青藏高原內(nèi)部發(fā)育了一系列正斷層控制的南北向裂谷系（南北向正斷層系）。南北向裂谷系現(xiàn)今地震活動(dòng)頻繁，上世紀(jì)以來(lái)發(fā)生過(guò)多次6.0級(jí)以上地震，最新的強(qiáng)震活動(dòng)為2025年1月7日定日Ms6.8級(jí)地震，發(fā)震斷層為申扎-定結(jié)裂谷南段的登么錯(cuò)斷裂。由于無(wú)法直接觀測(cè)到震源巖石的孕震和同震變形，限制了對(duì)西藏南北向正斷層孕震機(jī)理和同震滑動(dòng)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。
斷層鏡面(Fault Mirrors)是脆性斷層滑動(dòng)形成的一種極為光滑的斷層面。天然斷層鏡面樣品顯微結(jié)構(gòu)和室內(nèi)摩擦實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明斷層鏡面可以記錄斷層滑動(dòng)和地震孕育發(fā)生過(guò)程(Rowe and Griffith, 2015; Verberne et al., 2019)。
南北向裂谷系南段廣泛延伸至喜馬拉雅地塊，喜馬拉雅造山帶地殼具有極高的硼(B)活度，表現(xiàn)為含電氣石淡色花崗巖、偉晶巖和富電氣石脈體的廣泛出露(Wu et al., 2020)。大量研究表明地殼富B特征對(duì)于喜馬拉雅造山帶深部巖石變質(zhì)、深熔作用、淡色花崗巖巖漿形成演化和稀有金屬富集成礦作用具有重要作用，而對(duì)于富B的熔體/流體和電氣石在造山帶深部變形、斷層活動(dòng)和地震孕育發(fā)生過(guò)程中的作用尚不清楚。
針對(duì)以上問(wèn)題，中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)與強(qiáng)震預(yù)測(cè)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳建業(yè)研究團(tuán)隊(duì)成里寧副研究員，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室周永勝研究員和Chris J. Spiers客座研究員，在亞?wèn)|-谷露裂谷、申扎-定結(jié)裂谷和空措裂谷等南北向裂谷中發(fā)現(xiàn)了一種特有的斷層鏡面類型—電氣石斷層鏡面(圖1)，該鏡面主要沿電氣石層發(fā)育，但在其寄主巖石花崗巖中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)同等規(guī)模的斷層滑動(dòng)面。電氣石鏡面在上述裂谷中廣泛出露且規(guī)模巨大，沿裂谷走向延伸可達(dá)10公里以上，單個(gè)鏡面露頭高度和寬度可達(dá)數(shù)十米(圖1)，這些斷層沿電氣石層發(fā)育的特征表明，電氣石是喜馬拉雅造山帶南北向裂谷系中非常特殊而重要的礦物，電氣石變形可能控制了斷層滑動(dòng)，這有別于大陸地殼常見的花崗巖斷層變形特征。
為什么是電氣石控制斷層滑動(dòng)，而不是花崗巖和石英？電氣石鏡面形成是否與地震過(guò)程有關(guān)？為了解答上述問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)選擇珠峰大本營(yíng)以北查亞山附近的典型電氣石斷層鏡面露頭(圖2)，系統(tǒng)開展了高分辨率掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）微觀結(jié)構(gòu)分析、石英Ti溫度計(jì)和EBSD測(cè)試、摩擦實(shí)驗(yàn)和熱擴(kuò)散模擬，研究電氣石的變形特征與機(jī)制、變形條件。本研究獲得了以下主要新認(rèn)識(shí)：
（1）研究區(qū)電氣石斷層鏡面具有分層結(jié)構(gòu)，從斷層核部滑動(dòng)面到脆性破裂圍巖發(fā)育三個(gè)高溫變形層(圖3)：非晶化電氣石層（厚度30-80 nm）、非晶質(zhì)充填的碎裂巖化電氣石層（厚度20-100 μm）和動(dòng)態(tài)重結(jié)晶電氣石層（厚度<400 μm）。石英Ti溫度測(cè)試顯示鏡面形成時(shí)滑動(dòng)面表層溫度可達(dá)840℃以上(圖4A-D)，結(jié)合非晶質(zhì)、電氣石港灣狀邊緣及粒間微氣孔等變形顯微結(jié)構(gòu)等典型特征，揭示電氣石斷層鏡面是由電氣石脈在斷層同震滑動(dòng)中發(fā)生摩擦熔融形成。
（2）電氣石控制斷層失穩(wěn)滑動(dòng)的過(guò)程為：巖漿脫氣作用產(chǎn)生的富B流體沿著先存裂隙運(yùn)移，結(jié)晶形成電氣石脈，造山帶東西向拉伸導(dǎo)致的南北向正斷層沿電氣石脈滑動(dòng)，電氣石高速摩擦熔融形成熔體，潤(rùn)滑并弱化斷層，導(dǎo)致地震發(fā)生。
（3）室內(nèi)摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電氣石在200-300℃發(fā)生不穩(wěn)定滑動(dòng)（黏滑），結(jié)合電氣石碎裂巖的發(fā)現(xiàn)(圖5)，證明電氣石參與了南北向裂谷深部地震成核過(guò)程。
本研究首次發(fā)現(xiàn)了電氣石鏡面記錄的震源巖石在同震滑動(dòng)過(guò)程中的高速摩擦熔融證據(jù)，并且提出，喜馬拉雅造山帶富硼（B）的特征不僅改造了造山帶地殼變質(zhì)深熔和巖漿結(jié)晶演化過(guò)程，同時(shí)影響了造山帶內(nèi)部斷層滑動(dòng)變形和地震孕育發(fā)生機(jī)制。電氣石斷層鏡面等電氣石斷層巖的廣泛出現(xiàn)表明，作為喜馬拉雅造山帶最常見和最重要的富B礦物，電氣石在控制造山帶內(nèi)部斷層強(qiáng)度和滑動(dòng)穩(wěn)定性、記錄深部孕震同震過(guò)程等方面所起的作用應(yīng)該被廣泛重視。
上述研究成果近期在線發(fā)表于國(guó)際著名地學(xué)期刊《Geology》上。本研究受到研究受中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)（IGCEA2204）資助。
論文信息：
Lining Cheng, Jianye Chen, Yongsheng Zhou, Christopher J. Spiers, 2026, Tourmaline fault mirrors record seismic slip on N-S normal faults in the Himalayan orogen. Geology. https://doi.org/10.1130/G54248.1
圖1喜馬拉雅造山帶內(nèi)電氣石斷層鏡面野外露頭照片。A-B 珠峰大本營(yíng)北查亞山露頭；C-F亞?wèn)|-谷露裂谷南段康馬露頭；G 申扎-定結(jié)裂谷日屋露頭；H洛扎城南露頭。
圖2 A 藏南南北向裂谷系中電氣石斷層鏡面已知露頭分布；B-C 查亞山電氣石斷層鏡面露頭位置和剖面圖；D-E 電氣石鏡面野外露頭照片。
圖3 A研究區(qū)典型電氣石斷層鏡面發(fā)育的三層結(jié)構(gòu)示意圖；B-K電氣石斷層鏡面不同層微觀結(jié)構(gòu)特征。
圖4 A-D 電氣石斷層鏡面不同位置石英Ti溫度計(jì)測(cè)溫結(jié)果，B中曲線為熱擴(kuò)散模擬結(jié)果；F-H 不同層位電氣石EBSD變形組構(gòu)特征；I 非晶質(zhì)充填的碎裂巖化電氣石層（層二）代表性區(qū)域的成分面分布圖。
圖5 A 珠峰地區(qū)電氣石斷層鏡面出露的正斷層剖面圖；B 電氣石斷層鏡面分層結(jié)構(gòu)剖面圖；C 電氣石摩擦實(shí)驗(yàn)力學(xué)數(shù)據(jù)，顯示不同溫度下摩擦強(qiáng)度隨滑動(dòng)速度和位移的演化情況；D 電氣石碎裂巖手標(biāo)本和光鏡下照片。
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