遼南萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶的應變與剪切作用類型

李建波， 魯勇花， 蔣振頻

(東華理工大學，江西撫州 344000)

遼南萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶的應變與剪切作用類型

李建波， 魯勇花， 蔣振頻

(東華理工大學，江西撫州 344000)

遼南萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶為一走向近SN，傾向NE的低角度韌性剪切帶，帶內(nèi)的主要巖石類型為花崗質(zhì)糜棱巖。以長石為應變標志體的Rf/φ應變測量顯示應變類型為壓扁應變;以極莫爾圓與長短軸法的運動學渦度估算表面，剪切帶的剪切作用類型為以簡單剪切為主的一般剪切。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化與年代學資料，認為遼南萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶形成于加厚地殼造山后垮塌，且在早白堊紀華北克拉通大規(guī)模地殼伸展的聯(lián)合作用下由地殼的中、深層次被抬升至地表，并與各時代的巖石在同一露頭上并置而成。

萬福變質(zhì)核雜巖;韌性剪切帶;應變;剪切作用類型

李建波，魯勇花，蔣振頻.2012.遼南萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶的應變與剪切作用類型［J］.東華理工大學學報：自然科學版，35(3)：238-245.

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韌性剪切帶作為深層次巖石變形的一種主要型式，自1970年代以來，一直是現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)學研究的重要內(nèi)容。韌性剪切帶研究的最初十余年，人們主要側(cè)重于組成韌性剪切帶的巖石的構(gòu)造特征，剪切指向和有限應變研究(Ramsay，1980;Zheng et al.，1985)。構(gòu)造熱年代學方法的引入，使得韌性剪切帶演化歷史研究取得了長足進步。近年來，運動學渦度理論的應用為定量研究剪切帶的變形機制提供了一條簡便有效途徑(Holcomze et al.，2001;Xypolias et al.，2001;Bailey et al.，2003，2004;Law et al.，2004;Jessup et al.，2004，2006)。許多研究表明，自然界的剪切帶大都是介于簡單剪切與純剪切之間的一般剪切帶(De，1983;Simpson et al.，1993;Tikoff et al.，1997;王新社等，2005;Wang et al.，2007;Zheng et al.，2005;Li et al.，2010;Zhang et al.，2000;Xypolias，2010)。如何定量給出剪切帶形成中的單剪分量、純剪分量以及韌性減薄量成為確定剪切帶形成機制的關鍵問題之一。位于遼東半島的萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶是最近才發(fā)現(xiàn)并界定的一個新的剪切帶，是研究剪切帶應變與剪切作用類型的理想場所。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

遼南地區(qū)的基底巖系主體為太古宙角閃巖相變質(zhì)的TTG巖套和表殼巖(Liu et al.，2002)。太古宇巖石主要以得勝片麻雜巖為代表的早期TTG巖系和由亮甲店片麻巖構(gòu)成的晚期石英閃長巖系巖石為主，它們占據(jù)了太古宇巖石發(fā)育區(qū)的主體(＞95%)。變質(zhì)表殼巖由具密切伴生關系的角閃石巖、斜長角閃巖和磁鐵石英巖組成，它們均呈大小不一的透鏡狀、條帶狀及不規(guī)則狀的“包體”零星(＜5%)分布于片麻巖中。蓋層包括了從古元古代到中生代的火山-沉積地層(圖1)。

在遼南地區(qū)的主體構(gòu)造格架中，除后期郯廬斷裂活動中發(fā)育的一些北東-北北東向脆性斷裂外，區(qū)域性拆離斷層和變質(zhì)核雜巖及大面積分布的花崗質(zhì)雜巖具有重要的地位。西部遼南變質(zhì)核雜巖是白堊紀時期發(fā)育的典型伸展構(gòu)造型式(楊中柱等，1996;Liu et al.，2005);南部發(fā)育了同時期(且具有相同構(gòu)造特點)的夾河山伸展型韌性剪切帶(Wu et al.，2005)。巨量白堊紀花崗質(zhì)巖石在遼南地區(qū)大面積分布(Wu et al.，2005;郭春麗等，2004)，它們的主體由閃長巖、花崗閃長巖、石英閃長巖、二長花崗巖、正長花崗巖、花崗巖及其斑巖組成。

圖1 遼南及萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶地質(zhì)圖(引自關會梅等，2008)Fig.1 The figure of Liaonan Wanfu metamorphic core complex ductile shear zone

萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶位于遼東半島北部，與遼南變質(zhì)核雜巖相毗鄰。剪切帶內(nèi)發(fā)育線狀和面狀構(gòu)造，尤其在主拆離斷層面下伏的韌性剪切帶(糜棱巖帶)表現(xiàn)得極為顯著。對于萬福變質(zhì)核雜巖不同部位獲得的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，拆離斷層帶總體走向近SN，傾向東，傾角為20°～30°，拉伸線理產(chǎn)狀130°∠15(關會梅等，2008)。萬福變質(zhì)核雜巖的主拆離斷層帶出露在后沙河-桂云花-萬福以及北側(cè)的古道嶺花崗巖與古元古代之間，延伸約50 km。拆離斷層帶由主拆離斷層面及其下部的碎裂巖和糜棱狀巖石構(gòu)成，表現(xiàn)為不同階段遞進演化的斷層構(gòu)造巖組合，其中較新的脆性拆離斷層面位于主拆離斷層帶的頂部，下伏為拆離斷層帶深部演化形成的碎裂巖帶和糜棱巖帶。出露的碎裂巖帶平均厚度約為50 m，糜棱巖帶的厚度較大，局部厚度超過8 km(關會梅等，2008)。糜棱巖作為主拆離斷層帶的主體，在萬福及其北側(cè)非常發(fā)育，在南部則發(fā)育的范圍較小。糜棱巖主要由下盤同構(gòu)造花崗質(zhì)侵入體遭受剪切變形所致。在拆離斷層帶的不同部位，因巖石細?；潭炔煌憩F(xiàn)出糜棱巖化程度的顯著變化。石英具有強烈的晶質(zhì)塑性變形特點，形成相應的變形恢復和重結(jié)晶結(jié)構(gòu)型式。斜長石類礦物則可以保存從晶質(zhì)塑性變形至微破裂變形的不同顯微構(gòu)造組合，反映了在地殼不同深度、不同變形溫壓條件下斜長石的表現(xiàn)差異(關會梅等，2008)。

2 有限應變與運動型渦度估算

2.1 樣品概況

樣品梁屯、萬福及什字街-楊運等3條剖面展開(圖2)。采集的樣品為初糜棱巖、糜棱巖，超糜棱巖少見。在樣品的手標本上和薄片下，依據(jù)基質(zhì)占整個手標本或薄片面積的百分比來劃分初糜棱巖與糜棱巖，基質(zhì)含量介于10% ～50%為初糜棱巖(圖2a);基質(zhì)含量介于50% ～90%為糜棱巖(圖2b，c);超糜棱巖基質(zhì)含量大于90%(圖2d)。糜棱巖類巖石面理與拉伸線理強烈發(fā)育。

圖2 萬福變質(zhì)核雜巖糜棱巖類巖石特征Fig.2 The features of mylonitic rocks in Wanfu metamorphic core complex ductile shear zone

2.2 有限應變測量

對樣品根據(jù)變形組構(gòu)的拉伸線理和面理切制三個主應變面并制作光面(平行拉伸線理、垂直糜棱面理作為XZ面;垂直糜棱面理與拉伸線理的作為YZ面，平行糜棱面理為XY面)并在該平面上進行應變測量(Li et al.，2010)。應變測量過程中，選擇合適的應變標志體極為關鍵，一般而言，變形長石、石英都可作為應變標志體。本文選用長石為應變標志體主要基于如下考慮(Li et al.，2010):(1)本區(qū)糜棱狀巖石中長石含量高;(2)長石顆粒粗大，在露頭和手標本光面尺度上易觀察測量;(3)在露頭和手標本上對粗大的長石進行測量，應變測量尺度大，測量結(jié)果相對更可靠。雖然石英也是常用的應變測量標志體，但在本區(qū)一些強變形的巖石中，石英強烈變形呈拔絲狀，顆粒邊界和形態(tài)難以確定，只能在薄片下測定，尺度相對較小。盡管長石所記錄的應變可能小于巖石的實際應變，然而，作為統(tǒng)一的應變標志體，所獲得的應變基本參數(shù)可用以對比韌性剪切拆離帶內(nèi)不同巖石的應變類型、應變強度和運動學渦度。

圖3 橫切遼南萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶剖面圖Fig.3 The cross section of Wanfu metamorphic core complex ductile shear zone

應變測量可以通過Rf/φ法(Dunnet，1969)和Fry法進行，本文選擇Rf/φ法進行應變測量。每一定向樣品每一應變面(XY面、XZ面、YZ面)上分別測量的長石標志體數(shù)目為40～60個。測量數(shù)據(jù)用雙曲線網(wǎng)進行處理，得出三維有限應變數(shù)值Rxz，Ryz，Rxy。表1 列出了三維有限應變數(shù)值(X，Y，Z)、付林參數(shù)K=ln(X/Y)/ln(Y/Z)、自然應變γ=X/Y+Y/Z －1、羅德參數(shù)υ =(2ε2－ ε1－ ε3)/(ε1－ε3)以及應變強度 Es={［(ε1－ ε2)2+(ε2－ ε3)2+(ε3－ ε1)2］/3}1/2;測量結(jié)果列于表1。

從表1可以看出，糜棱巖羅德參數(shù)υ為0.11～0.89，糜棱巖應變強度 Es為 0.59 ～0.96。所有計算結(jié)果投在對數(shù)付林圖解上(圖4)，糜棱巖投在壓扁應變區(qū)域，且由三維應變可以得出，X＞Y＞Z且X＞Y≈1＞Z且X與Y為正相關，X與Z負相關，說明應變型式為近于平面壓扁應變的一般應變。

2.3 運動學渦度估算

糜棱巖變形過程中經(jīng)歷的剪切作用的度量由運動學渦度 Wk=cosυ給出(Simpson et al.，1993)，其中υ為變形介質(zhì)中兩特征向量(非旋轉(zhuǎn)方向)或流脊間夾角。純剪切為共軸變形，主變形面(XZ面)內(nèi)有兩個非旋轉(zhuǎn)方向分別平行與垂直剪切帶邊界，其間的夾角為90°，運動學渦度為0;簡單剪切為非共軸變形，主變形面內(nèi)僅有一非旋轉(zhuǎn)方向與剪切帶邊界平行，即兩非旋轉(zhuǎn)方向間的夾角為0°，運動學渦度為1;一般剪切為上述兩種剪切方式的組合，主變形面內(nèi)兩非旋轉(zhuǎn)方向的夾角為0～90°，相應的運動學渦度為0～1。

圖4 遼南變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶糜棱巖長石有限應變測量付林圖解Fig.4 The Fulin diagram of feldspar of mylonite in Wanfu metamorphic core complex ductile shear zone

表1 萬福變質(zhì)核雜巖拆離斷層帶內(nèi)糜棱巖長石三維有限應變測量及參數(shù)Table 1 The strain strain parameter of Wanfu metamorphic core complex ductile shear zone

為了降低運動學渦度估算過程中的誤差，對于同一塊樣品選取極摩爾圓法與長短軸法估算糜棱巖面理與線理形成時的運動學渦度，計算結(jié)果列于表2。極摩爾圓法:用XZ面上有限應變橢圓軸比及其最長軸與剪切帶邊界夾角通過極莫爾圓法(Simpson et al.，1993;張進江等，1995，1997;Zhang et al，1997;鄭亞東等，2008)獲得兩特征向量(非旋轉(zhuǎn)方向)的夾角(υ)，取其余弦即可得到運動學渦度。長短軸法:通過有限應變實測獲得變形帶內(nèi)巖石有限應變的兩個重要參數(shù):應變橢球的長短軸比(Rs)和長軸與變形帶邊界的夾角(φ)?？汕蠼獬鱿鄳倪\動學渦度值(運用此法假定剪切帶面積守恒)。

表2 萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶糜棱巖形成時的運動學渦度Table 2 The kinematic vorticity values of Wanfu metamorphic core complex ductile shear zone

從表2可以看出，利用極莫爾圓求解的糜棱巖運動學渦度為 0.74 ～0.96，平均為 0.86;利用有限應變法求解的糜棱巖運動學渦度為0.66～0.92，平均為0.80。二種方法所估算的運動學渦度值一致表明所測運動學渦度可代表糜棱巖變形時的運動學渦度(圖5)。由于Wk=0.75或0.71(Simpson et al.，1993)是純剪切與簡單剪切各占一半時的渦度值，小于該值時以純剪切為主;大于該值時以簡單剪切為主。表2的實測運動學渦度值表明，糜棱巖形成時的起始階段以簡單剪切為主。

圖5 極莫爾圓法與長短軸法估算運動學渦度對比圖Fig.5 The kinematic vorticity values correlation between the Polar Mohr diagram and the finite strain method

3 討論

3.1 應變與運動學渦度

萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶三維應變主軸X＞Y＞Z且X≈Y＞Z(表1)，從應變類型看為近于壓扁應變的一般應變。拆離帶內(nèi)不同構(gòu)造巖應變強度與應變類型的差異是應變調(diào)節(jié)的結(jié)果，在一般應變中應變調(diào)節(jié)是普遍存在的，Simpson等 (1993)研究發(fā)現(xiàn)，一般剪切應變帶的形成必須滿足如下條件:(1)圍巖發(fā)生變形;(2)沿彎曲的、非平行的邊界截面積發(fā)生改變(即體積發(fā)生改變);(3)高應變帶與圍巖之間由斷裂和間隙分隔。萬福韌性剪切離帶高應變的下盤與未變質(zhì)變形上盤之間由脆性斷層面以及角礫巖帶分隔是應變調(diào)節(jié)的表現(xiàn)。Xypolias等(2001)指出高應變強度對應低的運動學渦度，這可能與垂向共軸拉伸、高應變強度與地殼物質(zhì)擠出有關;也可能由韌性正斷與地殼減壓剝露所致。在研究區(qū)，這種負相關關系是剪切帶形成后期核部巖體隆升與帶內(nèi)高應變強度的直接反應。反之，相對于簡單剪切，由于純剪切的共軸性，使其更易于應變的積累從而顯示其應變強度大于簡單剪切時的應變強度(Keith et al.，1999)。前述運動學渦度測量結(jié)果顯示所有Wk＜1，這表明剪切帶在沿Z軸方向(垂直于剪切帶邊界)發(fā)生過顯著的縮短減薄，即萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切拆離帶在形成過程中經(jīng)歷了較強的垂向縮短減薄。

3.2 萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶的發(fā)育過程

經(jīng)典的科迪勒拉變質(zhì)核雜巖韌性拆離帶的形成機制歸因于早期逆沖推覆構(gòu)造的存在，為造山帶造山期增厚地殼在晚造山期發(fā)生重力垮塌的結(jié)果(Coney et al.，1984;Soncler et al.，1987;Devey，1988)。因此，分析萬福變質(zhì)核雜巖形成機制的基礎在于該區(qū)早期有無逆沖推覆構(gòu)造的存在?已有的研究顯示，中侏羅世時研究區(qū)存在一期以金州龍王廟平臥褶皺和大小長山島的直立緊閉褶皺為代表的近南北的滑脫-推覆事件(鄭亞東等，2009);再者，在金州水源地、亮甲店一帶的變質(zhì)核與拆離帶內(nèi)的糜棱巖或糜棱巖化片麻巖以及片麻巖中存在一期SN向的拉伸線理(許志琴等，1991)。該期SN向的拉伸線理應該就是早期近南北的滑脫-推覆事件導致地殼縮短在研究區(qū)的反映，該期事件導致研究區(qū)地殼近SN向縮短加厚。

加厚的地殼使地溫梯度增加，當溫度升至750℃時，長英質(zhì)巖石發(fā)生部分熔融，研究區(qū)發(fā)生了大規(guī)模的花崗質(zhì)巖漿活動，其侵位的年齡大部分為早白堊世(Wu et al.，2005;郭春麗等，2004)。最近歐陽志俠等(2010)也獲得了一個侵位于萬福變質(zhì)核雜巖毗鄰的遼南變質(zhì)核雜巖拆離帶內(nèi)的花崗質(zhì)糜棱巖的SHRIMP U-Pb年齡為129 Ma，這表明至少從129 Ma開始，萬福核雜巖拆離帶伸展已開始活動。此時，糜棱面理和線理記錄的運動學渦度為0.74 ～0.96，平均為 0.86，記錄了以簡單剪切為主的一般剪切作用。付林參數(shù)顯示應變類型為壓扁應變也暗示拆離帶內(nèi)的糜棱巖經(jīng)歷了強烈的垂向共軸組分作用。此時，位于地殼中、深層次糜棱巖或糜棱狀巖石在上部地殼伸展垮塌、下部熱隆的聯(lián)合作用下，出露地表，并與各時代的巖石在同一高程上并置，遼南變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶完成了其演化歷史。總所周知，華北克拉通中生代以來發(fā)生了大規(guī)模的地殼伸展減薄，研究區(qū)及鄰區(qū)的同位素年齡資料也表明，萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶的發(fā)育及形成也處于這一的階段。伴隨地殼伸展與核雜巖核部巖體的不斷隆升，當位于中下地殼的韌性剪切帶(糜棱巖帶)出露地表并在同一高程上與淺部的的斷層泥與斷層角礫巖并置時，遼南變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶完成了其演化歷史?；谏鲜龇治?，可以認為遼南變質(zhì)核雜巖韌性拆離帶內(nèi)的糜棱巖形成演化過程中經(jīng)歷了以單剪為主、壓扁次之的一般剪切作用。

經(jīng)典的變質(zhì)核雜巖是1980年代初在北美科迪勒拉區(qū)確立的(Davis et al.，1979;Davis，1983;Coney，1980;Wernicke，1981)。由于早期逆沖推覆構(gòu)造的存在，一些研究者假定變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶的成因為造山帶造山期增厚地殼在晚造山期發(fā)生重力垮塌的結(jié)果(Coney et al.，1984;Sonder et al.，1987;Dewey，1988)，其構(gòu)造演化經(jīng)歷兩個階段，一為早期存在逆沖推覆構(gòu)造使地殼縮短加厚;二是晚造山期造山帶發(fā)生重力垮塌。中蒙邊界區(qū)的亞干、小秦嶺、樓子店變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶以及希臘的Chelmos剪切帶同樣也遵循這一模式。這說明早期地殼縮短加厚、晚期造山帶垮塌以及地殼伸展拆離可能是變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶形成的統(tǒng)一模式。

4 結(jié)論

(1)遼南萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶內(nèi)糜棱巖的有限應變測量表明，糜棱巖羅德參數(shù)υ為0.11～0.89，應變強度 Es為 0.59 ～0.96;運動學渦度估算表明，利用極莫爾圓求解的糜棱巖的運動學渦度為0.74 ～0.96，平均為 0.86;利用有限應變法求解的糜棱巖的運動學渦度為 0.66 ～0.92，平均為 0.80。

(2)實測運動學渦度表明，萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶的剪切作用類型為以簡單剪切為主的一般剪切。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化與年代學資料，認為遼南萬福變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶形成于加厚地殼造山后垮塌，且在早白堊紀華北克拉通大規(guī)模地殼伸展聯(lián)合作用下由地殼的中、深層次被抬升至地表，并與各時代的巖石在同一露頭上并置而成。

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Strain and Shear Types of Liaonan Wanfu Metamorphic Core Complex Ductile Shear Zone

LI Jian-bo， LU Yong-hua， JIANG Zhen-pin
(East China Institute of Technology，F(xiàn)uzhou，JX 344000，China)

The Liaonan Wanfu metamorphic core complex ductile shear zone is a SN-striked and SE-dipped ductile shear zone.Finite strain measurement of feldspar strain markers using the Rf/φ method shows the strain types of the mylonitics are flattening strain.The kinematic vorticity values(Wk)estimated by the Polar Mohr diagram and the finite strain method suggest the shear type is simple dominated general shearing.All these，together with isotope geochronology and regional tectonic background，suggest that the Wanfu metamorphic core complex ductile shear zone uplifted from the middle-lower crust resulted from thickened crust collapsing and a large scale crust extension during the Cretaceous Period.

Wanfu metamorphic core complex;ductile shear zone;strain;shear types

P542

A

1674-3504(2012)03-0238-08

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.03.006

2011-11-07 責任編輯:吳志猛

國家自然科學基金項目“醫(yī)巫閭山變質(zhì)核雜巖韌性剪切帶的應變、剪切作用類型與韌性減薄量的分布特征及構(gòu)造意義”(41102129)

李建波(1976—)，男，博士，主要從事構(gòu)造變形、構(gòu)造與成礦方面的教學與科研工作。E-mail:jbli@ecit.cn