通过在中国四川省西部安宁河断裂带进行科学钻探所揭示的元素迁移现象：对青藏高原东南边缘地震活动的影响

《Journal of Asian Earth Sciences》：Elements migration revealed by scientific drilling in the Anninghe fault, western Sichuan, China: Implication for seismicity in the southeastern margin of the Tibetan plateau

　　

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  本研究重点关注从深度达1000米的井中获取的岩芯样本。
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  在深部断层带可能存在古地震滑动的岩石证据。
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  岩芯样本显示深部断层带存在脆性-塑性变形。
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  深部断层带花岗岩中的主要氧化物和微量元素具有一定的迁移性。

引言

安宁河断层带（AFZ）位于青藏高原的东南边缘，是青藏高原向东南方向挤出与扬子地块交汇的关键构造节点。同时，它也是鲜水河-小江断裂系统的重要组成部分，该断层系统是一个大规模的左旋走滑断层带，定义了四川-云南菱形地块的东边界（Chen等人，2006；Li等人，2021；Sun等人，2021；Zhang等人，2022）。该断层带向北延伸与鲜水河断层相连，向南则与泽穆河-小江断层系统相连（图1a）。自晚更新世以来，该断层带经历了强烈的构造活动，成为中国大陆上地震活动最活跃的断层带之一（Chen等人，2021）。受断层活动的影响，断层带内的岩石保留了关于变形特征、滑移机制和流体活动的关键信息（Faulkner等人，2010；Yang等人，2015；He等人，2020；Wu等人，2021；Li等人，2022）。岩石的构造构造、矿物组合以及元素的迁移模式（包括富集和消耗）为理解断层活动和地震形成的物理化学条件提供了重要依据。安宁河-泽穆河断层带在其记载的历史中发生了六次震级≥6.0的强地震。其中，1536年3月19日和1850年9月12日发生的两次震级7.5的地震都发生在西昌市附近，是威力最大、破坏性最强的地震事件（Deng，2013；Zhang等人，2019）。安宁河断层带一直是青藏高原东南边缘活跃构造研究的关键区域。以往的研究系统地探讨了该地区的地表变形（Wang等人，1992；Ren，2014；Liu和Wang，2020；Chen等人，2021；Hua等人，2022）、断层气体排放（Zhang等人，2019；Zhang等人，2021；Xu等人，2022）、古地震学（Wang等人，2014）、破裂行为（Ran等人，2008）、地球物理测井（Hu等人，2016）以及滑移速率和地震成因机制（Zhou等人，2001；Fang等人，2005；Li等人，2020；Li等人，2021；Zhang等人，2022；Yang和Zhang，2026）。然而，目前尚未有人对该断层带深部约1000米处钻探获得的地质样本的岩石微观结构和地球化学成分进行过研究。这些通过钻探获得的岩芯样本未受到地表物理化学风化过程的影响，为地球科学研究提供了最直接的地下地质材料（Tang等人，2014；Tang等人，2015；Li等人，2018）。这些原始样本对于客观理解断层变形机制、地震成因环境和地震活动模式具有重要意义。

安宁河断层带科学钻探项目是在中国应急管理部国家自然灾害研究所的深层钻孔地球物理勘探基础科学研究计划下实施的。如图1c所示，在安宁河活跃断层带沿东西向剖面部署了三个钻孔，包括AFSD-1000m（设计深度：1000米，实际完成深度：991.86米）和AFSD-300m（安宁河断层科学钻探项目-300米；设计深度：300米，实际完成深度：501.30米），位于断层带的西部；以及AFSD-500m（安宁河断层科学钻探项目-500米；设计深度：500米，实际完成深度：515.22米），钻探在断层的东部。本研究通过系统分析AFSD-1000m钻孔中从?400.00米到?991.86米间隔的岩芯样本，对其岩芯结构和微观化学成分进行了研究（这些深部样本是通过钻探获得的，因此避开了地表沉积物覆盖层、过度风化的花岗岩和流化的砂层），采用了手工标本岩相学和扫描电子显微镜-能量色散谱仪（SEM-EDS）分析方法。此外，基于岩芯样本中的主要/微量元素的地球化学特征，我们阐明了断层带的构造、元素迁移模式及其与变形机制、滑移行为和地震活动之间的关系。

章节摘要

区域地质背景

安宁河左旋走滑断层带位于四川省西部，大致呈南北走向，长度约为150至160公里（图1b）。这个活跃的构造带起始于石绵县的田湾村，穿过米安宁县的肖彦井村，向南延伸至西昌市。断层面以60至80度的陡倾角向东或向西倾斜（Ran等人，2008；Wang等人，2014；Li等人）。

样品采集

为了更好地了解安宁河活跃断层带的深部构造特征并确保样品的连续性，本研究避开了地表高度风化的层段和未固结的砂层。从AFSD-1000m钻孔中系统收集了60个岩芯样本，采样间隔为10米，采集范围是从地表下400米到991.86米。这些样本经过了手工标本岩相学检查，重点研究了岩石学特征和蚀变强度。

深部断层带的岩石学特征

本研究重点分析了AFSD-1000m钻孔中的岩芯样本，以研究深部断层带的岩石特征（图2）。AFSD-1000m钻孔的岩芯岩石自上而下可以分为三个主要岩性单元：粗砂层、蚀变花岗岩和构造破碎的花岗岩。根据岩石学特征和矿物蚀变强度，该序列进一步细分为八个亚类，共包含十一个不同的層。

AFZ的滑移行为和地震活动

断层带内的岩石学特征和物理化学条件构成了研究断层滑移行为和地震触发机制的基础（Li等人，2018；Smith等人，2025；Sun等人，2026）。驱动断层滑移的机制是多方面的，包括由构造应力场变化引起的碎裂不稳定性以及改变断层岩石物理化学性质的流体介导的蚀变（Collettini等人）。

结论

基于对AFSD-1000m钻孔中?400.00米到?991.86米间隔内岩芯样本的岩石结构、矿物组合和元素迁移的详细分析，本研究得出以下主要发现： （1）深部AFZ含有蚀变和断裂强度不同的花岗岩，可分为三个主要单元：弱蚀变花岗岩、强蚀变花岗岩和碎裂花岗岩等；这些蚀变花岗岩在断层带中呈两侧对称分布。

CRediT作者贡献声明

魏青：概念设计。 杨宣辉：研究工作。 田家勇：资金筹集。 杨笃兴：方法学研究。 范宏瑞：方法学研究及正式数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然灾害研究所、应急管理部的基础科学研究计划（项目编号：ZDJ2019-15）和
国家自然科学基金（项目编号：41874113）的支持。我们感谢两位匿名审稿人的宝贵意见，这些意见显著提高了本文的质量。同时，我们也感谢矿物形态与成分分析实验室的工程师董少华的帮助。