近年来，全球大震不断，备受关注。随着对同震发震断裂和无震孕震断裂长期研究的科学积累和扫描电子显微镜的广泛应用，地震地质学家更加重视地震断裂带的精细构造、显微和超微构造的研究(Kanamori and Heaton， 2000；Schuiz and Evans， 2000; Cashman et al., 2007)。尤其着重研究了地震断裂带断层岩石的物性(Toro et al., 2004；Uehara and Shimamoto， 2004)，断层泥的物性和分维(胡玲等，2004；Wibberley，2004)，地震断裂带和断层主滑移带的厚度(Sibson，2003；付碧宏等，2008)，地震断裂带的滑移和润滑(Muhuri et al., 2003；Marone，2004；Rymer et al., 2006)，进而探讨地震断裂带的粘滑和蠕滑的演变和宏观动力学机制(Cahill，1999；Blenkinsop，2002；Ma et al., 2006；Moor and Rymer， 2007; Reches and Lockner， 2010；Haines et al., 2013)。上述地震断裂带的超微观研究也已深入到纳微米尺度和纳米尺度的观察(Willson et al., 2005；晁洪太等，2009；袁仁茂等，2014；Yuan et al., 2015)。本文基于中国东部郯庐活动断裂带同震和无震剪切滑移作用纳微米级构造的观测和分析，初步探讨脆性粘滑发震断裂和蠕滑孕震断裂的微观运动学机理。

引起人们对郯庐断裂带研究兴趣的原因，不仅仅因为它是中国大陆东部一条重要的大地构造分界断裂(Xu，1993)，还因为它是中国大陆东部一条重要的发震断裂(方仲景等，1986；李家灵，1989)。郯庐断裂带的确有其特殊的地方：一是漫长的发育演化历史；二是中国境内长达2400 km的展布以及切割并控制多个大地构造单元；三是不同段落对地震活动具有不同的控制作用(国家地震局地质研究所，1987)。郯庐断裂带的地震活动主要发生在下辽河-渤海段和山东-江苏段。

郯庐断裂带山东-江苏段是大华北地区唯一一条压扭性断裂带，在地表有很好的出露。其中安丘-莒县断裂是最活动的一条断裂(李家灵等，1994；郯庐活动断裂带地质填图组，2013)。历史上，沿该断裂曾发生1668年郯城8.5级特大地震(高维明等， 1988a，1988b)。

采样地点位于山东省莒南县左山(图 1)。该处断层发育于由白垩纪王氏组(K₂w)砂岩和青山组(K₁q)火山碎屑岩地层组成的山体中，走向N10°～15°E，倾向东南，倾角70°～80°。断层以走滑性质为主，剖面显示为“正断”假象。断层错断了晚更新世(Q₃)棕黄色含铁锰豆的亚砂土和全新世(Q₄)砂砾石层。除了1668年郯城8.5级地震事件之外，古地震研究发现，该处断层在距今1.2万年以来，还发生过另外3次古地震活动，从错断地貌、断层位移、地表破裂带规模等分析，古地震事件的震级大致与1668年地震事件相当(林伟凡等，1987)。

图 1

图 1 采样点构造背景及采样位置 Fig. 1 Tectonic setting of the sampling site(a) and sampling points(b) (a)采样点(A)地理位置图；(b)断层剖面图：①晚更新世(Q3)棕黄色含铁锰豆亚砂土;②断层破碎带，母岩来自白垩纪青山组(K1q)火山碎屑 岩;③断层破碎带，母岩来自白垩纪王氏组(K2w)砂岩;④ 断层滑动面和断层泥带；(c)为图1b中B区放大照片，示采样点具体位置和编号

沿断层面发育有50 cm厚的断层泥带。靠近基岩一侧为深灰绿色断层泥带，靠近松散沉积物一侧为浅灰绿色断层泥带，之间发育1～5 cm厚的紫红色断层泥带。从野外判定，紫红色断层泥带最新，是最新活动的断层滑动面(晁洪太等，2001)。

在断层剖面上分别采样：ZS-G₁，浅灰绿色断层泥与晚更新世(Q₃)含砾亚砂土接触面；ZS-G₂，浅灰绿色断层泥；ZS-G₃，浅灰绿色断层泥与深灰绿色断层泥之间夹紫红色断层泥；ZS-G₄，深灰绿色断层泥，含砾石透镜体。野外标本原状定向，用塑料盒密封包装。

本文以标本ZS-G₃为研究对象，标本显示的断层主滑移带呈深褐-紫红色片理化的断层泥带，宽约2.5 cm(0.5～5.5 cm不等)，其局部剪切片理束显示左侧斜列排列现象。断层主滑移带外侧灰绿色叶理化的断层泥带略显透镜体化。

断层主滑移带的bc滑移面上发育清晰的近水平擦线，可见大小不等的石英砾(粒)，大者直径为0.8～2.2 cm，并有叶理围绕。所有线状构造，均示本盘(西盘)向上逆冲运动(图 2a、2b)。

图 2

图 2 标本bc面观察 Fig. 2 Pictures showing the bc fabric planes of hand specimen (a)较大的石英砾(粗箭头示)，叶理面(细箭头示)。左侧斜列透镜体反映本盘向上运动。 (b)为图2a中D区局部放大，其方向性叶 理清晰。①②③为扫描电镜样品采样点

断层主滑移带的ab滑移面上共发现了3组擦线。第1组：分布较广，擦脊略宽，剪开砾石(直径为2～3 mm)，正向阶步，右行平移滑动，线理产状//NW∠5°(侧伏向，侧伏角，下同)。第2组：分布零星，细微隐避，依靠扫描电镜方能确认，线理产状//NW∠54°。多为前一组擦面掩盖，推测为右行平移-逆冲滑动。第3组：分布局部较为清晰，擦线细密，间距0.8～1 mm，线理产状//NW∠82°，为前二组擦面覆盖。结合“围岩”(叶理化带断层泥)构造判断，当为逆冲滑动的产物(图 3a、3b)。

图 3

图 3 标本ab面观察 Fig. 3 Pictures showing the ab fabric planes of hand specimen (a)虚线示擦脊擦线，曲线示阶步，箭头指剪开砾石；(b)为图3a中左下方脱落碎片，曲线示阶步，①②③为扫描电镜样品采样点

在电镜下观察，断层主滑移带发育的3组擦面擦线有如下表现：

第1组擦线(位置见图 3b①)，在ab组构面上，电镜下可见3种表现不同的擦线(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)。主要擦线(Ⅰ)和次要擦线(Ⅱ)两者相交18°～20°。前者(Ⅰ)分布稳定、连续，擦脊擦槽清晰，脊间11～12 μm。后者(Ⅱ)分布零散、断续，擦脊擦槽关联性不明显(图 4a)。主要擦线(Ⅰ)局部放大，其擦槽部分次一级擦线更加显现，而其擦脊(Ⅰ)部分，见更次级擦线(Ⅲ)。擦线(Ⅲ)与擦线(Ⅰ)之间夹角25°～27°，方向与擦线(Ⅱ)有区别，更加细密而零星(图 4b)。主要擦线(Ⅰ)局部继续放大，擦脊擦线(Ⅰ)仍可隐现，且明显见到脊和槽中均密集分布纳米/微米级的片状黏土矿物(粒径直径为35～45 nm)(图 4c)。

图 4

图 4 断层主滑移带第1组擦线的SEM观测 Fig. 4 SEM observation of the first set of slickenside lines in the PSZ. (a)ab组构面，主要擦线(I)(粗虚线)与次要擦线(Ⅱ)(细虚线)相交。箭头示落入擦槽的碎粒(SEM照片编号No.8259，下同)； (b)图4a中E区放大，更次要擦线(Ⅲ)成弧形扭动，一边收敛，一边撒开(虚弧线)(No.8260)；(c)图4b中F区放大， 黏土矿物显鳞片状构造，落入擦槽的碎粒(箭头)(No.8263)

第2组擦线(位置见图 3b②)，在电镜下可见擦脊有陡坡、缓坡之分，反映不是单纯的走滑运动，伴有逆冲成分(结合手标本观察是为平移-逆冲滑动)(图 5a)。

第3组擦线(位置见图 3b③)，在电镜下可见擦线刻画较深(达2～3 μm)，此现象在手标本上已经显示，脊槽突现，相间均匀(图 5b)。

图 5

图 5 断层主滑移带第2组、第3组擦线的SEM观测 Fig. 5 SEM observation of the second and third sets of slickenside lines in the PSZ (a)第2组擦线平直，擦脊、擦槽(虚线箭头)构成的线理平行a轴。线状亮域(实线箭头)示擦脊陡坡(No.8272)； (b)第3组擦线，擦槽较深(箭头)，翻上的纳米/微米级破损物质在擦脊堆积(No.8290)

在电镜下，叶理面波状起伏并形成拖曳痕迹，此为扭动剪切作用所致。可指示由下至上的滑动，同手标本所示逆冲方向一致(图 6a)。黏土矿物受到扭力的作用，弯曲成圆桶状疑似剑鞘褶皱，在核部裹夹透镜状石英颗粒(能谱测量获得颗粒成分为100%的SiO₂)，其长轴同褶皱轴相协调(图 6b)。黏土矿物(直径为75～95 nm)彼此镶嵌，相互叠置。这种现象，在多个观察点(见图 2b①②③)普遍存在。

图 6

图 6 断层主滑移带旁侧叶理的SEM观测 Fig. 6 SEM observation of the foliation belt adjacent to the PSZ. (a)拖曳褶皱(虚线)，所示向上运动方向(粗箭头)(No.1830)；(b)拖曳褶皱(虚线)和石英颗粒长轴(虚线箭头)， 所示向上运动方向(粗箭头)。圆桶状疑似剑鞘褶皱(实线箭头)。Q为能谱测量点(颗粒成分为100%的SiO2)(No.1832)。

由宏观(野外)-直观(手标本)-微观(偏光镜)-超微观(SEM)观察，不难看出，断层主滑移带的3组擦线是与地震同时产生的剪切作用产物。而断层主滑移带旁侧相伴生和派生的叶理构造带，则是无震活动的剪切作用产物。很显然，这2种产物在产生过程、应变速度、温压条件和剪切机制等诸多方面是不同的。

从直观到微观所见的擦线和叶理本身，就彰显出脆性和韧性2种不同的变形。在脆性变形过程中：①断层主滑移带存在3组表现不同的擦线(逆冲、逆-平移和平移)(图 3a、3b)；②在具有代表性的第1组擦线中又叠加次要和更次要的2组擦线(运动方向上有18°～27°的变化)(图 4a、4b)。从电镜下观察，其局部运动距离仅在95 μm(次要擦线)和20 μm(更次要擦线)范围内；③在第1组擦线的擦脊上，更次要擦线运动形成了微米级弧形旋扭构造(长4.3 μm)(图 4b)； ④第1组、第3组擦线均可见擦动阶步较缓、擦坡较平现象(纳米/微米级)(图 3b)。由此可知断层主滑移带在以逆冲、走滑为主的滑动过程中表现有突然跳动、“颤抖”和不稳定快速滑动的各种特征，这是脆性破裂致使断裂带应变增加、应变速率加快和偏应力加剧的反映(Mitre，1984；Fusseis，et al., 2006；Sun et al., 2008)。此种自发抖动迅速运动即所谓的粘滑滑移或滑移黏性，被广泛用来解释同震发震断层的滑移行为模式(Patek，2001)。由此说明断层主滑移带的纳微米级构造充分体现了这种粘滑行为。

而在断层主滑移带旁侧叶理的韧性变形过程中，上述4种脆性变形微观-超微观构造均未发现，而是见到：①如同受构造剧变影响层状硅酸盐岩呈薄片层状(Viti and Collettini， 2009)的叶理。由于断层泥黏土矿物并无变质，故为低温叶理(Holdsworth，2004)；②叠覆叶片呈定向延伸，受力扭动成拖曳褶皱(图 6a)，依此塑性变形调节协调应力应变变化；③受褶皱裹挟呈透镜状的石英颗粒常居褶皱核部，其长轴与褶皱轴相协调一致(图 6b)。上述3方面证据表明这种无震滑移过程，应变方式和制约传动与粘滑滑移绝然不同，是一种蠕散、稳定和缓慢滑动的特征，即蠕滑滑动(Crowther and Singh， 2007)。

从上述断层主滑移带和主滑移带旁侧叶理带的宏观和微观观察，可以把活动断裂带的发震系统划分为2个构造单元：一是孕震单元，以断层主滑移带旁侧的叶理带为载体；二是发震单元，以断层主滑移带为载体(图 7)。2个构造单元构成一个统一的发震系统。这2个构造单元，也是断层滑动过程中2个运动阶段的产物：第1阶段(蠕滑阶段)，表现为缓慢的蠕变滑移，产生少量的韧性变形，伴随少量的能量释放；第2阶段(粘滑阶段)，表现为快速的粘滑滑移，产生较大的同震断错变形，伴随巨大的能量释放，即对应地震事件的发生。

图 7

图 7 断层主滑移带示意图 Fig. 7 A cartoon showing the faulting of the PSZ a，b，c示组构轴；d示断层泥厚度2.5 cm；τ示剪应力；①②③分别示右行平移、右行平移-逆冲运动和逆冲运动3组擦线方向;另ab面 和ac面石英砾石以椭圆形、bc面以圆形为主。

应该指出的是，断层主滑移带旁侧的叶理带是经过多次断层变形而形成的，叠加了断层滑动历史的许多信息，既有断层粘滑的标志物，也有断层蠕变的标志物，本文把断层蠕变的标志物进行了突出强调，也是今后的重点研究对象。在断层主滑移带擦面上观察到的多组擦线，是多次地震事件所为，还是由主震和余震分别所为，还有待于今后通过多积累资料进一步探讨。另外，粘滑滑移之前的蠕变滑移，在地震孕育过程中的具体含义以及在地震预报方面的意义，也需要今后深入研究。

致谢：南京大学物理系电镜实验室协助完成电镜分析，两位审稿专家提出了宝贵修改意见，在此一并表示感谢。