北秦嶺瓦穴子—喬端斷裂帶的構(gòu)造特征及形成溫度—壓力條件探討

涂文傳，宋傳中，任升蓮，李加好，張歡

合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥，230009

內(nèi)容提要：瓦喬(瓦穴子—喬端)斷裂帶是北秦嶺尤為重要的斷裂帶之一，該帶經(jīng)歷了長期的變質(zhì)變形作用，記錄了二郎坪弧后盆地向華北板塊南緣俯沖消亡的信息。本文運用多種方法，對瓦喬斷裂帶幾何學(xué)、運動學(xué)及形成溫壓條件進行研究和探討，得出以下幾點認識：① 瓦喬斷裂帶產(chǎn)狀基本傾向NNE，帶內(nèi)線理發(fā)育，表現(xiàn)為由N向S逆沖的運動學(xué)特征，且存在左旋剪切的分量；② 瓦喬斷裂帶變形巖石顯微構(gòu)造特征明顯，反映了擠壓應(yīng)力下塑性流變的特征；③ 運用角閃石全鋁壓力計，得到瓦喬斷裂帶形成壓力為0.64GPa。越靠近瓦喬斷裂帶中心，壓力逐漸變大，位于斷裂帶中心壓力達到0.68 GPa，已達到中壓相系環(huán)境；④ 運用角閃石—斜長石地質(zhì)溫壓計算得瓦喬斷裂帶形成溫度范圍500～550℃，屬中溫環(huán)境。

瓦喬(瓦穴子—喬端)斷裂帶是東秦嶺構(gòu)造帶中尤為重要的斷裂帶之一。該帶位于北秦嶺中部，其走向與北部的洛南—欒川斷裂帶及南部的商(南)丹(鳳)縫合帶近于平行，向西至陜西商州，向東延伸到河南南召縣東部沒入南陽盆地，走向NWW，延綿近千千米。長期以來瓦喬斷裂帶一直被認為是寬坪巖群和二郎坪巖群的地質(zhì)界線(王潤三等，1990；劉國惠，1993；張二朋等，1992)。前人研究表明，瓦喬斷裂帶南側(cè)的二郎坪群蛇綠巖具有弧后小洋盆的特點(張國偉，1988；張本仁，1990；李亞林等，1998)，是早古生代末古商丹洋洋殼向華北板塊之下俯沖消減——碰撞過程中保留下來的殘余洋片。而其北側(cè)的中晚元古界寬坪群則為被動陸緣的裂谷洋盆，是華北板塊南緣大陸裂解作用的產(chǎn)物(閆全人等，2008)。該斷裂帶西段商州以北的寬坪群內(nèi)部，發(fā)育有北秦嶺寬坪變質(zhì)地體的韌性剪切體系(許志琴等，1986，1988，1997；張壽廣，1991a，1991b)。斷裂帶東段表現(xiàn)為：大型鎂鐵質(zhì)基性糜棱巖和鎂鐵質(zhì)超糜棱巖帶，寬度超過兩百米，剪切帶傾向北，傾角近直立(李亞林等，1998)。張宏遠(2006)對瓦喬斷裂帶的演化歷史作了概括，先是同區(qū)域熱變質(zhì)作用啟動，然后韌性剪切帶活動，最后形成區(qū)域性淺表層脆性剪切帶。前人對瓦喬斷裂帶的研究主要集中在斷裂帶宏觀地質(zhì)特征和構(gòu)造屬性等方面，但對斷裂帶微觀構(gòu)造特征精細研究和韌性剪切帶形成溫壓條件的研究涉及較少?；谏鲜龃嬖趩栴}，本文嘗試對其進行研究。

圖1 瓦穴子—喬端斷裂帶地質(zhì)簡圖及面理線理赤平投影(據(jù)張二朋等，1992)Fig. 1 Simplified geological map of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone(after Zhang Erpeng et al.， 1992)and stereographic projection drawings of foliations and lineationsa、b、c、d—分別對應(yīng)AB、CD、EF、GH剖面上的面理投影；e、f、g、h—分別對應(yīng)AB、CD、EF、GH剖面的線理；SDFZ—商南—丹鳳斷裂帶； ZXFZ—朱陽關(guān)—夏館斷裂帶；WXFZ—瓦穴子—喬端斷裂帶;LLFZ—洛南—欒川斷裂帶 a，b，c，d—attitude of foliations of AB，CD，EF，GH tectonic section；e，f，g，h—attitude of lineations of AB，CD，EF，GH tectonic section；SDFZ—Shangnan—Danfeng fault zone；ZXFZ—Zhuyangguan—Xiaguan fault zone；WQFZ—Waxuezi—Qiaoduan fault zone；LLFZ—Luonan—Luanchuan fault zone

1 瓦喬斷裂帶的宏觀構(gòu)造特征

瓦喬斷裂帶南側(cè)為二郎坪群基性黑云斜長片巖、片麻巖及糜棱巖，北側(cè)為寬坪群云母石英片巖、角閃片巖、千枚巖及糜棱巖，斷裂帶內(nèi)被卷入的巖石還有加里東期的變形花崗巖、閃長巖等。斷裂帶寬幾千米至十幾千米不等，帶內(nèi)巖石片理、片麻理及糜棱面理產(chǎn)狀基本一致，傾向NNE。線理產(chǎn)狀則變化較大。帶內(nèi)發(fā)育數(shù)十條不同時期不同構(gòu)造層次的斷層，包括韌性剪切帶、脆—韌性剪切帶及脆性斷層，各斷層產(chǎn)狀基本一致：走向NWW，傾向NNE，傾角多變，一般20°～80°。本次研究主要以造山期韌性剪切帶為主。

1.1 瓦喬斷裂帶幾何學(xué)特征

野外選取了橫穿瓦喬斷裂帶的上莊坪—栗扎樹村剖面(AB)、北大莊—十里廟(GH)剖面，斷裂帶南側(cè)的洞街—喬端剖面(CD)和斷裂帶北側(cè)的馬市坪—焦園剖面(EF)進行重點考察研究(圖1、圖2)。

圖 2 瓦穴子—喬端斷裂帶構(gòu)造剖面圖[其中(b)圖據(jù)宋傳中，2000修改]Fig. 2 Tectonic section maps of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone[map(b) was compiled from Song Chuanzhong，2000]

經(jīng)野外考察發(fā)現(xiàn)，瓦喬斷裂帶不是單一的一條剪切帶，而是由數(shù)十條韌性向脆性過度的不同變形層次的剪切帶共同組成的寬度十多千米的變形—變質(zhì)帶。各剪切帶走向近乎相互平行，走向NWW，傾向NNE，傾角20°～80°，甚至直立?？拷鼣嗔褞е行牟课?，見多條性質(zhì)相同，規(guī)模不一，產(chǎn)狀一致的韌性剪切帶，剪切帶內(nèi)發(fā)育糜棱巖。糜棱巖成分主要為長英質(zhì)及鎂鐵質(zhì)。在洞街南仙人洞發(fā)育一套大理巖及碳酸質(zhì)糜棱巖，與二郎坪群基性火山巖呈漸變接觸，糜棱面理產(chǎn)狀為：15°～35°∠30°～60°之間。在喬端橋頭之下，十余米的帶內(nèi)就見數(shù)十條強弱相間的小型韌性剪切帶，帶寬一般2～10cm，最寬可達20cm。剪切流變帶內(nèi)夾有基性巖和石英脈及透鏡體，基性巖透鏡體規(guī)模一般為5m×1m，小者可達3～10cm×1cm，斷斷續(xù)續(xù)平行于糜棱面理分布。流變帶內(nèi)柔皺發(fā)育，褶皺樞紐一般近直立，軸面近直立與糜棱面理平行。斷裂帶內(nèi)發(fā)育的線理多為傾伏角較小的近水平線理，傾伏角0°～20°居多，傾伏向NWW或SEE。同時，也可見傾伏向NE的傾向線理和斜向線理(圖1)。

1.2 瓦喬斷裂帶的運動學(xué)特征

瓦喬斷裂帶卷入了二郎坪群、寬坪群、加里東期的花崗巖及花崗閃長巖等變形—變質(zhì)巖片。這些巖片被一系列韌性剪切帶或斷裂分割，彼此近于平行，形成界線明顯的一系列小型逆沖構(gòu)造巖片(席)，各巖片均由N向S逆沖(宋傳中等，1999)。韌性剪切帶內(nèi)或兩側(cè)發(fā)育一系列剪切變形時產(chǎn)生的石英脈，愈靠近斷裂帶中心，石英脈愈多，說明這些石英脈應(yīng)為韌性剪切階段的分異脈。石英脈多發(fā)生變形，被改造成S面理，或不對稱小褶皺，褶皺北翼長南翼短，小褶皺軸面向北傾，指示了由N向S逆沖的運動學(xué)特征(圖3a、b)。同時在平面上也可見軸面直立的不對稱小褶皺(圖3c)、S形石英透鏡體與圍巖構(gòu)成S—C組構(gòu)等，均指示了左旋剪切的分量。這可能表明了二郎坪地塊向北斜向俯沖于寬坪地塊之下的跡象，同時根據(jù)野外線理特征，發(fā)現(xiàn)較多的傾伏向北東的斜向線理，與斜向俯沖(宋傳中，2006)一致。故筆者等認為野外觀察的由N向S逆沖及左旋剪切的運動學(xué)特征為同期構(gòu)造，分別為斜向俯沖在剖面和平面上的分量。

圖 3 瓦穴子—喬端斷裂帶野外特征照片及巖石顯微照片F(xiàn)ig. 3 Field characteristics photos and microphotographs of rocks of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone (a) 二郎坪群中石英脈不對稱小褶皺，指示由北向南逆沖；(b) 二郎坪群中石英透鏡體被改造成S面理，指示由北向南逆沖；(c) 糜棱巖中石英脈不對稱褶皺指示左旋剪切； (d) 長英質(zhì)初糜棱巖中斜長石BLG型動態(tài)重結(jié)晶；(e) 長英質(zhì)糜棱巖中σ型殘斑；(f) 長英質(zhì)糜棱巖中石英GBM型動態(tài)重結(jié)晶；(g) 鎂鐵質(zhì)糜棱巖；(h) 鎂鐵質(zhì)超糜棱巖；(i) 鈣質(zhì)超糜棱巖(a) asymmetric small folds of quartz veins developed in the Erlangping Group, indicates the thrusting from north to south；(b) quartz len developed in the Erlangping Group was transformed into S-shaped foliation, also indicates the thrusting from north to south; (c) asymmetric small folds of quartz veins developed in mylonite, indicates the sinistral shearing；(d) BLG-type dynamic recrystallization of plagioclase in felsic sub-mylonite；(e) σ-typle porphyroclast in felsic mylonite；(f) GBM type dynamic recrystallization of quartz in felsic mylonite；(g) mafic mylonite；(h) mafic ultramylonite；(i) calcium ultramylonite

2 瓦喬斷裂帶的顯微構(gòu)造分析

瓦喬斷裂帶中發(fā)育有不同程度變形的糜棱巖，糜棱巖化花崗巖、初糜棱巖、糜棱巖、超糜棱巖均有發(fā)育，以長英質(zhì)糜棱巖和鎂鐵質(zhì)糜棱巖為主，含少量鈣質(zhì)糜棱巖。

(1)長英質(zhì)糜棱巖系：包括初糜棱巖、糜棱巖及超糜棱巖，主要發(fā)育在脈狀花崗閃長巖、花崗巖內(nèi)部或邊部。殘斑礦物主要包括斜長石、石英等。斜長石常見顯微破裂、波狀消光、機械雙晶等現(xiàn)象，也有發(fā)生動態(tài)重結(jié)晶。大多斜長石殘斑被壓扁旋轉(zhuǎn)成σ型和δ型殘斑(圖3e)。不對稱壓力影發(fā)育，陰影部位多為細?；氖⒑驮颇肝⒕АＪ埌叱Ｒ姴钕饧皠討B(tài)重結(jié)晶(圖3d、f)現(xiàn)象， 常見鼓脹式(BLG)、亞顆粒旋轉(zhuǎn)式(SR)、顆粒邊界遷移式(GBM)動態(tài)重結(jié)晶及靜態(tài)恢復(fù)重結(jié)晶現(xiàn)象。糜棱巖中不同的石英、斜長石重結(jié)晶類型，可反映不同的溫度。據(jù)此可推測瓦喬帶糜棱巖形成溫度大概在300～630℃(Stipp et al.,2002；Mancktelow et al.,2004；向必偉等，2007)?；|(zhì)主要礦物為石英和云母。石英亞晶粒發(fā)育，且亞晶粒被拉長定向，平行或斜交糜棱面理排列，表現(xiàn)強烈的塑性流變的特征。云母顆粒細長條狀，少數(shù)發(fā)生扭曲，強定向排列，常圍繞殘斑，形成壓力帽。

(2)鎂鐵質(zhì)糜棱巖系：包括鎂鐵質(zhì)糜棱巖及超糜棱巖(圖3g、h)。其原巖主要為寬坪群或二郎坪群的基性變質(zhì)巖—角閃巖、角閃片巖等。殘斑礦物包括角閃石、黑云母、斜長石、綠簾石等。角閃石晶內(nèi)裂隙或穿晶裂隙發(fā)育，部分被拉長扭曲成礦物魚。黑云母扭折，較強定向性。斜長石機械雙晶發(fā)育?；|(zhì)主要為細小的角閃石，斜長石、黑云母、石英、綠泥石等，塑性流動現(xiàn)象明顯。

(3)鈣質(zhì)糜棱巖系：在洞街出露較好，主要是鈣質(zhì)糜棱巖和超糜棱巖(圖3i)。殘斑主要為方解石、石英，少量為角閃石、黑云母等暗色礦物。方解石：多為卵狀，定向排列。少數(shù)大的殘斑為眼球狀?；|(zhì)主要為方解石和石英，弱定向。

3 瓦喬斷裂帶形成壓力的確定

為了探討瓦喬斷裂帶的形成壓力，筆者等選取了4塊斷裂帶巖石進行電子探針分析及壓力計算。樣品編號分別為WQ22(鎂鐵質(zhì)糜棱巖)、WQ26(鎂鐵質(zhì)超糜棱巖)、XN144(鎂鐵質(zhì)糜棱巖)及XN113(角閃斜長片麻巖)。選取樣品位置如圖1所示。前三塊樣品探針選取角閃石殘斑周圍的新生角閃石，即受韌性剪切影響而產(chǎn)生的角閃石新晶。樣品XN113則探針選取角閃石顆粒邊緣。電子探針實驗是在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子探針實驗室完成，儀器型號為津島EPMA-1600，加速電壓15kV，電子束流15nA，束流直徑5μm。以23個氧為標準計算角閃石陽離子系數(shù)。

壓力計算的方法為角閃石全鋁壓力計，不同研究者提出的壓力計公式如下：

P1=-0.392+0.503n(Al)total，r2=0.80(允許誤差為±0.30GPa，Hammarstrom & Zen，1986)；

P2=-0.476+0.564n(Al)total，r2=0.97(允許誤差為±0.10GPa，Hollister et al.，1987)；

P3=-0.346+0.423n(Al)tatal，r2=0.99 (允許誤差為±0.05GPa，Johnson & Rutherford，1989)；

P4=-0.301+0.476n(Al)total，r2=0.99(允許誤差為±0.06GPa，Schmidt，1992)。

龔松林(2004)已對上述壓力計進行了介紹，在此不再贅述。本文根據(jù)上述四種壓力計分別進行計算，各標本打3～7個點，探針數(shù)據(jù)見表1，計算結(jié)果見表2。

根據(jù)表2不難發(fā)現(xiàn)，P3(Johnson&Rutherford，1989)較其余三個壓力計偏差較大，P1、P2和P4三種壓力計法得出的壓力結(jié)果相近，較為可信。各樣品再取三種方法的平均值得出WQ22的壓力值為0.60GPa，WQ26的壓力值為0.63GPa，XN113的壓力值為0.64GPa，XN144的壓力值為0.68GPa。結(jié)合采樣點位置(圖1)，發(fā)現(xiàn)越靠近瓦喬斷裂帶中心，壓力值逐漸變大，位于斷裂帶中心的樣品XN144壓力最大，達到0.68GPa，相當于中壓環(huán)境，壓力最低的為遠離瓦喬斷裂帶中心的樣品WQ22，為0.60GPa。將三個糜棱巖樣品壓力取均值得到瓦喬斷裂帶形成壓力為0.64GPa，應(yīng)代表韌性剪切帶形成時的壓力。XN113所測的壓力值0.64GPa可能代表了巖石經(jīng)歷區(qū)域變質(zhì)的壓力，由于探針選取角閃石邊緣位置，所以原巖成分可能受到韌性剪切活動的影響，實際區(qū)域變質(zhì)壓力值可能更大，在此僅用于對比分析。

表 2 北秦嶺瓦穴子—喬端斷裂帶角閃石全鋁壓力計計算結(jié)果Table 2 Calculation results of Al-in-hornblende barometer of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone

注：P1據(jù)Hammarstrom & Zen，1986，允許誤差為±0.30 GPa；P2據(jù)Hollister et al.，1987，允許誤差為±0.10 GPa；P3據(jù)Johnson & Rutherford，1989；允許誤差為±0.05 GPa ；P4據(jù) Schmidt，1992，允許誤差為±0.06 GPa。

圖 4 瓦穴子—喬端斷裂帶斜長石成分中An含量與溫度關(guān)系圖解(原圖據(jù)Plyusnina，1982)Fig. 4 Diagram of the relationship of temperature and An content in plagioclase composition of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone(based on Plyusnina，1982)

4 瓦喬斷裂帶的溫度估算

為了確定斷裂帶形成的溫度，作者選取了WQ22(鎂鐵質(zhì)糜棱巖)、WQ26(鎂鐵質(zhì)超糜棱巖)和XN113(角閃斜長片麻巖)三塊標本，WQ22和WQ26選取與角閃石新晶相鄰的斜長石新晶作為共生礦物對，進行電子探針分析，XN113探針位置則選取與角閃石相鄰的斜長石邊緣，探針數(shù)據(jù)見表1和表3。

Plyusnina(1982)指出：在斜長石—角閃石組合中，斜長石中An的含量會隨溫度而變化，與壓力無關(guān)，所以根據(jù)斜長石中An值可求得平衡溫度。同時，角閃石中的Al總量與溫度和壓力都有關(guān)，可以作為溫度計和壓力計。根據(jù)∑AlHb和CaPl即可求得形成時的P—T條件。當角閃石和斜長石中Al和Ca的分析數(shù)據(jù)精度為±1.0(摩爾百分數(shù))時，所得到的壓力標準偏差為±0.1MPa，溫度偏差為10～15℃。

樣品中的斜長石牌號An變化幅度為23.4～34.5(表3)屬更長石—中長石系列，樣品WQ22中An均值為23.9，WQ26中An均值為32.2，XN113中An均值為33.1。運用Plyusnina(1982)的斜長石成分中An含量與溫度關(guān)系圖解(圖4)可得TWQ22=513℃，TWQ26=536℃，TXN113=543℃。

運用此方法投圖得出的結(jié)果顯示離斷裂帶中心最遠的WQ22溫度最低為513℃，而離斷裂帶較近的WQ26溫度明顯高于WQ22，這可能暗示了遠離斷裂帶中心，溫度有下降的趨勢。因此斷裂帶中心的溫度可能會超過536℃。而XN113所測的溫度可能代表動力變質(zhì)之前的區(qū)域變質(zhì)的溫度，因此，雖然離斷裂帶中心較WQ26遠，溫度卻高于WQ26。

再運用角閃石—斜長石地質(zhì)溫壓計，將WQ22、WQ26及XN113三個標本的角閃石和斜長石礦物成分進行分析，運用Plyusnina(1982)的角閃石—斜長石實驗地質(zhì)溫壓計，對之前的實驗數(shù)據(jù)進行驗證。應(yīng)用斜長石—角閃石地質(zhì)溫壓計的時候，應(yīng)注意：① 巖石中除鈣質(zhì)角閃石和斜長石以外，應(yīng)有綠簾石或黝簾石；② 溫壓計中的角閃石限于鈣質(zhì)或次鈣質(zhì)角閃石，必須含Ca>1.5、Na<1.0；③ 當組合中出現(xiàn)單斜輝石時，Ca在斜長石和角閃石中的分配將受到很大的影響，此溫壓計不再適用。本次樣品均滿足以上條件。結(jié)果如圖5所示。

表 3 北秦嶺瓦穴子—喬端斷裂帶斜長石電子探針分析Table 3 Electron microprobe analysis ofplagioclsae of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone in north Qinling

圖 5 瓦穴子—喬端斷裂帶角閃石—斜長石地質(zhì)溫壓計結(jié)果(底圖據(jù)Plyusnina，1982)Fig. 5 Result of hornblende—plagioclase T—P meter of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone(based on Plyusnina，1982)Ⅰ—低壓相系；Ⅱ—中壓相系；Ⅲ—高壓相系Ⅰ—Low-pressure phase；Ⅱ—Mediun-pressure phase；Ⅲ—High-pressure phase

結(jié)果顯示，TWQ22≈525℃，PWQ22≈0.6GPa；TWQ26≈548℃，PWQ26≈0.6GPa；TXN113≈545℃，PWQ26≈0.58GPa。三個樣品均為中壓相系(圖5)，與全鋁壓力計計算的結(jié)果近乎一致。因此，在誤差允許的范圍內(nèi)，筆者等認為瓦喬斷裂帶形成溫度范圍為500～550℃，往斷裂帶中心可能會稍有偏高。

綜上所述，筆者等認為瓦喬斷裂帶形成于中溫—中壓環(huán)境，變質(zhì)相為高綠片巖相至低角閃巖相。

5 結(jié)論

本文在野外地質(zhì)路線調(diào)查基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)顯微構(gòu)造觀察、測試分析等研究結(jié)果，對瓦喬斷裂帶主要得出以下幾點認識：

(1) 幾何學(xué)特征：瓦喬斷裂帶是由數(shù)十條韌性向脆性過渡的不同變形層次的剪切帶共同組成的寬度十多千米的構(gòu)造帶。各剪切帶走向近于相互平行，傾向NNE。斷裂帶內(nèi)巖石產(chǎn)狀基本傾向NNE，發(fā)育傾向拉伸線理、斜向拉伸線理、水平拉伸線理和水平皺紋線理。

(2) 運動學(xué)特征：野外的同變形石英脈、石英透鏡體、不對稱小褶皺、線理，以及鏡下觀察的顯微構(gòu)造分析均表明，瓦喬斷裂帶表現(xiàn)為由N向S逆沖(由S向N俯沖)的運動學(xué)特征，且存在左旋剪切的分量，指示了二郎坪弧后盆地向N斜向俯沖于寬坪地塊之下的信息。

(3) 顯微構(gòu)造特征：瓦喬斷裂帶以長英質(zhì)和鎂鐵質(zhì)變形巖石為主，角閃石，斜長石等較剛性礦物多以顯微破裂為主。石英塑性變形明顯，亞晶粒發(fā)育且常被拉伸變形，見BLG、SR、GBM型動態(tài)重結(jié)晶及靜態(tài)恢復(fù)重結(jié)晶現(xiàn)象。表明瓦喬斷裂帶受到較強的擠壓應(yīng)力作用。

(4) 溫度、壓力條件：運用角閃石全鋁壓力計，根據(jù)多種方法求均值得到瓦喬斷裂帶形成壓力為0.64GPa。屬中壓相系環(huán)境。越靠近瓦喬斷裂帶中心，壓力值逐漸變大，位于斷裂帶中心壓力達到0.68GPa。運用角閃石—斜長石地質(zhì)溫壓計算得瓦喬斷裂帶形成溫度范圍為500～550℃，屬中溫環(huán)境，斷裂帶中心的溫度可能更高。