地震化石系列-斷層泥的石墨化作用

郭力維(國立中央大學地球科學系；liweikuo@ncu.edu.tw)
 
西元2018年2月6日於台灣花蓮發生罕見規模6的地震，並對此區域造成重大傷亡與災損。然而事實上，地球平均三天就發生一次中至大規模的地震(M>6)，雖然有這麼多中至大規模地震發生於構造帶中，但是為何無法於地表上辨識其地震相關之地質證據呢?原因在於地震多發生在深處(5-20公里)，同時，斷層會以每秒數公分至公尺速度滑動並瞬間誘發高溫、高壓與伴隨熱液所驅動之物理和/或化學作用，其不平衡作用以及伴隨的產物在長時間的地質抬升過程中會因風化與換質作用而被抹滅殆盡，也使得解析斷層岩石來獲取地震物理參數的過程增添許多難度，更別提找不到斷層露頭的區域。
 
數年前，Kuo等人(2014)發現西元2008年規模7.9的汶川地震中，富含碳質物的斷層泥可能產生石墨化作用。有鑑於碳質物因為遭受溫度、壓力或應變轉變為石墨的石墨化作用是一種不可逆的作用，而石墨又是較不易風化之礦物。作者認為斷層帶的碳質物(或石墨)或許可以記錄地底下珍貴的地震資訊，並且安然無恙地帶至地表。最近，Kuo等人(2017)利用不同的實驗條件，例如地震滑動速度與濕度等不同條件，針對汶川地震深鑽計畫之樣品進行岩石摩擦試驗，並於實驗後利用拉曼光譜分析(圖左側)以及掃描式與穿透式(FIB-TEM)電子顯微鏡瞭解斷層泥內碳質物特徵(圖右側)。

 
摩擦實驗之分析結果顯示，與初始物質相比，碳質物的石墨化作用有以下特徵：(1)降低缺陷峰(D1)與石墨峰(G)強度比值、(2)石墨峰(G)往高頻方向移動以及實驗產物有較小的半高寬比值(圖左側)。這些結果指出剪動(斷層作用)會使碳質物的碳鍵產生變化(立體鍵結變成平面鍵結)。更值得注意的是，因為摩擦產生之高溫，碳質物於相對乾燥且每秒三公尺的快速滑移速度下轉變為石墨。此結果建立了碳質物的碳鍵特徵、石墨之形成與可能之斷層變形條件的頻譜。將此實驗結果套用至龍門山斷裂帶之科研深鑽，如於斷層滑動帶內發現石墨的存在，而圍岩存在非晶質的碳質物，說明有快速的斷層變形行為發生。另外，地震時造成岩石裂隙，可能有豐沛的同震排水效應並造成相對乾的環境，此與Xue等人(2013)的結果相符合。
 
此研究可能有數個應用：(1) 數秒可得到一個數據的拉曼光譜分析可以快速建立活動構造帶的碳質物特徵，並建立其資料庫；(2)斷層帶的石墨化作用可以瞭解古地震的斷層變形行為；(3)在一定深度下的斷層帶石墨，或許可以當作是地震災害的指標。
 

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引用資料：
Kuo, L. W.*, H. Li, S. Smith, G. Di Toro, J. Suppe, S. R. Song, S. Nielsen, H. S. Sheu and J. Si, 2014. Gouge graphitization and dynamic fault weakening during the 2008 Mw 7.9 Wenchuan earthquake. Geology 42, p.47-50, doi: 10.1130/G34862.1.
 
Kuo, L. W.*, F. Di Felice, E. Spagnuolo, G. Di Toro, S. R. Song, S. Aretusini, H. Li, J. Suppe, J. Si and C. Y. Wen, 2017. Fault gouge graphitization as evidence of past seismic slip. Geology 45, p.979-982, doi: 10.1130/G39295.1.
 
Xue, L., et al., 2013. Continuous permeability measurements record healing inside the Wenchuan earthquake fault zone. Science 340, p. 1555-1559, doi:10.1126 /science.1237237.