断裂带是局部不连续和大变形的狭窄带,由于它的运动可造成地震,地震过程中断裂滑动摩擦改变狭窄带内岩石的物理化学性质,包括产生不同的断裂岩以及不同的磁性矿物种类和组合。因此通过断裂带内的岩石磁学研究可以揭示断裂的体系结构,追踪断裂摩擦热,探讨变形过程、运动行为和地震断裂机制。2008年汶川大地震(Mw 7.9)分别沿着龙门山映秀-北川断裂和安县-灌县断裂形成了两条地表破裂带。为了研究汶川地震发震机理和断裂滑移机制,汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)沿两条地表破裂带实施了6口科学钻孔。本论文以汶川科钻二号钻孔(WFSD-2)岩心为研究对象,通过宏观-微观结构观测、(超)高温实验、物性参数和地球化学分析以及岩石磁学测试等方法,借助岩心编录资料和综合物性测井数据,查明了强地震断裂活动的岩石学记录和磁学特征,揭示了龙门山中段不同构造岩片组合结构以及地震滑动过程中矿物的转变及条件,估算了地震滑移的摩擦热温度,探讨了地震断裂作用及其磁学响应。已获得了如下主要成果和认识:1、对WFSD-2钻孔500-2283.56 m深度的岩心进行了高分辨率无损磁化率测试,200余天共获得约15万个磁化率数据。磁化率测试结果表明不同的岩性控制着磁化率的背景值,由花岗岩和火山岩构成的彭灌杂岩体的磁化率值高于沉积岩。其中,彭灌杂岩体中火山碎屑岩的磁化率值较高,沉积岩中泥质含量较高或颗粒较细的岩性的磁化率值较高。结合测井数据,磁化率值和岩性特征表明,四段彭灌杂岩体属于不同的岩石单元组合,不同深度的须家河组沉积岩的地层归属不同,WFSD-2钻孔岩心可以划分成5套构造岩片,其构成叠瓦状构造。断层泥和假玄武玻璃具有高磁化率值特征,指示了大地震断裂活动。WFSD-2钻孔岩心映秀-北川断裂带中识别出约80条狭窄的高磁化率异常带,揭示了龙门山构造带中映秀-北川断裂带是一条经常发生大地震的活动断裂带。2、在WFSD-2钻孔579.62-599.31 m深度的碎裂岩带中发现了黑色、灰黑色和灰白色的21层脉体,厚度从几毫米到几厘米不等,基本为近平行分布的断层脉。其脉体具有流动构造、微晶、港湾状石英边界、微球粒和气孔构造等显微结构特征,XRD测试结果表明脉体中含有非晶形物质特征,表明这些脉体为熔融成因的假玄武玻璃。呈不同颜色条带的假玄武玻璃以及相互交切关系表明它们为不同期次的脉体。其中晚期假玄武玻璃脉体出现在早期脉体中,以及后期脉体中含有早期假玄武玻璃碎块,不仅说明发生过多期强地震活动,而且指示断裂在同一位置发生多次滑动产生多次地震。21层假玄武玻璃脉体指示该断裂带曾经发生过多次大地震活动事件。假玄武玻璃断层脉的存在,不仅表明断裂滑动过程中存在以熔融润滑为主的弱化机制,而且假玄武玻璃固接了断层面,在漫长的地震周期中起到了强化断层的作用。3、通过高精度的XRF岩心扫描、显微结构观察和SEM-EDX测试表明WFSD-2钻孔岩心假玄武玻璃中Fe元素高度富集,经过计算分析,部分Fe元素可能会以单质铁的形式存在,同时,还指示了高温还原且流体作用较弱环境。因此,本论文第一次在自然界假玄武玻璃脉体中发现了单质铁存在的地球化学证据。4、WFSD-2钻孔岩心中碎裂岩和花岗闪长岩的(超)高温实验和岩石磁学测试结果表明:≦900℃时,磁铁矿是样品的主要载磁矿物,磁铁矿的新生是磁化率升高的主要原因;≧1300℃,单质铁是样品的主要铁磁矿物。因此单质铁的还原过程为:Fe3+(磁铁矿)→Fe2+→Fe0(单质铁)。本论文通过(超)高温实验证实了大地震断裂过程中可以形成单质铁,单质铁以粒径小于10μm的微球粒存在。5、通过WFSD-2钻孔岩心断裂带的岩石磁学研究表明,断层泥的主要铁磁矿物为磁铁矿和磁黄铁矿,顺磁性矿物为菱铁矿、绿泥石和高岭石;而假玄武玻璃的主要铁磁成分是磁铁矿和单质铁,顺磁性矿物为铁白云母、高岭石和绿泥石等。在摩擦热作用下顺磁性矿物热解为磁铁矿,及在超高温还原环境中析出的单质铁共同引起了假玄武玻璃中高磁化率值异常。结合(超)高温实验过程和前人研究结果,本论文认为假玄武玻璃脉体中顺磁性矿物热解形成磁铁矿证明断裂带内的摩擦热温度为400℃-1100℃,单质铁的析出证明断裂带内的摩擦热温度≧1300℃,指示了大地震断裂活动。因此,显微结构特征和岩石磁学研究证明映秀-北川断裂带内经历的同震摩擦热温度存在400℃-1100℃,部分≧1300℃。