斷裂熔融作用中單質(zhì)鐵形成的實(shí)驗(yàn)研究

認(rèn)識(shí)大地震破裂的作用和變形過程已成為當(dāng)前科學(xué)研究的研究重點(diǎn)。地震破壞機(jī)制、滑動(dòng)過程、物理性質(zhì)、力學(xué)行為、流行性行為、斷裂能量和地震源環(huán)境是地震因素識(shí)別和研究的中心和先進(jìn)熱點(diǎn)。與斷層相關(guān)的假玄武玻璃通常形成于同震摩擦熱溫度1000℃以上,被喻為“地震化石”(然而,目前報(bào)道的假玄武玻璃多形成于古地震和地下深部并經(jīng)過后期構(gòu)造作用出露于地表或者淺地表的鉆孔中(為了研究假玄武玻璃的原始特征,1區(qū)域地質(zhì)背景龍門山斷裂帶位于青藏高原東緣(圖1a,b),是四川盆地和青藏高原的分界線,具有顯著的地形高差,長約500km,寬約30km,自西向東可分為三條北東-南西向的斷裂帶:汶川-茂縣斷裂帶、映秀-北川斷裂帶和灌縣-安縣斷裂帶(圖1b)(2樣本和測試2.1武玻璃的顯微研究在WFSD-2鉆孔巖心中發(fā)現(xiàn)了一條碎裂巖帶,深度范圍是579.62～599.31m,其中識(shí)別出了20余層假玄武玻璃脈體。該條碎裂巖帶位于彭灌雜巖體內(nèi),其圍巖是花崗閃長巖?；◢忛W長巖呈淺灰色,主要礦物為石英、斜長石和少量暗色礦物等。碎裂巖具有碎裂結(jié)構(gòu),主要成分是石英、斜長石、白云母和方解石等,碎屑含量約50%～90%。假玄武玻璃呈黑色、灰黑色、灰白色的脈體注入到碎裂巖中,多數(shù)為不規(guī)則形態(tài),可分為注入脈和斷層脈。厚度較大的脈體中含有大量次棱角狀-次圓狀的主要成分為長石和石英的碎塊。脈體中發(fā)現(xiàn)的非晶質(zhì)成分,及識(shí)別出的微晶、氣孔、流動(dòng)構(gòu)造、微球粒、石英的港灣狀邊界和熔融構(gòu)造等顯微結(jié)構(gòu)特征表明其是斷裂熔融成因的假玄武玻璃脈體,經(jīng)歷的溫度高達(dá)1730℃(本文以WFSD-2鉆孔巖心中579.62～599.31m深度的碎裂巖及其圍巖———花崗閃長巖為研究對(duì)象(圖2a,b)。首先用鉆頭直徑為1cm的便攜式鉆機(jī)在566m和580.65m深度位置附近(圖2b)采集8個(gè)碎裂巖樣品和8個(gè)花崗閃長巖樣品,編號(hào)分別為C1～C8、G1～G8(圖2c,d)。然后用切割機(jī)將16個(gè)樣品加工成為直徑1cm、高約1cm的圓柱體。將C2～C8和G2～G8共14個(gè)樣品做高溫加熱實(shí)驗(yàn),并將C1、G1和高溫實(shí)驗(yàn)后的C2～C8、G2～G8樣品制成光學(xué)顯微鏡薄片和粉末樣。取三分之一的樣品制成光學(xué)顯微鏡薄片,將剩余樣品用無磁瑪瑙研缽磨成粉末樣,光學(xué)顯微鏡薄片用于光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察,粉末樣品用于地球化學(xué)分析和巖石磁學(xué)測試。2.2實(shí)驗(yàn)過程及測試過程高溫加熱實(shí)驗(yàn)在中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微組構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。高溫實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段,第一個(gè)階段是預(yù)熱處理,除去礦物顆粒間水分和有機(jī)質(zhì)。將C2～C8和G2～G8共14個(gè)樣品做預(yù)熱處理,所需加熱爐是真空碳管爐,加熱過程在氬氣環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(100KPa)進(jìn)行,逐步從室溫加熱到100℃、160℃、270℃、320℃,最后到400℃,保溫60min。將樣品取出,以備下一步的加熱實(shí)驗(yàn)。高溫加熱實(shí)驗(yàn)主要在高溫實(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)(ThermoOptical-Measurementsystem)中完成,該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)觀測升溫/降溫過程中樣品的形態(tài)變化。高溫實(shí)驗(yàn)在氬氣環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(100KPa)中進(jìn)行,加熱前抽真空3次,隨后用氬氣沖洗,確保無氧的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,防止樣品在實(shí)驗(yàn)過程中被氧化。C3～C8和G3～G8共12個(gè)樣品的加熱過程如下:C3和G3:加熱至700℃,設(shè)定加熱速度為30℃/min;C4和G4:加熱至900℃,設(shè)定加熱速度為30℃/min;C5和G5:加熱至1100℃,設(shè)定加熱速度為30℃/min;C6和G6:加熱至1300℃,900℃前設(shè)定加熱速度為30℃/min,900～1300℃設(shè)定加熱速度為20℃/min;C7和G7:加熱至1500℃,1200℃前設(shè)定加熱速度為30℃/min,1200～1500℃設(shè)定加熱速度為20℃/min;C8和G8:加熱至1750℃,1200℃前設(shè)定加熱速度為30℃/min,1200～1750℃設(shè)定加熱速度為20℃/min。每個(gè)加熱實(shí)驗(yàn)完成之后恒溫保持10min,之后開始降溫到室溫,降溫時(shí)間約3.5h,降溫過程在氬氣環(huán)境中進(jìn)行。X射線衍射分析(PowderX-raydiffraction)用來確定樣品的礦物成分。16個(gè)樣品取粉末樣做X射線衍射分析測試,測試工作在北京北達(dá)燕園微構(gòu)分析測試中心有限公司完成。樣品的磁化率測試由KLY-4旋轉(zhuǎn)卡帕橋完成,測試工作在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。樣品的磁滯回線在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁與年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。磁滯回線測量的儀器是Micromag3900型振動(dòng)磁強(qiáng)計(jì),最大磁場強(qiáng)度為1T。χ用于樣品的顯微結(jié)構(gòu)觀察的儀器是OlympusBX51光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡(LEOStereoscan440Scanningelectronmicroscopy),并用SEM-EDX(energydispersivespectrometry)獲得半定量的礦物成分。測試工作在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所完成。將光學(xué)顯微鏡薄片表面鍍一層納米級(jí)厚度的白金薄層,用于掃描電鏡觀測,觀測距離是6.8mm。掃描電鏡的工作環(huán)境是15keV和4nA。3結(jié)果3.1x射線衍射下xrd碎裂巖及高溫加熱實(shí)驗(yàn)后樣品的XRD測試結(jié)果見表1和圖3a。碎裂巖樣品在室溫、400℃和700℃三個(gè)溫度段的主要礦物類型是石英、斜長石、白云母和方解石,其中方解石和白云母是后期蝕變形成的礦物。900℃的C4含有石英、斜長石和白云母,而1100℃的C5只含有石英和斜長石。1300℃時(shí)開始出現(xiàn)方石英,C6含有石英、斜長石和方石英。經(jīng)歷了1500℃的C7只含有方石英。經(jīng)歷了1750℃的C8含有石英、斜長石和少量方石英。C5、C6、C7和C8樣品的XRD譜圖在10°～40°的2θ范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)峰帶,指示存在有非晶質(zhì)物質(zhì)(花崗閃長巖及高溫加熱實(shí)驗(yàn)后樣品的XRD測試結(jié)果見表1和圖3b。在室溫的主要礦物類型是石英、斜長石、白云母和方解石,其中方解石和白云母是后期蝕變形成的礦物。400℃和700℃兩個(gè)溫度段的主要礦物類型是石英、斜長石、白云母和方解石。與碎裂巖樣品相似的是經(jīng)歷了900℃的G4含有石英、斜長石和白云母,而1100℃的G5只含有石英和斜長石。1300℃時(shí)也開始出現(xiàn)方石英,G6含有石英、斜長石和方石英。經(jīng)歷過1500℃的G7為非晶質(zhì)狀態(tài)。經(jīng)歷過1750℃的G8含有石英和斜長石。G5、G6、G7和G8樣品的XRD譜圖在10°～40°的2θ范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)峰帶,指示存在有非晶質(zhì)物質(zhì)(3.2巖石磁學(xué)3.2.1磁化率碎裂巖及高溫加熱實(shí)驗(yàn)后樣品的重量磁化率和χ花崗閃長巖巖及高溫加熱實(shí)驗(yàn)后樣品的重量磁化率和χ3.2.2鐵磁性信號(hào)的變化代表樣品的磁滯回線結(jié)果見表2和圖5。黑色曲線為順磁校正前磁滯回線,灰白色曲線為順磁矯正后的磁滯回線。未經(jīng)歷過高溫實(shí)驗(yàn)的碎裂巖和花崗閃長巖的磁滯回線在順磁矯正前表現(xiàn)為一條直線(圖5a,j)。高溫實(shí)驗(yàn)后的樣品的磁滯回線顯示了較強(qiáng)的鐵磁性信號(hào)。實(shí)驗(yàn)溫度為400℃(C2和G2)、700℃(C3和G3)和900℃(C4和G4)的樣品的順磁矯正后的磁滯回線在磁場0.3T時(shí)發(fā)生飽和(圖5b-d、5k-m);而實(shí)驗(yàn)溫度為1100℃(C5和G5)、1300℃(C6和G6)、1500℃(C7和G7)和1750℃(C8和G8)的樣品的順磁矯正后的磁滯回線在磁場>0.6T時(shí)才發(fā)生飽和(圖5e-i、5n-q)。3.3氣孔構(gòu)造和微球粒碎裂巖含有50%～90%的碎塊,這些碎塊的邊界不規(guī)則,其成分主要是石英、長石及暗色礦物等。碎塊充填在暗色基質(zhì)中,粒徑從數(shù)微米到數(shù)毫米不等(圖6a-c)。碎裂巖的圍巖是花崗閃長巖,其中的碎塊主要來自于花崗閃長巖的磨碎和旋轉(zhuǎn)?；◢忛W長巖樣品主要含有石英、斜長石和暗色礦物,其中斜長石可見蝕變現(xiàn)象(圖6d-f)。碎裂巖加熱到400℃和700℃后降溫到室溫的結(jié)構(gòu)特征與原巖相比,顏色變淺而結(jié)構(gòu)特征并沒有發(fā)生明顯的變化(碎裂巖樣品C5和花崗閃長巖樣品G5加熱到1100℃后可見大量的粒徑<10μm的形態(tài)不規(guī)則的氣孔(圖7a,b、圖8a,b)和針狀長石微晶(圖9a)。加熱到1300℃的碎裂巖樣品C6和花崗閃長巖樣品G6中存在大量的氣孔構(gòu)造和微晶(圖7c,d、圖8c,d)。氣孔多為圓形,直徑較大,從幾微米到幾毫米不等,氣孔體積約為樣品的30%～50%。微晶多為褐色群組出現(xiàn),單個(gè)微晶為針狀,寬度為幾微米,長度為幾十到幾百微米。掃描電鏡下可觀察到呈樹枝狀、網(wǎng)狀等分布的灰白色針狀微晶(圖9b)。這些微晶多分布在氣孔的邊界。在樣品的邊界,可觀察到大量亮白色的直徑≤1μm的球狀微粒,有些形狀呈不規(guī)則狀(圖9c)。SEM-EDX結(jié)果顯示這些微球粒中鐵元素含量>90%,部分接近100%。加熱到1500℃的碎裂巖樣品C7和花崗閃長巖樣品G7中可觀察到大量的流動(dòng)構(gòu)造、氣孔構(gòu)造和微球粒(圖7e,f、圖8e,f)。流動(dòng)構(gòu)造的顏色為褐色、灰黑色,可見定向分布的微球粒。掃描電鏡下,這些微球粒為亮白色,粒徑為幾百納米到幾微米不等,切面可見環(huán)帶構(gòu)造(圖9d,e)。微球粒有兩種分布特征,一種定向分布在熔融基質(zhì)中,一種分布在氣孔內(nèi)壁上。SEM-EDX結(jié)果顯示這些微球粒中鐵元素含量>90%。熔體中可見殘余的形狀不規(guī)則的石英碎屑(圖9d)。加熱到1750℃的碎裂巖樣品C8和花崗閃長巖樣品G8中也觀察到大量的流動(dòng)構(gòu)造、氣孔構(gòu)造和微球粒(圖7e,f、圖8e,f)。流動(dòng)構(gòu)造的顏色為灰黑色和淺褐色,可見定向分布的微球粒。氣孔內(nèi)部可見黑色的邊界。微球粒的粒徑為幾百納米到幾微米不等(圖9f)。微球粒的分布特征與加熱到1500℃的樣品一致,但數(shù)量增多。小型微球粒(直徑<1μm)呈規(guī)則的多邊形形態(tài),圖9g中可見一個(gè)規(guī)則的八邊形組成的微球粒。隨著微球粒的生長,中型微球粒(直徑>1μm)的規(guī)則形態(tài)比較模糊,但仍然可以識(shí)別其多面體的形態(tài)特征(圖9h)。然而,大型的微球粒(直徑>3μm)并不能觀察到多面體的形態(tài)特征,其邊界通常吸附一些雜質(zhì)(圖9i)。SEM-EDX結(jié)果顯示這些微球粒中鐵元素含量>90%。熔體同樣中可見殘余的形狀不規(guī)則的石英碎屑。4討論4.1高溫下鐵元素和微量元素的含量花崗閃長巖和碎裂巖在900℃時(shí)產(chǎn)生脆性破裂,后期受流體作用形成的方解石發(fā)生熱解并消失?；◢忛W長巖和碎裂巖在1100℃時(shí)發(fā)生熔融作用,白云母熱解消失,形成了少量非晶質(zhì)成分,并形成了氣孔和少量針狀長石微晶。1300℃時(shí)可見大量的氣孔和微晶,表明高溫是形成微晶的重要條件。然而,溫度>1500℃的高溫實(shí)驗(yàn)后的樣品中并沒有看到微晶構(gòu)造。經(jīng)歷了1300℃、1500℃和1750℃高溫的樣品中可見大量的微球粒,SEM-EDX結(jié)果顯示這些微球粒中鐵元素含量超過80%,在去除有機(jī)質(zhì)后可以達(dá)到90%～100%。鐵元素含量高和幾乎無氧元素的結(jié)果表明這些微球粒是單質(zhì)鐵。這些單質(zhì)鐵微球粒的形態(tài)特征和元素含量與橄欖巖和鉻鐵礦中發(fā)現(xiàn)的單質(zhì)鐵(單質(zhì)鐵是隕石和月球巖中常見的鐵磁性礦物,其居里溫度為765～780℃(直接反應(yīng):C+Fe間接反應(yīng):CO+Fe碳的氣化:C+CO在討論還原性氣體CO下熔渣的高溫反應(yīng)時(shí)也發(fā)現(xiàn)了單質(zhì)鐵,并認(rèn)為隨著溫度的升高,高價(jià)鐵會(huì)逐漸還原成低價(jià)鐵,且單質(zhì)鐵的析出溫度不低于1200℃。花崗閃長巖和碎裂巖的高溫實(shí)驗(yàn)表明單質(zhì)鐵形成于≥1300℃的高溫熔融作用中。前人研究表明單質(zhì)鐵析出的高溫實(shí)驗(yàn)的還原劑主要有碳和氫氣(碎裂巖和花崗閃長巖的磁滯回線結(jié)果表明高溫實(shí)驗(yàn)前樣品主要含有大量的順磁性礦物(圖5a,j),碎裂巖和花崗閃長巖中的暗色礦物包括含鐵的角閃石與黑云母(圖6),因此,樣品中的順磁性礦物可能是角閃石和黑云母。不同溫度段的順磁性礦物的含量變化并不明顯(表2和圖5),盡管在1750℃時(shí)明顯增加,但是其對(duì)磁化率值的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于鐵磁性物質(zhì)(表2)。經(jīng)歷了400～900℃高溫的樣品的順磁矯正后的磁滯回線在0.3T附近發(fā)生了飽和,指示了磁鐵礦的磁性特征(4.2鐵元素成巖的形式地震活動(dòng)是瞬間釋放能量的過程,但很難在自然地震過程中直接觀察斷裂滑動(dòng)的摩擦熱能及其溫度。近年來,對(duì)不同巖石的快速摩擦實(shí)驗(yàn)可以再現(xiàn)地震斷層活動(dòng)過程、形成摩擦熱,可以用來研究滑動(dòng)摩擦弱化作用及斷層巖(假玄武玻璃和斷層泥)的物理化學(xué)性質(zhì)等(其中,μ是摩擦系數(shù),ρ是密度,C在以花崗巖類巖石作為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行的快速摩擦實(shí)驗(yàn)中,滑移速度是1.5m/s,軸向應(yīng)力是1.5MPa,在10s的實(shí)驗(yàn)過程中形成了熔體,熔體中鐵元素富集(自然界中,來自地幔的物質(zhì)和隕石都經(jīng)歷了高溫作用。綜上所述,我們認(rèn)為粘土礦物、硅酸鹽含量較多的斷層泥在同震滑移中因熱增壓機(jī)制的出現(xiàn)很難形成單質(zhì)鐵;而花崗巖、安山巖、輝長巖、閃長巖等巖漿巖和糜棱巖在流體作用弱、硫化物含量低的還原性環(huán)境中易在大地震滑移中形成單質(zhì)鐵。因此,熔融作用中形成的單質(zhì)鐵指示了流體作用弱、硫化物含量低及含有大量還原物質(zhì)的環(huán)境。WFSD-2鉆孔巖心的假玄武玻璃的顯微結(jié)構(gòu)觀察和化學(xué)成分測試(SEM-EDX)表明熔體中含有大量的鐵元素和少量的氧元素,并且不含硫元素(圖9m),經(jīng)過化學(xué)分子式配比計(jì)算后