是从工程角度来处理,缺乏对地质体本身性质的认识,从而导致很多工程后遗症,增加工程成本,延长工期,严重影响工程建设和经济效益的正常发挥。然而,从工程地质地球化学角度深入研究断层泥的本身性质,研究物质成分如何变化,结构如何变化,导致力学参数降低的根本原因等等,这不仅具有理论意义和实际意义,同时对社会将产生很大的经济效益和环境效益,而且也将会对工程地质学和地球化学以及两者的交叉学科的发展起到积极的推动作用

  断层泥主要发育在地壳浅部,是断层反复运动时两侧岩石破碎形成的。蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石等粘土矿物是断层泥的主要组成部分,断层泥形成时间越长,粘土含量越多。

  通过前人的研究可以看出,关于断层泥矿物成分的研究主要集中在粘土矿物上,重点探讨了其力学性质及滑动方式,缺乏对其他特征矿物及其所反映的赋存和演化环境的研究。

  地质体中的化学成分研究一直是地球化学研究的基本问题。近年来随着科学的发展,相关学科间的交叉渗透,不断涌现出新的分支科学,如工程地质地球化学。对断层泥进行地球化学实验,能更好地揭示其形成与演化,为解决相关的工程问题奠定理论基础。

  断层泥化学成分研究的资料较矿物成分研究要匮乏,对断层泥的化学成分做了很多测试分析,包括龙羊峡、李家峡等大型水利水电工程,认为断层泥的化学成分不仅同围岩成分有关,而且同断层泥的性质、断层泥的赋存环境有关。对云南小湾断层泥样品中的伊利石研究结果并与国内17个伊利石以及白云母理论值的化学组成进行对比,结果发现,断层泥中伊利石含量高于白云母理论值(45.2%)和断层剪切面上的伊利石,而低于风化成因的伊利石。

  关于气体组份,有学者利用现场测断层气来说明断层的活动性,梁通过对大柳树坝址断层泥样品做吸附气体实验,得到断层泥中的气体组份并且和断层活动年代建立了相关关系,说明断层泥吸附气体与断层赋存地质环境、演化历史和活动性密切相关

  王其允(1979)通过对美国圣安德列斯断层泥的研究,发现断层活动时间越长,强度越大,断层泥的粒度越细,越均匀。同时对于不同活动方式产生的断层泥,其粒度特征也不同。之后王仁等通过对一些断裂带中断层泥粒度的分析研究,认为强烈的单峰型断层泥可能代表着断层的最新一次活动,双峰型断层泥的强峰在泥质区,弱峰在粗粒区,这可能与断层的蠕滑活动相对应。后来研究发现断层泥的粒度特征和黄土、断层两盘围岩的粒度特征有比较大的差异,且根据断层的粒度特征等可初步判断断层的活动性质,直到通过对红河断裂、雾都河断裂、樟木断裂等10条断层的断层泥粒度研究,提出断层泥粗粒含量高于45%、粘粒级含量低于30%,断裂运动以粘滑为主;若断层泥的粘粒级含量高于45%、粗粒级含量低于30%,则断裂以蠕滑为主。当破裂研磨作用减小时,断层泥颗粒并不会随着断层位移的增大而无限变小,而是趋近于稳定值。

  自提出分形几何理论以来,该理论逐步应用于物理、材料科学和地球科学等诸多领域。由于岩石破碎模型的引入,分形理论又开始应用于研究断层泥、冻土、泥石流沉积物和冰碛物等各种粒度组成的颗粒。

  通过对大量的断层面的研究,得出断层的粘滑作用与断层表面粗糙度和颗粒度有关,与断层泥的厚度无关。首先将分维理论应用于断层泥研究领域,运用电子显微镜等手段统计颗粒分布,得到了美国圣安德烈斯断层系的洛佩斯断层泥的分维值。

  分形理论传入我国后,很快就应用到地球科学领域。在断层泥分形方面,邵顺妹、易顺民、邹谨敞、李细光、胡道功等做了大量的工作,结果表明,活动断裂带断层泥分维值与断裂活动有比较密切的关系,粒度分维值的大小可以反映了断裂活动的方式。一般断层泥的粒度越粗,分维值就越大;当断层泥起始粒度一定,断层泥活动性越强,分维值就越大。一般断层泥粗粒含量多,说明断层滑动速率快,研磨不充分,断层以粘滑为主,若细粒含量多,则表明断层泥是经过缓慢反复研磨形成的,断层以蠕滑为主。

  关于断层泥结构研究愈来愈受人们重视,一方面归功于结构本身反映物质性质的重要性;另一方面应归功于研究手段的更新。可以说,工程地质中有关断层泥微结构研究丰富和发展了断层的研究内容。断层泥结构研究中以结构类型和连接特征为主。大部分成果主要阐述断层泥所含矿物的结构特征,特别是石英颗粒表面的SEM特征。

  断层泥中石英表面颗粒显微构造特征的研究主要是应用电子显微镜观察其表面溶蚀程度来研究断层的活动性质。石英透光性非常好,质地坚硬,可以很好地反映断层的活动信息。当断层活动时,就会在石英颗粒表面上保留下撞击坑、擦痕、断口、裂隙、鱼鳞状、贝壳状、次贝壳状以及橘皮状等结构。根据这些结构特征就可以判定断层是蠕滑还是粘滑。一般认为颗粒表面有强烈的撞击坑、擦马向贤断层泥特征及其工程地质意义。

  痕和断口等脆性破裂的,断层主要表现为粘滑,若出现裂隙且没破坏、轻微撞击坑和鱼鳞状等特征的,断层主要表现为蠕滑、擦痕线的叠加、切穿现象表明,断层在中更新世的滑动至少有3个亚期次。综合应力痕迹和微形貌特征认为,3个亚期次滑动的前两次表现为粘滑,第三次为蠕滑或粘滑向蠕滑过渡类型进行微结构研究,有三个关键问题:一是制样,二是观察手段,三是资料分析方法。传统制样方法是自然风干,1990年以来,随着科技的发展,新的干燥方法不断涌现,如临界点干燥法、低温冷冻干燥和真空抽气干燥等,新方法克服了样品干燥过程中引起的变形和物质赋存环境的变化。现代的观察方法以扫描电子显微镜为主,利用X射线衍射仪研究断层泥微结构的成果。从研究资料情况来看,多以定性观察为主,图像自动分析,数据达到半定量水平

  断层泥的工程地质研究主要是对其物理力学性质的研究,同时结合断层的活动性来分析和解决相应的工程地质问题。

  断层泥是断层岩中性质最差的一类,力学性质也最差,常导致一些工程地质问题。同时断层泥的研究也是解决这些地质工程问题的一个重要切入点。断层泥的物理力学性质指标是进行工程岩体稳定分析评价的基本参数,是断层岩工程地质研究的重点。在长期的工程实践中,人们广泛地开展了断层岩物理力学性质测试和研究工作,积累了丰富的资料。

  (1)测试方法、仪器设备和资料处理都待改进。断层泥的测试都是借鉴土力学方法,而断层泥的性质和土体又有很大差别,这就导致测试方法不一定实用。另外断层泥的不均一性更为显著,物理力学性质常因赋存环境而异,更增加了测试工作的难度。另外测试方法也很不统一。

  (2)缺乏断层泥物理力学性质和断层泥本身物质成分、结构特征等关系的研究。

  断层活动性的研究重点包括活动方式和测年两方面的成果。关于断层活动方式的研究重点通过研究断层泥的结构特征来反映,前已提及,此处不再赘述。关于断层泥中的测年方法已有多种,大多数都基于同位素测年。

  热释光法是根据断层活动所产生的摩擦热而致零,即热淬火效应,断层活动后又重新开始计时来测年的。电子自旋共振是由于电子有1/2的自旋,在外加磁场能级下而测试年代的方法。磷灰石的裂变径迹是根据磷灰石中矿物中的U、Th等放射性同位素自发裂变产生的径迹数和自发裂变的速度来进行年龄的测定的方法。

  断层泥测年采用最多的是TL和ESR两种方法,其用于测断层泥样品的机理也类似,都是测试矿物中有一些信号和物质随时间积累,断层的强烈活动(热事件)可以使其回零(退火)。可以看出,测量结果是否可靠,主要取决于断层活动能否将矿物中已经积累的信号和物质回零。

  到实践中,也取得了较好的成果,节省了工程费用,为国民经济做出了巨大的贡献。

  断裂活动年代的确定是当代地球科学中的一个重点和热点。以往仅根据地质现象和断裂发育的地层年代与断裂的关系来确定断裂活动的时间区间,这样的测年结果很不准确,已不能满足当今地球科学发展的需要,特别是在地震地质研究中。此外确定断裂的活动时代和最后一次活动的时间对地震地质和工程地质的研究非常重要。因此,如何准确获取断层的活动年代,成为当今断层研究工作的一个难点。

  直接应用断裂活动过程中产生的断层物质确定断层年龄,获得比较理想的结果。这为以后通过断层物质特别是断层泥来确定断层年龄提供了可靠的依据。之后中国的水利水电工程地质勘察规范中明确提出活断层的判别标志,可根据断裂带中的断层岩确定,并确定了最后一次错动年代距今10-15万年(绝对年龄)

  (1)断层泥的形成和演化研究还没形成系统的理论,对其成因还处于模糊的状态,是以后研究工作的重点和难点。

  (2)关于断层泥矿物化学成分的研究目的。只达到半定量的水平,还会受采样和实验状况的影响。可以进一步提高研究的精度,达到定量水平。

  (4)粒度和分形的研究是研究断层泥研究的热点,多侧重分形理论研究,缺少分形研究和其它方法有机结合。断层泥表面粘滑摩擦的显微力学特征又是断层活动性研究的一个重要方面,但成果还很欠缺,因此从断层泥的分形研究可能对了解断层面粘滑摩擦的显微力学特征有较大的帮助。

  (5)同断层泥有关工程地质问题分析的物理模拟和数值模拟有待进一步深入,这将为断层泥形成和演化的研究提供参考,为解决相关的工程地质问题提供依据

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  胡道功, 吴淦国. 活断层中断层泥分形与断裂活动关系[J]. 地质论评, 2000, 46(5):507-511.

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