西秦嶺硅巖中動態(tài)重結(jié)晶石英顆粒的形變過程研究

馬占武，李紅中

(1. 北方民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2. 中山大學(xué) 地球環(huán)境與地球資源研究中心，廣東 廣州 510275)

硅質(zhì)巖廣泛分布于造山帶內(nèi)[1]，其成分簡單并因高地球化學(xué)穩(wěn)定性而被運(yùn)用于環(huán)境示蹤[2]。礦物的結(jié)晶度和有序度都會隨著時間的推移而增高[3]，硅質(zhì)巖的形成溫度仍可以通過氧同位素地質(zhì)溫度計予以揭示[4-5]。造山帶內(nèi)的構(gòu)造運(yùn)動、流體及重結(jié)晶作用等導(dǎo)致成巖后期處于地球化學(xué)非平衡體系[6]，致使硅質(zhì)巖后期遭受的變質(zhì)改造過程及相應(yīng)的溫度、壓力等指標(biāo)的量化一直為人們所困惑。

分形幾何在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用[6-7]。由于，分形地質(zhì)學(xué)是非線性地質(zhì)學(xué)的主要組成部分之一，且被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)各個研究領(lǐng)域[8-9]。顯微構(gòu)造及實驗構(gòu)造地質(zhì)學(xué)方面研究發(fā)現(xiàn)，動態(tài)重結(jié)晶石英晶體顆粒邊界很多呈不規(guī)則的形狀，在晶體表面表現(xiàn)為縫合線結(jié)構(gòu)或鋸齒狀結(jié)構(gòu)，也是地質(zhì)現(xiàn)象分形自相似性和標(biāo)度不變性的反映，并具有特定的分形維數(shù)[10-11]。前人在研究巖石變形的形變溫度、壓力和應(yīng)變速率等方面取得了較好的結(jié)果[8，11]。本文嘗試著利用基于石英顆粒動態(tài)重結(jié)晶的分形地質(zhì)溫度計和分形應(yīng)變速率計方法對西秦嶺的風(fēng)太和西成兩地區(qū)的硅質(zhì)巖動力重結(jié)晶樣品進(jìn)行研究，旨在探究硅質(zhì)巖的成巖過程的演化信息及地質(zhì)指示意義。

1 樣品及分析

本文樣品采陜西省鳳太盆地的八方山—二里河地區(qū)及甘肅省西成盆地的廠壩地區(qū)。研究區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖有沉積成因和交代成因兩種類型，本研究重點討論呈層狀或似層狀發(fā)育的沉積成因硅質(zhì)巖。

實驗樣品的預(yù)處理在中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院實驗室中心完成，實驗選取新鮮巖石包括硅質(zhì)巖、含炭硅質(zhì)巖、硅化灰?guī)r及用以對比觀察的脈石英、灰?guī)r、千枚巖及白云巖等。硅質(zhì)巖致密堅硬，主要為灰—黑色(圖1a)，石英呈短柱狀細(xì)晶、微晶與他形微晶狀交織構(gòu)造，總體為塊狀構(gòu)造，我國華南地區(qū)與藏南地區(qū)快速的熱水同生沉積硅質(zhì)巖較相似，主要組成礦物多為細(xì)微晶石英，含有少量鐵絹云母、方解石、白云石和炭質(zhì)。受造山帶演化過程的改造，硅質(zhì)巖在鏡下可見微褶皺和微裂隙及礦物的定向性(圖1b)。本文研究挑選了具有明顯動力重結(jié)晶的樣品進(jìn)行了分形維數(shù)研究，石英顆粒面積和周長的測量利用Auto-CAD軟件完成。

圖1 硅質(zhì)巖樣品野外及顯微鏡照片

分維數(shù)的計算方法較多[7,9]，適合動態(tài)石英顆粒重結(jié)晶邊界分維數(shù)的計算方法有封閉折線法和面積—周長法。本次實驗采用面積—周長算法，將硅質(zhì)巖顯微照片導(dǎo)入AutoCAD繪圖軟件中，對動態(tài)重結(jié)晶石英顆粒邊界逐個矢量化。

2 結(jié)果分析及討論

分形維數(shù)在分形幾何學(xué)中是一個重要參數(shù)[8]，也是數(shù)量化表征自相似性隨機(jī)形態(tài)及現(xiàn)象的基本量[6]，這對動態(tài)重結(jié)晶顆粒的定性和定量研究具有重要的意義[8]。根據(jù)樣品的測量結(jié)果，計算出石英顆粒的粒徑及分維數(shù)見表1。

從表1可以看出，西秦嶺硅質(zhì)巖中動力重結(jié)晶石英顆粒的分維數(shù)(D)介于1.211～1.266滿足1

表1 西秦嶺硅質(zhì)巖中動力重結(jié)晶石英顆粒的分形特征

2.1 變質(zhì)相

前人研究顯示，據(jù)統(tǒng)計不同的變質(zhì)巖和花崗巖中石英顆粒縫合線邊界在光學(xué)顯微尺度上具有1～2個數(shù)量級以上的自相似性，且隨著溫度的升高石英顆粒邊界的分維數(shù)減小[12]，即：低綠片巖相變質(zhì)巖中低角閃巖相的分維數(shù)為1.14～1.23、石英顆粒邊界的分維數(shù)在1.23～1.31，從低綠片巖相到麻粒巖相以及同構(gòu)造花崗巖中的分維數(shù)一般為1.05～1.14。本文測得硅質(zhì)巖中的動力重結(jié)晶石英顆粒的維數(shù)介于1.211～1.266，將分維值在Kruhl分形維與變形溫度關(guān)系圖的投點大致對應(yīng)于角閃巖相，對應(yīng)變質(zhì)溫度約為350～450℃。硅質(zhì)巖采樣區(qū)的變質(zhì)程度多數(shù)為片巖相及少量片麻巖相變質(zhì)[7]，這與本研究的結(jié)果有偏差，這即可能歸因于硅質(zhì)巖本身具有的高穩(wěn)定型和高抗改造能力，也可能與研究區(qū)局部發(fā)育的小規(guī)模巖漿活動等因素有關(guān)。因此，該變質(zhì)相投點結(jié)果明顯不符合實際情況，研究區(qū)實際的大規(guī)模度上限可能僅達(dá)綠巖相。

2.2 應(yīng)變速率和差異應(yīng)力

研究顯示，重結(jié)晶石英顆粒形狀具統(tǒng)計學(xué)上的自相似性，而且隨著分維數(shù)變形條件而發(fā)生系統(tǒng)性變化[6-7]，通過最小二乘法線性擬合得到以下公式：

差異應(yīng)力Δσ(Δσ=σ1-σ3)與物體的形變緊密相聯(lián)系，是引起物體發(fā)生形變的重要的因素。根據(jù)差異應(yīng)力Δσ= (d/b)1/R[13]公式(式中b為實驗參數(shù)，d為動態(tài)重結(jié)晶石英顆粒直徑)，利用硅質(zhì)巖中動力重結(jié)晶石英顆粒的粒徑(見表1)對西秦嶺硅質(zhì)巖中動力重結(jié)晶過程的應(yīng)力差進(jìn)行了計算，結(jié)果見表2。盡管Koch[13]給出了“重結(jié)晶顆粒粒徑壓力計”公式的不同實驗參數(shù)，各參數(shù)的變化范圍介于-1.47～-0.59，據(jù)此計算出的應(yīng)力差最大值和最小值相差近2個數(shù)量級。Koch的實驗參數(shù)b=4.9×102、R=-0.59因考慮了石英的干、濕度而被認(rèn)為更接近實際[1,14]，故本文也以此為準(zhǔn)。研究表明：西秦嶺的八方山—二里河地區(qū)和廠壩地區(qū)應(yīng)力差近似一致，總體介于54.09～331.60 Mpa。

2.3 討論

硅質(zhì)巖受應(yīng)力作用會發(fā)生低溫下的脆性破碎和高溫塑韌性變形，對高溫塑韌性變形來講，在宏觀上表現(xiàn)為形成褶皺和扭曲等，在微觀上則表現(xiàn)為礦物顆粒的動力重結(jié)晶[15]。天然條件下，石英開始顯示塑性形變行為的溫度約為300℃，并對應(yīng)了0～10-13s-1的應(yīng)變速率[16]，該狀態(tài)對應(yīng)了地殼中的低綠片巖相條件下的流變。此外，石英顆粒的粒徑大小也會對變形機(jī)制轉(zhuǎn)換相關(guān)的溫度和壓力產(chǎn)生一定的影響[15]。但局部巖漿活動或應(yīng)力集中可能會導(dǎo)致本研究結(jié)果中變質(zhì)相與實際情況存在明顯偏差，故該變質(zhì)相投點結(jié)果明顯不符合實際情況，可能僅代表局部微小區(qū)域內(nèi)應(yīng)力、溫度集中的結(jié)果。因此，本文的研究結(jié)果在理論上得到了前人研究的支持，但個別指標(biāo)與實際情況存在偏差，相關(guān)的結(jié)果并不具備普適性，但他們可能代表了相應(yīng)變質(zhì)作用的上限。即：西秦嶺的廠壩和八方山—二里河地區(qū)硅質(zhì)巖在低于低綠片巖相狀態(tài)發(fā)生了動態(tài)重結(jié)晶，變質(zhì)溫度上限大致為350～450℃，應(yīng)力差上限為54.09～331.60 Mpa，對應(yīng)低于10-10.0～10-7.5s-1的應(yīng)變速率。造山帶的演化過程中巖石往往會遭受多期次多階段的構(gòu)造運(yùn)動改造，后期構(gòu)造運(yùn)動常常會破壞早期礦物顆粒的組構(gòu)特征，而分形方法的結(jié)果往往反映了最近的一次受改造的過程。據(jù)此，本文的分析結(jié)果應(yīng)該是代表了造山帶演化過程中有限范圍內(nèi)的最新一次大構(gòu)造作用的溫度和壓力狀態(tài)，難以反映較大區(qū)域內(nèi)的大規(guī)模構(gòu)造變質(zhì)對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變信息。

表2 西秦嶺硅質(zhì)巖中動力重結(jié)晶石英顆粒的應(yīng)力差

3 結(jié) 論

通過對西秦嶺的廠壩和八方山—二里河地區(qū)硅質(zhì)巖薄片進(jìn)行研究，本文主要得到如下結(jié)論。

1)西秦嶺硅質(zhì)巖都遭受到了造山帶演化過程的改造，硅質(zhì)巖中石英顆粒動態(tài)重結(jié)晶且分維數(shù)為1.211～1.266，這指示了石英顆粒的統(tǒng)計學(xué)自相似性和標(biāo)度不變性特征。

2)動態(tài)重結(jié)晶石英顆粒最新的變質(zhì)程度應(yīng)低于低綠片巖相，變質(zhì)溫度上限為350～450℃。

3)動態(tài)重結(jié)晶石英顆粒的變質(zhì)過程對應(yīng)的差異應(yīng)力上限為54.09～331.60 Mpa，該應(yīng)力導(dǎo)致了最高10-10.0～10-7.5s-1的應(yīng)變速率。