蔡周榮, 盧麗娟, 黃強(qiáng)太*, 李建峰, 肖 陽, 楊 鵬, 陸杏欣, 張 程, 黎雨晗

紅河斷裂帶類微生物狀納米顆粒的發(fā)現(xiàn)及其構(gòu)造意義

蔡周榮1, 2, 盧麗娟3, 黃強(qiáng)太1, 2*, 李建峰4, 肖 陽1, 2, 楊 鵬1, 2, 陸杏欣1, 2, 張 程1, 2, 黎雨晗3

(1.中山大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 廣東 珠海 519082; 2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海), 廣東 珠海 519082; 3.中國(guó)科學(xué)院 南海海洋研究所, 邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510301; 4.中國(guó)科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所, 同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510640)

通過掃描電鏡(SEM)觀察, 首次在紅河斷裂帶內(nèi)的花崗糜棱巖中發(fā)現(xiàn)類微生物狀納米顆粒。高分辨率平插能譜分析結(jié)果表明, 該類微生物狀納米顆粒成分中的C元素平均含量約為10%, 指示無機(jī)成因, 并非某些菌類微生物, 結(jié)合XRD分析結(jié)果表明該類納米顆粒成分來自花崗糜棱巖的造巖礦物。通過對(duì)各種形貌特征的納米顆粒觀察、篩查和規(guī)律分析, 探討了類微生物狀納米顆粒的形成機(jī)理及構(gòu)造意義, 認(rèn)為其形成過程可以分為巖石破裂形成球粒狀納米顆粒、球粒狀納米顆粒粘聚形成片狀、片狀納米顆粒卷曲成管狀以及管狀納米顆粒脫落聚集四個(gè)階段, 其中后三個(gè)階段為納米顆粒的后生構(gòu)造變形階段, 指示紅河斷裂帶構(gòu)造環(huán)境的多期次變化。斷裂帶內(nèi)球粒狀納米顆粒可能是在宏觀構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下的最小變形產(chǎn)物, 其結(jié)構(gòu)或變形特征蘊(yùn)含豐富的宏觀構(gòu)造活動(dòng)信息, 是傳統(tǒng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究方法之外的新思路和新手段。

納米顆粒; 紅河斷裂帶; 成分分析; 形成機(jī)理; 構(gòu)造意義

0 引 言

納米顆粒在材料和物理學(xué)中是指三維延伸中有任意一維小于100 nm的顆粒, 通常呈球粒狀、棒狀或其他形態(tài)聚集。在納米尺度下, 納米顆粒具有表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等(陳敬中, 1994)。在自然界, 納米顆粒普遍存在于巖石圈的各種地質(zhì)體中, 其形貌、形成、聚集以及賦存狀態(tài)等都具有特殊的地質(zhì)意義, 為地質(zhì)學(xué)家從超微觀體制研究宏觀地質(zhì)現(xiàn)象提供了新思路。20世紀(jì)70年代以來, 納米顆粒被發(fā)現(xiàn)廣泛存在于斷層滑動(dòng)面以及韌性剪切帶內(nèi)(孫巖等, 2009; De Paola, 2013; Siman-Tov et al., 2013; 琚宜文等, 2016)。在斷層滑動(dòng)面上以及斷層泥中的納米顆粒是斷裂強(qiáng)烈剪切活動(dòng)的結(jié)果, 普遍呈球粒狀, 被認(rèn)為在斷層滑動(dòng)過程中可能起潤(rùn)滑作用, 降低斷層的摩擦系數(shù)(Siman-Tov et al., 2013; De Paola et al., 2015; Smeraglia et al., 2017)。而韌性剪切帶中存在的納米顆粒除了與斷裂的剪切變形有關(guān)之外, 還與宏觀地質(zhì)環(huán)境(如溫度、壓力等)有很大關(guān)系(孫巖等, 2005, 2009, 2016; 蔡周榮等, 2018), 通常呈片狀、棒狀或其他形態(tài)的粘聚體。近期我們通過掃描電鏡(SEM)觀察在紅河斷裂的韌性剪切帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量團(tuán)聚狀納米顆粒(蔡周榮等, 2018; Cai et al., 2019), 其中一種特殊類型的納米顆粒呈管狀聚集賦存, 形貌類似某些菌類微生物。為了鑒定這些類微生物狀納米顆粒的成分, 以及其是有機(jī)成因還是無機(jī)成因, 本次研究進(jìn)行了高分辨率的平插能譜以及XRD分析, 并在此基礎(chǔ)上初步建立了該類納米顆粒的形成模式, 探討了其構(gòu)造意義。

1 地質(zhì)背景

紅河斷裂帶位于我國(guó)西部, 呈北西走向(圖1b), 是新生代印度板塊與歐亞板塊碰撞背景下, 青藏高原東南緣塊體擠出、逃逸所形成的大型剪切走滑帶, 同時(shí)也是印支地塊與揚(yáng)子?華南陸塊之間重要的轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)帶(Tapponnier et al., 1990; 曹淑云等, 2009; 劉俊來等, 2011; Liu et al., 2012; Mazur et al., 2012)。紅河斷裂帶形成之后, 早期表現(xiàn)為左旋韌性剪切帶, 之后經(jīng)歷復(fù)雜的構(gòu)造演化和抬升過程, 晚期表現(xiàn)為弱右旋走滑運(yùn)動(dòng)(Leloup et al., 1995; Gilley et al., 2003; 王二七等, 2006; Schoenbohm et al., 2006; Cao et al., 2017), 其構(gòu)造活動(dòng)具有多期性(Harrison et al., 1992; Leloup et al., 1995; Cao et al., 2011, 2017)。因此, 現(xiàn)在的紅河斷裂帶由兩條主斷層及其包夾的韌性剪切帶組成(Scharer et al., 1994), 東北側(cè)主斷層為紅河斷裂, 西南側(cè)主斷層為哀牢山斷裂, 這兩條斷裂活動(dòng)時(shí)間較新, 中部為韌性剪切帶, 發(fā)育糜棱巖、片巖或片麻巖、混雜巖等, 該韌性剪切帶形成時(shí)間較早, 并且埋深較大, 在較高的溫度和壓力作用下, 巖石發(fā)生不同程度的變形和變質(zhì)作用, 后期才抬升至地表。

2 類微生物狀納米顆粒發(fā)育特征

為研究紅河斷裂帶微米、納米尺度的構(gòu)造變形特征, 研究團(tuán)隊(duì)在大理、新鄉(xiāng)、元江等地對(duì)斷裂帶進(jìn)行了橫穿考察和采樣, 采集了斷裂帶各個(gè)構(gòu)造部位的巖石樣品, 并利用掃描電鏡(SEM)觀察分析, 發(fā)現(xiàn)了多種形貌特征的納米顆粒。在紅河斷裂帶兩側(cè)靠近主斷層的納米顆粒主要呈球粒狀; 在中部韌性剪切帶的糜棱巖、片麻巖和片巖中的納米顆粒呈棒狀、塊狀、片狀以及膜狀等粘聚狀形態(tài)(蔡周榮等, 2018),其中包括本文將要討論的類生物狀納米顆粒。

發(fā)現(xiàn)類生物狀納米顆粒的巖石為韌性剪切帶內(nèi)的花崗糜棱巖(圖1c)。在手標(biāo)本上觀察發(fā)現(xiàn), 該花崗糜棱巖樣品呈條帶狀構(gòu)造, 糜棱巖化結(jié)構(gòu)。手標(biāo)本為灰白色, 暗色礦物(云母)呈條帶狀定向排列, 可見長(zhǎng)石斑晶被拉長(zhǎng)呈定向現(xiàn)象, 粒度為3~5 mm(圖2a)。顯微鏡下觀察巖石具糜棱結(jié)構(gòu), 長(zhǎng)石碎斑, 粒度為2~200 μm不等, 云母呈定向排列, 大多數(shù)石英經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)重結(jié)晶, 發(fā)育有亞顆粒和波狀消光現(xiàn)象(圖2b)。

圖1 紅河斷裂構(gòu)造簡(jiǎn)圖(a、b)及野外采樣點(diǎn)照片(c, 圖中箭頭所示為采樣點(diǎn))

(a) 條帶狀花崗糜棱巖, 其中觀察到類微生物狀納米顆粒; (b) 類微生物狀納米顆粒的巖石標(biāo)本的顯微特征, 長(zhǎng)石有拉長(zhǎng)現(xiàn)象, 石英呈波狀消光, 云母定向排列; (c~f) 掃描電鏡下觀察到的類微生物狀納米顆粒發(fā)育特征, 主要表現(xiàn)為管狀, 中間含有空隙, 直徑大概為30~50 nm, 長(zhǎng)度可達(dá)300 nm, 其中圖2c、2d的類微生物狀納米顆粒附著于巖石表面, 形貌像某些菌類微生物, 圖2e、2f的管狀納米顆粒嵌入巖石里面。圖2e中1, 2和3為高分辨率平插能譜分析區(qū)域。

將花崗糜棱巖樣品的新鮮面置于掃描電鏡(型號(hào): GeminiSEM500)下觀察(圖2c~f), 類微生物狀納米顆粒形態(tài)類似于圓柱狀管子, 直徑大概為30~50 nm, 長(zhǎng)度可達(dá)300 nm, 中間可見清晰的孔隙(圖2c、d), 從形貌上看像一些微生物聚集附著于樣品表面, 形貌特征與別的聚集體明顯不同, 類似于某些菌類的微生物, 因此本文將這類納米顆粒命名為類微生物狀納米顆粒。通過對(duì)多個(gè)樣品的追蹤觀察發(fā)現(xiàn), 這些類微生物狀納米顆粒除了附著于樣品表面之外, 還主要發(fā)育于微裂隙中, 呈嵌入式生長(zhǎng)(圖2e、f)。

3 類微生物狀納米顆粒的成分分析

掃描電鏡下觀察類微生物狀納米顆粒大部分附著于巖石表面, 尺寸小, 無法將其收集制樣通過透射電鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。判斷這些納米顆粒是否為微生物, 其成分中C含量是主要指標(biāo), 一般巖石中C含量不超過50%, 如果是生物成因則C含量肯定超過50%。在掃描電鏡觀察的同時(shí), 通過高分辨率平插能譜(為掃描電鏡GeminiSEM500的配件, 能量分辨率: 129 eV; 空間分辨率: 10 nm)對(duì)其進(jìn)行成分的半定量分析。除此以外, 我們利用多晶粉末X衍射儀對(duì)含有類微生物狀納米顆粒的巖石進(jìn)行礦物衍射(XRD, 型號(hào): Rigaku D/Max Rapid Ⅱ)分析, 主要用于測(cè)量巖石的礦物組成。

平插能譜打點(diǎn)的區(qū)域主要位于類微生物狀納米顆粒的管壁上, 由于其空間分辨率較高, 所獲取的數(shù)據(jù)基本上能代表其成分。3個(gè)不同區(qū)域的能譜分析結(jié)果表明, 類微生物狀納米顆粒成分的主要元素為Si、Al、C等(表1, 圖3a~c), 其中Si平均質(zhì)量百分比大于60%, Al平均質(zhì)量百分比為21%~24%, C平均質(zhì)量百分比約為10%, 其他元素如O和Ca含量則更少, 三組數(shù)據(jù)結(jié)果變化幅度不大。從以上能譜結(jié)果分析來看, C的含量~10%, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有機(jī)成因所要求的50%以上, 由于C是生命的核心元素, 組成生物的大分子都是以碳鏈為骨架的, 因此如果是以C為核心的生物, 則必然還有其他元素與C結(jié)合形成碳鏈。而類微生物狀納米顆粒成分的主要元素為Si、Al、C等, 無法形成碳鏈, 因此可以判斷其并非菌類微生物, 結(jié)合Si、Al的含量來看, 可能是硅酸鹽礦物。該實(shí)驗(yàn)同時(shí)也存在一個(gè)比較奇怪的結(jié)果, 那就是O的含量較低。

XRD礦物分析結(jié)果(圖3d)表明含有管狀納米顆粒的巖石主要含有石英(33%)、斜長(zhǎng)石(32%)、鉀長(zhǎng)石(24%), 以及少量鐵白云石(6%)和黏土礦物(4%)。

此外, 從平插能譜的彩色圖譜分析結(jié)果上看(圖4), Si元素的圖譜輪廓最清楚、清晰度最高(圖4d), 反映了分析區(qū)域中Si元素含量最高, 但其圖譜與觀察區(qū)域的形貌呈相反狀態(tài)。C元素的圖譜與觀察區(qū)域的形貌和輪廓特征相似, 但其間的納米顆粒特征模糊, 與上述C的質(zhì)量百分比10%左右的測(cè)量結(jié)果相符合(圖4a)。Al元素的彩色圖譜比較模糊, 其圖譜也與觀察區(qū)域的形貌呈相反狀態(tài)(圖4c)。Ca的圖像比較模糊(圖4b、e), 反映其含量較少, 最模糊的為O元素的圖譜(圖4f), 反映其含量最低?？傮w上, 彩色圖譜與前面針對(duì)類生物納米顆粒管體的能譜測(cè)量結(jié)果相一致。

從平插能譜分析與XRD衍射分析結(jié)果來看, 類微生物狀納米顆粒的成分中C元素含量較少, Si元素含量較多, 表明納米顆粒物質(zhì)主要來自巖石本身的礦物組分, 而非外來的菌類微生物。另外, XRD衍射分析結(jié)果表明主巖礦物含有一定的O元素, 而能譜分析類微生物狀納米顆粒中O元素含量接近于零, 這種奇怪的現(xiàn)象我們目前還無法解釋, 可能與納米顆粒的小尺寸效應(yīng)有關(guān), 即在納米尺度下, 納米顆粒形成過程中母巖與納米顆粒之間可能存在部分元素的分異作用。

4 類微生物狀納米顆粒的成因機(jī)理及構(gòu)造意義

目前納米顆粒被發(fā)現(xiàn)廣泛存在于斷裂帶內(nèi), 其主要形貌特征為球狀、棒狀、片(面)狀等(Chester et al., 1993; 劉德良等, 2004; 孫巖等, 2005, 2009; Siman-Tov et al., 2013; 蔡周榮等, 2018), 而本文在紅河斷裂帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)的類微生物狀納米顆粒, 通過分析表明其非菌類微生物, 為無機(jī)成因。關(guān)于斷裂帶內(nèi)納米顆粒的成因, 存在多種觀點(diǎn): 孫巖等(2005)認(rèn)為斷裂帶巖石中的納米顆粒是由于巖石剪切面的磨損、摩擦以及研磨作用形成, 并提出了納米顆粒形成演化的?；?、變異、團(tuán)聚以及再生四個(gè)階段; Sammis and Ben-Zion (2008)通過研究破裂模型以及低溫塑性變形機(jī)制, 表明短時(shí)間的壓力荷載作用下是不可能產(chǎn)生納米顆粒的, 但沖擊荷載作用可以形成納米顆粒; De Paola et al. (2015)認(rèn)為晶體內(nèi)的塑性變形機(jī)制在納米顆粒形成過程中起關(guān)鍵作用, 晶界滑移變形機(jī)制則對(duì)納米顆粒的形狀起重要控制作用; 其他的成因觀點(diǎn)還包括脆?韌性變形機(jī)制(Siman-Tov et al., 2013),熱分解(Han et al., 2007)以及位錯(cuò)滑移(Spagnuolo et al., 2015)等。

表1 類微生物狀納米顆粒能譜分析結(jié)果(分析區(qū)域見圖2b中的區(qū)域1、2和3)

(a, b, c) 能譜圖打點(diǎn)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)圖2e中的區(qū)域1、2、3; (d) 為含類微生物狀納米顆粒的巖石樣品XRD衍射分析結(jié)果。

圖4 類微生物狀納米顆粒的面掃能譜分析

前人的研究主要集中在巖石破裂到納米顆粒形成過程, 至于納米顆粒形成之后的演變則較少關(guān)注。本文為查明類微生物狀納米顆粒的成因, 在掃描電鏡(SEM)下觀察了大量紅河斷裂帶不同構(gòu)造部位的納米顆粒形貌特征, 通過篩查和分析, 找出其他類型納米顆粒與類微生物狀納米顆粒的聯(lián)系, 重構(gòu)了其形成和演變過程:

第一階段, 巖石在強(qiáng)剪切應(yīng)力作用下發(fā)生破裂, 同時(shí)產(chǎn)生球粒狀納米顆粒(圖5a、b); 第二階段, 球粒狀納米顆粒形成之后, 容易受外部環(huán)境(壓力、流體和溫度等)影響而發(fā)生團(tuán)聚(圖5c), 形成多種形貌特征(蔡周榮等, 2018; Cai et al., 2019), 片狀納米顆粒就是其中一種形貌, 它由球粒狀單體顆粒有規(guī)律地粘聚、連接成片而成(圖5d); 第三階段, 可能受弱剪切應(yīng)力場(chǎng)影響, 片狀納米顆粒發(fā)生卷曲變形, 形成管狀納米顆粒(圖5e), 此時(shí)納米顆粒仍鑲嵌于巖石表面; 第四階段, 管狀納米顆粒折斷或脫落, 然后聚集形成附著于巖石表面的類微生物狀納米顆粒(圖5f)。

以上四個(gè)階段中, 第一階段是球粒狀納米顆粒形成過程, 是納米顆粒從巖石中變形的最初階段, 這一過程已被前人的實(shí)驗(yàn)證實(shí)(孫巖等, 2005; Han et al., 2007; De Paola, 2013; Siman-Tov et al., 2013)。第二到第四階段是球粒狀納米顆粒的后生構(gòu)造變形階段, 第二階段的粘聚特征是球粒狀納米顆粒的一般變異結(jié)果, 受溫度影響較大, 而第三、四階段前人較少研究報(bào)道, 代表著納米顆粒形成之后再次受構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響發(fā)生變形, 從片狀到管狀可能暗示著納米顆粒在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生碾壓和磙動(dòng)作用而成。

因此, 構(gòu)造活動(dòng)留下的形跡不僅體現(xiàn)在宏觀和微觀的變形上, 而且在納米尺度下也是有跡可尋, 紅河斷裂帶內(nèi)類微生物納米顆粒的形成過程就指示著斷裂的多次構(gòu)造活動(dòng)。斷裂帶內(nèi)球粒狀納米顆?？赡苁呛暧^構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下的最小變形產(chǎn)物, 在強(qiáng)剪切應(yīng)力應(yīng)變作用下, 巖石形成最小的球粒狀納米顆粒, 隨著構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和溫壓條件的變化, 球粒狀納米顆粒并不發(fā)生進(jìn)一步的破裂或細(xì)化, 而是向宏觀方向發(fā)展, 重新粘聚而形成不同形貌特征, 未來納米尺度下的構(gòu)造變形應(yīng)該成為研究宏觀斷裂構(gòu)造活動(dòng)的重要手段。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1) 通過掃描電鏡觀察, 首次在紅河斷裂帶中發(fā)現(xiàn)類微生物狀納米顆粒, 高分辨率平插能譜分析表明該類型納米顆粒成分的C元素平均含量約為10%, 指示無機(jī)成因, 并非某些菌類微生物, 結(jié)合XRD分析結(jié)果分析表明該類納米顆粒成分來自花崗糜棱巖的造巖礦物。

(2) 通過各種形貌特征的納米顆粒觀察, 對(duì)類微生物狀納米顆粒的形成過程進(jìn)行了分析, 認(rèn)為其形成過程可以分為巖石破裂球粒狀納米顆粒形成,球粒狀納米顆粒粘聚, 片狀納米顆粒形成, 片狀納米顆粒卷曲成管狀以及管狀納米顆粒脫落聚集等四個(gè)階段, 其中后三個(gè)階段為納米顆粒的后生構(gòu)造階段, 指示著紅河斷裂帶構(gòu)造環(huán)境的多期次變化。

(3) 斷裂帶內(nèi)球粒狀納米顆?？赡苁窃诤暧^構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下的最小變形產(chǎn)物, 納米尺度下的結(jié)構(gòu)或變形特征蘊(yùn)含豐富的宏觀構(gòu)造活動(dòng)信息, 是傳統(tǒng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究方法之外的新思路和新手段。

致謝:感謝匿名審稿專家對(duì)本文提出的修改意見和建議。

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Discovery of Microbial-like Nanoparticles in the Red River Fault Zone and Its Tectonic Significance

CAI Zhourong1, 2, LU Lijuan3, HUANG Qiangtai1, 2*, LI Jianfeng4, XIAO Yang1, 2, YANG Peng1, 2, LU Xingxin1, 2, ZHANG Cheng1, 2and LI Yuhan3

(1. School of Marine Sciences, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, Guangdong, China; 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082, Guangdong, China; 3. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, Guangdong, China; 4. State Key Laboratory of Isotope Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Recently, microbial-like nanoparticles were firstly found in the granitic mylonite in the Red River Fault zone through Scanning Electron Microscopy observation. High-resolution Energy Spectrum analyses showed that the microbial-like nanoparticles contain about 10% carbon, which indicates they were formed by inorganic process rather than fungi. These findings, together with the XRD results revealed that the microbial-like nanoparticles were derived from the rock-forming minerals of the granite mylonite. Moreover, a large number of nanoparticles with various morphological features were observed and analyzed, and the formation mechanism and tectonic significance of microbial-like nanoparticles were discussed. The formation process of the microbial-like nanoparticles can be divided into four stages, which including the formation of granular nanoparticles when the rock fracture, the aggregation of granular nanoparticles to form the sheet-like nanoparticles, the process of tubular nanoparticles curled from sheet-like nanoparticles, and the shedding and aggregation of tubular nanoparticles. The later three formation stages of the microbial-like nanoparticles are the tectonic deformation stages of the nanoparticles, indicating multiple changes in the tectonic setting of the Red River Fault zone. The granular nanoparticles in the fault zone may be the smallest deformation products under the macroscopic tectonic stress field. The structure or deformation characteristics contain rich information of the macroscopic tectonic activities, which will shed lights on investigations of the traditional tectonic geologic issues.

nanoparticles; the Red River Fault zone; component analysis; formation mechanism; tectonic significance

2019-05-20;

2019-10-30;

2020-03-27

廣東省自然基金項(xiàng)目(2018A030313168、2018B030311030)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41776072、41476039)聯(lián)合資助。

蔡周榮(1979–), 男, 副教授, 主要從事構(gòu)造地質(zhì)研究。Email: caizhr@mail.sysu.edu.cn

黃強(qiáng)太(1986–), 男, 副教授, 從事構(gòu)造地質(zhì)研究。Email: huangqt7@mail.sysu.edu.cn

P542

A

1001-1552(2021)02-0270-010

10.16539/j.ddgzyckx.2020.02.016