高温高压条件下基性岩组成矿物蚀变的实验研究

Fluid-rock interaction between fault rocks and fluid in fault zones produces low-friction layered silicate minerals, and widespread distribution of which will result in varying degrees of fault weakening. Most of previous studies focused on mineral alterations of field samples such as fault gouges or cataclasites in the shallow crust. Systematic frictional experiments show that frictional healing mechanism of plagioclase and pyroxene, the main minerals of the mafic rock, is controlled by the process of pressure solution at hydrothermal conditions. This project aims to systematically study mineral alterations in mafic rocks through experiments under high temperature and high pressure. Using mixture samples of plagioclase and pyroxene, we will perform friction experiments and static pressure experiments of mineral alterations at hydrothermal conditions in gas medium triaxial frictional experimental instrument. Based on compositional and microstructural analysis of experimental samples by XRD, EMPA, SEM-EDS, and TEM, the study is to reveal alteration conditions and composition variation of mineral alterations of the mixture during the process of pressure solution of plagioclase and pyroxene, and determine the quantitative relationship between temperature and pressure conditions for mineral alterations, especially chloritization that causes fault weakening. The results of this study have important implications for the weakening of faults in mafic rocks and the nucleation of earthquakes.

在断层带中，断层岩与流体发生水-岩反应生成摩擦强度低的层状硅酸盐矿物，它们广泛分布会导致不同程度的断层弱化。以往研究主要关注地壳浅部的断层泥或碎裂岩等野外样品的矿物蚀变反应。系统的摩擦实验研究表明，在水热条件下，基性岩中主要矿物斜长石和辉石在脆性域的摩擦愈合机制主要受压溶过程控制。本项目拟通过高温高压实验系统地研究基性岩组成矿物的蚀变反应过程。在气体介质三轴摩擦实验装置上，选取斜长石和普通辉石混合样品，开展水热条件下矿物蚀变反应的摩擦实验和静压实验。利用XRF、XRD、EMPA、SEM-EDS、TEM等测试手段对实验样品进行成分分析及微观结构研究，揭示基性岩组成矿物斜长石和辉石在压溶过程中蚀变的条件及物质变化规律，确定矿物蚀变尤其是可引起断层弱化的绿泥石化蚀变的温压条件定量关系。本研究结果对含基性岩断层弱化及地震孕育成核具有重要的意义。

天然断层带中普遍存在水岩反应，新生成的含水矿物具有较低的力学强度，会引起不同程度的断层强度弱化，对断层滑动的稳定性有重要的影响。针对基性岩组成矿物的蚀变反应，本课题在高温高压条件下开展基性岩剪切变形过程中的水岩反应实验研究，并对实验后样品进行详细的微结构分析。实验发现，在围压200MPa和孔隙水压30MPa条件下，实验样品中斜长石和辉石强烈破碎形成局部化的剪切带，伴随着矿物颗粒压溶析出。在孔隙水压100MPa条件下，观察到斜长石和辉石普遍存在溶解反应界面。实验中的流体成分对水岩反应产物具有显著影响，在纯水流体环境下，斜长石和辉石发生溶解-沉淀反应生成新的斜长石和辉石；在富铁流体环境下，辉石反应生成富铁辉石，斜长石反应生成绿泥石；在富镁流体环境下，辉石反应生成滑石，斜长石反应生成绿泥石；矿物水岩反应速率由颗粒碎裂流和压溶驱动。实验结果与大洋玄武岩或橄榄岩天然样品中的水岩反应类型一致，本实验结果对下地壳和大洋俯冲带断层弱化及稳定性提供了重要的实验证据。为了与本实验水岩反应结果对比，本课题研究从实验拓展到实际断层，通过对采集自云南丽江-小金河断裂带的玄武岩摩擦镜面样品开展微观结构和成分分析发现，摩擦面上的辉石蚀变生成透闪石而远离摩擦面蚀变反应生成绿泥石。为了研究含绿泥石等弱矿物的断层摩擦强度与滑动稳定性，本课题对采集自甘肃老虎山断裂断层泥样品（粘土含量40-50%，包括约16%绿泥石）开展了摩擦实验，研究发现，含绿泥石的断层泥的摩擦系数在0.46-0.57，远低于斜长石和辉石的摩擦系数0.7，并且表现为速度强化的稳定滑动行为。这些断层样品的研究结果为断层带基性岩矿物水岩反应及其对断层强度弱化和滑动稳定性的影响提供了直接的实验证据。