沧口断裂断层泥膨胀机理研究

冷传旭，李学专，3，孙玺，邵铖，3，王晔，3

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032；

2.青岛岩土工程技术研究中心，山东 青岛 266032；
3.青岛海泊尔建设工程检测有限公司，山东 青岛 266032)

断层泥是脆性断裂带内的断层物质在压扭或剪切应力下磨碎的、由岩石矿物碎屑和黏土矿物组成的、未成岩的泥状物质[1]。一方面，断层泥是断层活动的地质信息载体，通过对断层泥微观结构和黏土矿物成分的研究[2～4]可以推测断层的活动性质；
通过对断层泥中石英微形貌特征解译[5～7]，以及采用电子自旋共振、释光等年龄测试方法[8，9]可以推测或测定断层的活动时代和活动期次。另一方面，从工程地质角度来说，断层是岩土体中的软弱带，而断层泥又是断层的软弱带，断层泥的强度参数对断层的强度有重要影响[10]。对于断层泥物理力学特征和工程特性的研究，有助于人们规避或克服断层泥对工程结构造成的不良影响。对于断层泥物理力学特征和工程特性的研究，目前主要集中于断层泥含水率与强度参数关系[11，12]、摩擦滑动特性[13，14]等方面，而对于断层泥的膨胀性及其膨胀机理的研究则鲜有报道。在青岛市城市地质调查项目—胶州湾东岸地质构造探测专项的调查工作中，在沧口断裂(胶州湾东岸段)主断面附近钻探时，揭露了具有强膨胀性的断层泥，钻探至该断层泥时，出现了明显的缩径和抱钻现象，根据自由膨胀率测试结果，该断层泥存在明显的膨胀性。为查明沧口断裂断层泥膨胀机理，本次研究采用自由膨胀率测试、黏土矿物成分分析及扫描电镜(SEM)图像定性和定量分析，对沧口断裂断层泥、泥质断层角砾岩的膨胀性、矿物成分和微组构特征对比分析，从微观尺度揭示断层泥膨胀机理。

沧口断裂为牟平-即墨断裂带中朱吴-店集断裂的青岛段，断裂长约 82 km，走向北东40°～55°，倾向SE或NW，倾角陡立，一般在70°～88°之间。断裂自北东起始于远洪沟村，向南西延伸，穿过青岛市区后，隐伏于胶州湾内，最后在黄岛再次出露地表[15]。

沧口断裂在地质历史上经历过多期活动，其活动方式也发生过多次变化，分别经历了张性活动期(燕山运动晚期)、左旋压扭性活动期(燕山运动晚期)、张性活动期(燕山运动晚期～喜山运动早期)、右旋压扭性活动期(喜山运动早期～晚期)。沧口断裂最新一次活动应为晚更新世中期。沧口断裂控制了胶州湾及周边地区中生代的火山活动、盆地沉积、岩浆侵入以及现代地貌的形成[16]，是影响青岛市区及周边地区工程地质稳定性的主要断裂之一[17]。

3.1 断层泥样品采取

本次调查选取了调查区内6个钻孔中取得的、主断面处具有明显膨胀性的6件断层泥样品作为测试样，以及断面附近膨胀性不明显的3件泥质断层角岩样品作为对照样，取样钻孔位置如图1所示。

图1 调查区范围和取样钻孔分布图

3.2 自由膨胀率

对钻孔中取得的断层泥和泥质断层角岩样品进行自由膨胀率测试。自由膨胀率测试在青岛市勘察测绘研究院土工实验室完成。

3.3 X射线衍射(XRD)

矿物含量测试采用X射线衍射(XRD)定量分析法，分析测试在武汉中地大环境地质研究院有限公司实验室完成，测试仪器为TD-3500 X射线衍射仪。工作电压 40 kV，工作电流 40 mA。各样品黏土矿物在自然定向片(NG)的基础上，制作了乙二醇饱和片(EG)，通过对两种不同方法处理的薄片进行X射线衍射分析，最终计算得到了各种矿物的含量。

3.4 扫描电镜(SEM)

为研究微观结构与断层泥膨胀之间的关系，对所采集的断层泥、泥质断层角砾岩样品制成光片，进行扫描电镜(SEM)拍照。扫描电镜测试在中国冶金地质总局山东局测试中心实验室完成，使用的仪器为日立TM4000型扫描电镜，加速电压 15 kV。

为对比研究，除本次研究所测试的断层泥和泥质断层角砾岩的自由膨胀率和矿物成分分析结果外，同时收集了其他文献中断层泥和泥岩的测试数据(见表1)。

由表1可以看出：①沧口断裂断层泥自由膨胀率为92%～120%，属强膨胀，泥质断层角砾岩自由膨胀率为12%～55%，为无膨胀性或弱膨胀；
②沧口断裂断层泥和泥质断层角砾岩主要膨胀矿物为伊/蒙混层矿物，沧口断裂断层的泥伊/蒙混层矿物含量为25%～48%，泥质断层角砾岩的伊/蒙混层矿物含量为19%～27%；
③由矿物组成可以看出，无论是本次调查取得的，还是其他文献给出的，断层泥的伊/蒙混层矿物含量相对其他种类的岩土要高。

表1 本次实验结果及其与其他地区膨胀/非膨胀岩土的矿物含量及自由膨胀率对比

一般来说，膨胀性岩土的膨胀性主要取决于蒙脱石的含量，膨胀土蒙脱石含量一般与自由膨胀率具有正相关[22]。而本次调查中沧口断裂断层泥和泥质断层角砾岩的膨胀性主要来源于伊/蒙混层黏土矿物。

沧口断裂断层泥和泥质断层角砾岩中普遍存在的伊/蒙混层黏土矿物应是断裂主断面附近蒙脱石在高温(150℃～350℃)及化学活动性流体共同作用转化而来[23～25]。蒙脱石主要来自两盘岩体中矿物的蚀变，而蒙脱石的伊利石化，其转化过程为蒙脱石晶层坍塌，低电荷蒙脱石转化为高电荷蒙脱石，当周边环境中有富K+、Al3+流体存在时，高电荷蒙脱石可转化为伊/蒙混层，随着伊利石在混层中比例升高，最终将全部转化为伊利石。在沧口断裂多期次的压扭性构造活动过程中，随着断层两盘摩擦挤压，主断面处温度升高，加之化学活动性流体的共同作用，蒙脱石发生了伊利石化。断裂周边正长花岗岩等岩体中的钾长石，为其提供了丰富的钾质来源。正是这种转化关系的存在，断层泥及邻近主断面的断层角砾岩等断裂带物质中，蒙脱石很少单独出现，多是以伊/蒙混层方式出现。

黏土矿物的种类和含量是影响沧口断裂断层泥和泥质断层角砾岩膨胀性强弱的因素之一，考虑到断层泥和泥质断层角砾岩形成于断层两盘反复挤压、错动的特殊应力环境下，膨胀性除了与黏土矿物种类和含量有关，还可能与其微观结构特征有关。因此在矿物成分分析的基础上，利用扫描电镜观察了沧口断裂断层泥和泥质断层角砾岩样品的微观结构。

由扫描电镜(SEM)图像(图2)所示，无膨胀、弱膨胀的泥质断层角砾岩和强膨胀的断层泥微观结构特征具有明显差异：无膨胀性的泥质断层角砾岩(图2a和图2b)，微观结构呈颗粒状，黏土矿物含量低，碎基中石英和长石等颗粒呈次棱角状～次圆状，粒径一般约 2 μm～3 μm，分选较好，反映其经过了反复磨碎；
弱膨胀性的泥质断层角砾岩(图2c)，少量片状伊/蒙混层黏土矿物集粒呈无序状穿插于碎屑矿物颗粒之间的缝隙中。强膨胀性断层泥中板片状黏土矿物含量较高，呈半定向排列，包裹着少量的石英、长石等碎屑矿物(图2d-2f)。

图2 沧口断裂断层泥、泥质断层角砾岩SEM图像

如图3所示，断层泥的微观结构为少量石英、长石等无膨胀性的碎粉颗粒被大量半定向密集排列的板片状伊/蒙混层黏土矿物所包围。当断层泥遇水时，伊/蒙混层黏土矿物快速吸水膨胀，黏土矿物半定向密集排列的微观组构使黏土矿物的膨胀“合力”一处，无膨胀性的碎屑矿物颗粒只是被黏土矿物包裹，颗粒之间基本无接触，基本不会阻碍膨胀体积的扩大。具有该结构的断层泥多具有强膨胀性；
泥质断层角砾岩的微观结构为少量板片状伊/蒙混层黏土矿物分散穿插于碎屑矿物颗粒之间，膨胀性黏土矿物含量少且分散，具有该结构的断层泥一般无膨胀性或呈弱膨胀性。

图3 断层泥微观结构示意图

为了定量分析断层泥和泥质断层角砾岩的微观结构特征，利用专业图像处理软件Image-Pro Plus(IPP) 6.0对SEM图像进行阈值化处理和定量计算分析。SEM图像的处理和定量分析基本原理是以某一灰度阈值对图像进行阈值分割，从而简化图像、明确二元组构边界，便于定量计算。由于样品中矿物颗粒彼此相连，阈值化处理的图像不能准确反映颗粒的特征，但是孔隙的特征得以保留。断层泥的孔隙是其微观结构的重要组成部分，孔隙既是黏土矿物膨胀的内部空间，又是颗粒排列关系的映射，因此本研究计算和分析对象为样品的孔隙。为统一变量，同时最大限度地体现孔隙的特征，本次研究统一选取放大倍数为1 000倍的SEM图像参与分析，所选取的孔隙参数有孔隙数、孔隙总面积、面孔隙率、平均孔径、分形维数，其中分形维数为反映孔隙自相似性的特征参数。SEM图像阈值化处理流程如图4所示，具体分析步骤可参考相关文献[33]。

图4 SEM图像处理流程

经过IPP软件进行图像处理和参数计算后，胶州湾东岸段沧口断裂断层泥和泥质断层角砾岩孔隙计算参数如表2所示：

表2 沧口断裂断层泥和泥质断层角砾岩孔隙计算参数

可以看出，断层泥和泥质断层角砾岩的孔隙面积、面孔隙率、平均孔径等孔隙参数与自由膨胀率之间没有明显相关性，但是孔隙的分形维数则有明显差异：强膨胀断层泥孔隙分形维数在 1.090 3～1.097 4之间，弱膨胀的泥质断层角砾岩孔隙分形维数在 1.106 2～1.109 4之间，无膨胀的泥质断层角砾岩分形维数可达 1.117 2。强膨胀断层泥普遍比无膨胀和弱膨胀泥质断层角砾岩分形维数小。孔隙的分形维数是反映孔隙自相似特征的参数。分形维数越小，自相似性越强，可以看出，沧口断裂主断面处断层泥孔隙的自相似性较断面附近的泥质断层角砾岩要强。

Sammis et al(1987)[26]首次研究并发现了断层泥具有自相似性，并将分形理论应用于断层泥研究中。在此之后，分形理论广泛用于断层泥分形特征与断裂活动关系的研究中[27～29]。断层泥孔隙的自相似性是由于主断面处断层物质在压扭性构造应力作用下反复挤压、磨碎，矿物颗粒发生半定向排列，断层泥矿物颗粒的排列关系也会映射到孔隙结构中，断层泥的孔隙相应地显示出一种自相似特征。

结合沧口断裂的构造活动历史，自中生代以来，沧口断裂经历多期活动，其中不乏多期压扭性活动。一方面，反复的挤压、摩擦导致主断面处温度升高，化学活动性流体流动频繁，为伊/蒙混层黏土矿物的形成提供了物质和环境基础，另一方面，这种特殊的应力环境也使得断层泥具有大量膨胀性黏土矿物围绕碎屑矿物颗粒半定向排列的微观结构。虽然膨胀性黏土矿物的含量可能是决定断层泥膨胀的主要因素，但断层泥的微观结构也对断层泥的膨胀起到了一定作用，一定程度上可以增强断层泥的膨胀潜势。可以想见的是，具有相似的矿物组成和应力环境的断层泥，可能都具有一定的膨胀性，建议在今后的岩土工程勘察工作中，应重点关注断层泥的膨胀性，为后期的设计和施工优化提供依据。

①沧口断裂断层泥自由膨胀率为92%～120%，属强膨胀，泥质断层角砾岩自由膨胀率为12%～55%，为无膨胀性或弱膨胀；
②沧口断裂断层泥中黏土矿物主要为伊/蒙混层黏土矿物，含量为25%～48%，是主要的膨胀性黏土矿物；
③强膨胀的断层泥具有大量伊/蒙混层黏土矿物围绕碎屑矿物半定向排列的微观结构，孔隙分形维数也体现出断层泥孔隙具有明显的自相似性，反映了在多期次压扭性构造应力作用下，断层泥形成了特殊的微观结构，这种微观结构特征增强了断层泥的膨胀潜势。

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