王焕、李海兵等-Geology: 汶川地震造成地壳浅部含水断层泥熔融

　　大地震发生机制一直是科学家们努力探索的重要课题，也是地震地质和地震物理学界一个长期富有挑战性的难题。与断层相关的假玄武玻璃（凝固的摩擦熔融体，或称假熔岩）是大地震滑动的唯一可靠标识，其中蕴含了地震断层滑动过程中“物理-化学性质”和力学属性等的重要信息，被喻为“地震化石”，是认识大地震发生机制的重要载体。长期以来，普遍认为假玄武玻璃形成于约4 km以下断层深部的孕震带，并且只能在“干”的坚硬的岩石中形成，因为浅部存在的大量孔隙流体在断层滑动过程中产生热增压作用，从而增加断层滑动带中的流体压力而减小有效正应力，进而抑制了摩擦热的升高。因此，自然界中尚未发现过断层泥熔融形成假玄武玻璃。

　　近期，中国地质科学院地质研究所李海兵研究团队与合作者通过对汶川地震断裂带科学钻探岩心的研究，在地壳浅部断层力学机制方面取得了新的重要认识。在汶川地震断裂带科学钻探1号孔（WFSD-1）岩心研究中，发现了汶川地震产生的新鲜假玄武玻璃（图1），其形成的位置极浅（地下732.6 m深度），且产生于非固结的、富流体的断层泥中。微构造分析显示，该假玄武玻璃主要由石英碎屑和由长石与黏土矿物熔融的非晶质基质组成，基质中发育许多不规则的微裂隙，并可见流动构造（图2）。化学成分分析显示，基质富Ba且被重晶石（BaSO4）小细脉切割，为同震及震后流体存在的证据。

　　由于假玄武玻璃在流体存在的条件下会快速蚀变，且龙门山地区大地震复发周期为3000～6000年，因而这些完全未被蚀变的新鲜的假玄武玻璃可能是最近一次大地震，即2008年汶川地震的产物。针对钻孔中断层泥进行的高速摩擦试验，证实了在钻孔732 m深度发生地震滑动的条件下确实会产生假玄武玻璃。因此732.6 m深处的假玄武玻璃被认为是汶川地震的产物，代表了汶川地震的主滑动带位置（PSZ732）, 这是首次在自然界中发现断层泥摩擦熔融形成假玄武玻璃的实例。结合先前在589.2 m深处识别出的另一主要滑动带（PSZ589），本研究提出大地震过程中，断层可以沿多个分支同时产生破裂（图3），并且可以在浅部富流体的条件下发生摩擦熔融。

图1 汶川地震断裂带科学钻探1号孔（WFSD-1）的构造环境和断裂岩特征

A: 青藏高原大型活动断裂带分布；B: 龙门山构造简图与WFSD钻孔分布；C: WFSD-1岩心中断裂岩分布；D: WFSD-1钻孔732.4-732.8 m深处岩心，包含厚约2 mm的黑色假玄武玻璃；E: 假玄武玻璃表面的擦痕及镜面构造。

图2 WFSD-1岩心732.6 m深处断裂岩的显微构造特征

A-B: 滑动带内断层角砾岩、断层泥和假玄武玻璃的特征；C: 由石英碎屑和基质组成的假玄武玻璃特征；D: 假玄武玻璃基质中发育众多未被充填的不规则微裂隙；E: 图D中点1的扫描电镜能谱图；F: 假玄武玻璃基质中的微裂隙和波纹状构造；G-H: 图F中区域2和3的透射电镜能谱图。（A为光学显微镜照片，B-D为扫描电镜照片，F为透射电镜照片）

图3 WFSD-1岩心中两条汶川地震主滑动带（PSZ）

A: 穿过WFSD-1钻孔的地质剖面；B: 汶川地震同震地表破裂带，在破裂面上可见两组擦痕；C: 589.04-589.34 m深处岩心特征，其中包含主滑动带PSZ589（断层泥石墨化作用）；D: 732.40-732.80 m深处岩心特征，包含形成假玄武玻璃的主滑动带PSZ732（摩擦熔融机制）。

　　本研究提出了以下三个与地震断裂相关的颠覆性认识：

　　（1）摩擦熔融可以发生在浅层含流体的断层泥中。一般认为，地震过程中，摩擦热会导致粒间孔隙流体的热膨胀增压，形成同震断层弱化（热增压机制）抑制摩擦熔融的发生。然而本研究表明，摩擦熔融可以发生在断层非常浅且富流体的位置，因此，对断层浅部的力学属性和变形机制需要重新评估和认识。

　　（2）摩擦熔融在自然界断层中应该是普遍存在的。该认识颠覆了假玄武玻璃是罕见的且只产生于干的环境下的传统认识，其稀缺性是因为它们很少被保存下来，或者很少被识别出来。因为地质时间尺度内，在连续的断裂作用、蚀变及脱玻化过程中，它们的结构特征被逐渐抹去而难以辨认。

　　（3）大地震可以沿多个不同运动性质的分支断裂同时破裂，且在不同深度伴有不同的滑移机制。地震破裂通常沿一条断层传播，或者破裂从一条断层跳跃至另一条（分支）断层传播。然而汶川地震使不同性质断层同时（或准同时）破裂，表明大地震断层破裂的复杂性，为研究大地震发生机制和破裂传播提供新的思考。

　　上述成果不仅对认识汶川大地震的发震机制、断层强度、应力迁移与破裂传播具有重要意义，而且补充和完善了现有的断裂理论。

　　本研究成果由国家自然科学基金项目（41830217、41972229）、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项（GML2019ZD0201）、中国地质调查项目（DD20221630）、欧洲研究理事会CoG项目（614705 NOFEAR）联合资助。研究成果发表于国际地学著名期刊《Geology》上：H. Wang, H.B. Li*, G. Di Toro, L.-W. Kuo, E. Spagnuolo, S. Aretusini, J.L. Si and S.-R. Song. 2023. Melting of fault gouge at shallow depth during the 2008 MW 7.9 Wenchuan earthquake, China. Geology. 

　　原文链接：https://doi.org/10.1130/G50810.1.