粵北南雄斷裂帶糜棱巖巖相學(xué)特征及其對構(gòu)造變形機(jī)制的指示意義

李曉崧, 劉成東, 萬建軍, 張 輝, 趙 嚴(yán), 李茂強(qiáng)

(1.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 南昌 330013; 2.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,江西 南昌 330013)

自20世紀(jì)提出韌性剪切帶概念之后，學(xué)者對其研究的重心從最初的巖石類型、剪切指向和組構(gòu)特征，逐漸轉(zhuǎn)為運(yùn)動學(xué)渦度、應(yīng)變特征、韌性減薄量與熱演化歷史等定量解析(Ramsay,1980; Xypolias，2009; 李建波等, 2012; 鄭亞東等, 1985, 2005)。糜棱巖帶與韌性剪切帶在成因上密切相關(guān)，研究區(qū)的構(gòu)造演化史漫長而復(fù)雜，歷史上存在多期次的韌性-脆性變形(梁良等, 2019)。變形、變質(zhì)和構(gòu)造疊加產(chǎn)生的熱液也是控制成巖作用和礦化作用的因素之一(龐雅慶等, 2019)。糜棱巖作為蘊(yùn)含金屬成礦帶或構(gòu)造帶豐富地質(zhì)信息的主要載體，受到地質(zhì)工作者的廣泛關(guān)注(張明林等, 2009; Christie et al.,1980; 梁良等, 1989; Xypolias, 2010)。

南雄斷裂帶位于我國重要的花崗巖型鈾礦聚集地，該區(qū)以往的構(gòu)造研究主要集中于與熱液鈾成礦有關(guān)的脆性斷裂帶，已有研究認(rèn)為此類脆性斷裂可產(chǎn)生較大規(guī)模硅化、褪色蝕變帶，控制著礦體的展布與富集(謝小占, 2016)。但是該區(qū)糜棱巖普遍分布，除了存在于較典型的韌性剪切帶中之外，糜棱巖角礫或糜棱巖條帶也在硅質(zhì)碎裂巖帶中發(fā)育，以往礦區(qū)內(nèi)的構(gòu)造地質(zhì)學(xué)工作卻很少對這一現(xiàn)象加以研究,而地殼運(yùn)動，造山帶巖石圈變形和礦床礦化的規(guī)律可通過研究韌性剪切帶的演化歷史來了解。因此，加強(qiáng)對礦區(qū)韌性剪切帶定量解析、形成時代與演化歷史的研究，將有助于提升研究區(qū)構(gòu)造演化與鈾成礦關(guān)系的認(rèn)識。

本次以南雄斷裂帶糜棱巖為研究對象，在詳細(xì)的野外構(gòu)造地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，針對其構(gòu)造特征與運(yùn)動學(xué)標(biāo)志，開展鏡下顯微構(gòu)造觀察，石英巖組分析及有限應(yīng)變測量等工作，結(jié)合前人資料，系統(tǒng)地分析了韌性剪切帶中糜棱巖的結(jié)構(gòu)變形特征，研究了區(qū)內(nèi)的韌性剪切帶發(fā)育和演化特征，為了解南雄斷裂帶和韌性剪切帶構(gòu)造的交切關(guān)系提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

南雄斷裂帶位于諸廣礦集區(qū)東南緣，大地構(gòu)造位置位于湘粵桂北海西-印支凹陷與閩贛粵后加里東隆起的結(jié)合部位，南嶺緯向構(gòu)造帶中的騎田嶺-九峰山-大余構(gòu)造巖漿巖帶的中部(朱捌, 2010)。研究區(qū)的構(gòu)造格局為巖體的形成與演化、構(gòu)造的形成與發(fā)展、鈾元素的活化與遷移成礦提供了有利條件(詹禮貴, 2016; 龐雅慶等, 2019)。

南雄斷裂帶沿北東方向展布，總延伸長約120 km，其中南雄盆地內(nèi)長度約為90 km，主要出露巖體為印支期和燕山期的諸廣巖體(趙佳楠, 2017)，在印支-燕山時期，巖漿侵入達(dá)到頂峰(圖1)。不同期次的巖體延伸方向大致為南北向，呈近東西向展布在諸廣巖體南部，整體上呈“倒錘子”型(李麗榮, 2018)。印支期花崗巖規(guī)模很大，呈南北向展布，在已形成的巖體之中穿插燕山晚期發(fā)育的輝綠巖、煌斑巖、花崗斑巖等巖脈與小巖體(張龍, 2016)。盆地周邊區(qū)域曾經(jīng)歷了多次構(gòu)造巖漿活動，以諸廣山、青嶂山為主的近EW向大型山系和近NE向斷裂帶控制的半地塹狀斷陷盆地構(gòu)成區(qū)域內(nèi)主要構(gòu)造格架，受斷裂活動的影響，在南雄盆地內(nèi)部也發(fā)育了一些小型的斷裂和褶皺。

圖1 南雄盆地及其周緣大地構(gòu)造格架圖(趙佳楠,2017)

2 糜棱巖特征

2.1 糜棱巖野外構(gòu)造特征

糜棱巖帶總體走向NE55°,傾向SE,傾角30°～50°,延伸100多千米；寬數(shù)十米至百余米,影響寬度達(dá)上千米，為了確定糜棱巖帶力學(xué)性質(zhì)，筆者對南雄斷裂做了剖面測量(圖2)與拉伸線理產(chǎn)狀測量(表1)。選擇露頭好，S-C組構(gòu)清晰的構(gòu)造面測量S面理與C面理的產(chǎn)狀，然后根據(jù)其產(chǎn)狀用赤平投影法求出剪切滑移線的產(chǎn)狀。其依據(jù)是：C面理代表剪切帶的主滑移面，在剪切帶坐標(biāo)系統(tǒng)上為XY面，剪切滑移線必在XY面即C面理上，S面理與C面理的交線必是Y軸，滑移線是在C面理上與Y軸垂直的線。利用這一幾何關(guān)系，先在赤平投影圖上投出S面理和C面理的大圓。二大圓的交點(diǎn)Y即為Y軸，然后在C面理上找出與Y成90°的極點(diǎn)L，就是所求的剪切滑移線(拉伸線理)，結(jié)果見表1。

圖2 南雄斷裂地質(zhì)概況及韌性剪切帶信手剖面

由表1產(chǎn)狀數(shù)據(jù)求解出的拉伸線理產(chǎn)狀數(shù)據(jù)可知，面理產(chǎn)狀不均一，C面理主要可分為向南東傾斜(150°～160°)和向北西傾斜(305°～320°)兩組，S面理也相應(yīng)分成兩組。由S-C面理產(chǎn)狀求出的滑移線產(chǎn)狀，其側(cè)伏角(或傾伏角)50%都在10°左右，個別的(如10號)側(cè)伏角達(dá)87°，側(cè)伏角算術(shù)平均值為20°，據(jù)此可判斷韌性剪切帶的滑移線以近水平(或傾角小)者居多，因而可認(rèn)為南雄斷裂韌性剪切帶以(左旋)走滑性質(zhì)為主，但不是一期的，而是多期活動，因而滑移線產(chǎn)狀也發(fā)生變化。

表1 南雄斷裂S面理與C面理的拉伸線理的產(chǎn)狀

2.2 巖相學(xué)及變形礦物特征

南雄斷裂帶野外特征如圖3A，B所示，糜棱巖的主要礦物成分是石英和長石(圖3C,D)，本研究中所有定向樣品均平行于線理且垂直于面理(XZ平面)。

圖3 南雄糜棱巖帶宏觀與微觀照片

糜棱巖樣品采集自南雄斷裂帶(圖2)，將采集的樣品磨制成薄片后放在偏光顯微鏡下觀察，鏡下巖相學(xué)信息指示其主要發(fā)生了石英與長石位錯攀移、位錯滑移和動態(tài)重結(jié)晶等作用，并形成波狀消光、機(jī)械雙晶(圖3F)、變形紋(圖3E)等顯微現(xiàn)象，并且觀察到動態(tài)重結(jié)晶特征由膨凸重結(jié)晶所主導(dǎo)，說明不同時期存在不同的變形溫度(胡玲等, 2009)。

2.3 顯微構(gòu)造特征

鏡下可見韌性剪切帶常見的微觀結(jié)構(gòu)，如云母定向排列、核幔構(gòu)造、壓力影，S-C面理，云母魚扭折，動態(tài)重結(jié)晶、機(jī)械雙晶和石英、長石顆粒定向排列等。石英可見因韌性剪切變形而拉長形成的糜棱線理，以顆粒邊界遷移的動態(tài)重結(jié)晶為主，顆粒發(fā)生膨凸重結(jié)晶較少，糜棱巖的基質(zhì)由細(xì)?；氖㈩w粒組成(圖3D)。有的樣品在鏡下可見石英發(fā)育的布丁構(gòu)造(圖4A)，石英布丁表現(xiàn)為不規(guī)則的多邊形，說明存在低溫變形，可觀察到S-C組構(gòu)(圖4B、C)。另外波狀消光現(xiàn)象與石英的變形紋都代表著低溫變形特征。石英重結(jié)晶主要為動態(tài)重結(jié)晶，存在代表低溫的膨凸重結(jié)晶。蠕英構(gòu)造(圖4D)大多分布于變形長石顆粒的外圍，清晰可見，并產(chǎn)生新的膨凸顆粒，這些新生顆粒的邊緣不平直，可能指示高溫或者低溫的顆粒邊界遷移。

樣品中可觀察到因晶內(nèi)自由位錯受到壓力過大時，導(dǎo)致晶格發(fā)生彎曲而產(chǎn)生的石英的波狀消光與動態(tài)重結(jié)晶(圖4D)、機(jī)械雙晶(圖4E)以及核幔構(gòu)造(圖4F)等現(xiàn)象。盡管石英顆粒等礦物表現(xiàn)出明顯的塑性變形特征，但還是在定向薄片中觀察到微裂隙有穿晶裂隙(圖4A)與晶內(nèi)裂隙(圖4E)，反映了南雄斷裂帶內(nèi)糜棱巖可能在變形過程中受到外力作用并且是多期次構(gòu)造作用的結(jié)果。

圖4 南雄斷裂帶糜棱巖顯微鏡下照片與顯微構(gòu)造照片

2.4 運(yùn)動學(xué)標(biāo)志

在對南雄斷裂帶野外研究過程中，參照野外宏觀運(yùn)動學(xué)標(biāo)志，補(bǔ)充室內(nèi)微觀運(yùn)動學(xué)標(biāo)志，可加深對斷裂帶變形構(gòu)造特征和變形機(jī)制的認(rèn)識。糜棱巖不同空間部位的定向樣品經(jīng)室內(nèi)顯微鏡下識別分析后，可以看到微觀運(yùn)動學(xué)標(biāo)志：旋轉(zhuǎn)碎斑構(gòu)造(斑晶多為長石，尾部為石英細(xì)晶，圖5A,B)、不對稱壓力影構(gòu)造(圖5C)與S-C面理構(gòu)造(圖5D)。根據(jù)鏡下觀察結(jié)果推斷糜棱巖帶的剪切方向以左行剪切為主。

圖5 南雄斷裂帶微觀運(yùn)動學(xué)特征

3 石英巖組分析與應(yīng)變測量

3.1 石英巖組分析

巖石變形過程中經(jīng)歷的不同變形條件、滑移系統(tǒng)都會影響結(jié)晶學(xué)優(yōu)選的結(jié)果。溫度是滑移系統(tǒng)啟動期間的變形條件。變形過程中的變形溫度、運(yùn)動方向與應(yīng)變等信息可被巖石組構(gòu)樣式所揭示。在鏡下薄片觀察后，挑選出具有代表性的石英變形樣品，送至中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所進(jìn)行石英X光巖組測定。綜觀石英(1120)極圖(圖6)可見數(shù)個大圓環(huán)帶，相應(yīng)于石英光軸圖為數(shù)個產(chǎn)狀不同的點(diǎn)極密，可推斷出石英經(jīng)歷過不同期次的變形。

圖6 南雄糜棱巖石英(1120)極圖

剪切指向可通過面理極點(diǎn)與石英光軸大圓環(huán)帶的關(guān)系判別，剪切方向?yàn)槿~理極點(diǎn)到環(huán)帶走向點(diǎn)的方向。根據(jù)南雄剖面上糜棱巖(1120)極圖上的主(次)大圓環(huán)帶，按照前人的分類標(biāo)準(zhǔn)(夏浩然等，2011)推斷其屬于S型構(gòu)造巖，經(jīng)歷了數(shù)次剪切變形。根據(jù)光軸極密在S面的右側(cè)或左側(cè)可以判定剪切指向的左右旋。對NX005、NX007、NX008等3個代表性樣品進(jìn)行巖組圖統(tǒng)計(表2)，左旋的有4個，右旋的有1個，說明南雄斷裂不同期次的運(yùn)動學(xué)方向不同，既有左旋，也有右旋，總體以左旋為主。

表2 南雄剖面糜棱巖石英(1120)極圖特征與解釋

糜棱巖石英(1120)極圖解讀出5個滑移類型，以底面滑移型占多數(shù)，其中4個底面滑移型，1個菱面滑移型，故以中低溫(250～350 ℃)韌性變形為主，中高溫(350～450 ℃)韌性變形為次。

3.2 有限應(yīng)變測量

本次采用長短軸法進(jìn)行有限應(yīng)變測量，以進(jìn)一步確定南雄斷裂帶糜棱巖的應(yīng)變狀態(tài)，定量分析糜棱巖帶的應(yīng)變組分、應(yīng)變狀態(tài)和變形量，可更好地解釋變形過程，獲取的數(shù)據(jù)可用于查明南雄斷裂帶糜棱巖的變形機(jī)制。其方法是在單偏光或正交偏光鏡下測量其變形體的各主軸的大小，發(fā)育有S-C組構(gòu)的巖石測量其夾角并確定其剪切指向，然后計算變形體的軸比和各種應(yīng)變數(shù)據(jù)，根據(jù)應(yīng)變測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(表3)，可以得出以下結(jié)論：

(1)等值線方向與韌性剪切帶走向一致，均呈NE向，這是因?yàn)槊永鈳r帶所在的剪切帶是巖石變形的主導(dǎo)因素，那里的巖石應(yīng)變量最大，等值線方向不受巖體、巖性所限，與印支期還是燕山期巖體關(guān)系不大。等值線在剪切帶內(nèi)外應(yīng)變強(qiáng)度呈漸變和規(guī)則性變化，該區(qū)構(gòu)造應(yīng)變場具有不均勻的簡單剪切應(yīng)變特征，為Ramsay的韌性剪切位移的I型(Ramsay, 1980)。

(2)本區(qū)的糜棱巖帶的富林參數(shù)K值為0.54～0.77，應(yīng)變類型屬壓縮型變形。

(3)糜棱巖的剪應(yīng)變r值為7.4～11.7，條帶狀或長英質(zhì)糜棱巖或超糜棱巖的r值都大于10，而初糜棱巖的r值小于10，反映它們的應(yīng)變程度不同。在此方面，表示應(yīng)變程度的V值更為顯著，有限應(yīng)變測量結(jié)果顯示，超糜棱巖的V值為2.81，約是糜棱巖質(zhì)花崗巖V值的1.6倍(表3)。

表3 南雄斷裂帶糜棱巖有限應(yīng)變測量數(shù)據(jù)

4 討論

4.1 南雄斷裂帶的變形機(jī)制

南雄斷裂帶內(nèi)糜棱巖的巖相學(xué)信息指示了其內(nèi)部的長石與石英等發(fā)生了位錯攀移、位錯滑移以及動態(tài)重結(jié)晶等應(yīng)力現(xiàn)象，并形成石英礦物塑性變形常見的波狀消光、變形紋(圖3E)、機(jī)械雙晶(圖3F)等顯微地質(zhì)現(xiàn)象，并且動態(tài)重結(jié)晶特征是由膨凸重結(jié)晶所主導(dǎo)，表明礦物的變形溫度環(huán)境不一致。樣品中可觀察到因晶內(nèi)自由位錯受到壓力過大時導(dǎo)致晶格發(fā)生彎曲而使石英波狀消光表現(xiàn)明顯(圖4D)，并且石英的動態(tài)重結(jié)晶(圖4D)與機(jī)械雙晶(圖4E)，以及核幔構(gòu)造(圖4F)等現(xiàn)象同樣明顯。在鏡下石英和云母等礦物表現(xiàn)出明顯的塑性變形特征，同時在石英、長石等礦物晶粒中都可見較明顯的顯微破裂隙，主要有穿晶裂隙(圖4A)和晶內(nèi)裂隙(圖4E)。這些特征表明南雄斷裂帶內(nèi)糜棱巖在變形過程中受到多期次的構(gòu)造作用，在定向樣品的顯微觀測中還可見各種典型的構(gòu)造運(yùn)動標(biāo)志特征(圖5)，指示了南雄斷裂帶以左行剪切為主，少量有右行剪切。

根據(jù)南雄斷裂帶糜棱巖和石英巖組的測試結(jié)果，可知構(gòu)造剪切帶經(jīng)歷了多次剪切變形。巖組圖的極密程度可直觀反映巖石遭受的應(yīng)力作用強(qiáng)弱，巖組圖上的極密程度會隨應(yīng)力的增加而增大，因此可以利用極密程度來推斷應(yīng)變程度。從巖組圖上反映了巖石曾經(jīng)受多次構(gòu)造的影響，形成交互的大圓環(huán)帶。從極圖中解讀出來滑移型有5個，其中4個底面滑移型，1個菱面滑移型，故以中低溫(250～350 ℃)韌性變形為主，中高溫(350～450 ℃)韌性變形為次。

南雄斷裂帶早期發(fā)生韌性變形，使得帶內(nèi)沉積變質(zhì)巖產(chǎn)生片理化帶或擠壓帶，在后期發(fā)生脆性變形，表現(xiàn)出韌性剪切到脆性剪切的過渡；早古生代的地層和相關(guān)巖體發(fā)生韌性變形，晚期脆性變形發(fā)育碎裂巖系列巖石，并常發(fā)育硅化帶或石英脈，帶內(nèi)韌脆性變形疊加，因此可認(rèn)為南雄斷裂帶具多期多階段構(gòu)造活動特征。

4.2 南雄斷裂帶的成因

對于南雄斷裂帶的力學(xué)性質(zhì)，多數(shù)人的看法是早期逆沖，晚期上盤下滑形成紅盆(張明林等,2009)，但關(guān)于帶內(nèi)的糜棱巖成因認(rèn)識有三種觀點(diǎn)：①糜棱巖是剝離斷層的產(chǎn)物，即上盤下陷、下盤抬升時形成于主動盤(下盤)的韌性剪切帶(陳躍輝等, 1998)；②南雄斷裂帶在韌性剪切階段的運(yùn)動方式是上沖兼左滑(鄭家儀, 1996)；③南雄斷裂帶與牛尾嶺、煙筒嶺、塘洞、百順等NE向斷裂一樣，也是吳川-四會深大斷裂北延的組成部分之一，是一條具有規(guī)模大、切割深、時間長、期次多等特征的韌性剪切帶(李建紅等, 2005)。從宏觀上來看，該糜棱巖帶表現(xiàn)出走滑性質(zhì)，但斷裂活動在不同的時間和區(qū)域顯示出多變性和不均勻性。例如，南雄斷裂后期的拉張性質(zhì)就具有非常強(qiáng)烈的剝離斷層特征，它作為南雄盆地的邊界斷層，上盤下降幅度很大，接受了厚達(dá)1 000多米以上的K2-E1沉積地層，下盤隆起成山(龍華山)，出露多期次形成的糜棱巖、碎裂巖帶。從南雄斷裂的巖石S-C組構(gòu)特征也反映出斷裂的多期性和多變性，因?yàn)槌嗣永鈳r和碎裂巖共存以及相互交替穿切之外，即使都是糜棱巖，S-C組構(gòu)所示的剪切指向有的以左旋為主，有的以右旋為主，顯示兩者的不統(tǒng)一性。

前人曾對南雄斷裂帶進(jìn)行Ar-Ar年齡研究，結(jié)果表明該斷裂帶在早白堊世(117.3±2.7) Ma發(fā)生了中生代拉伸剝離正斷層活動，而發(fā)生伸展變形韌性剪切時間是在早白堊世末-晚白堊世初期(94.6±0.4) Ma。不僅如此，還可能發(fā)生過兩次明顯的熱擾動事件，時間分別是(88.9±1.0) Ma和(81.1±2.0) Ma(李出安等，2011)。

4.3 南雄斷裂帶與鈾成礦的關(guān)系

南雄斷裂帶的鈾成礦年齡發(fā)生在晚白堊世(75 Ma或100 Ma，梁良等, 2019)。年代學(xué)的研究結(jié)果顯示構(gòu)造時間在成礦時間之前。根據(jù)前人的研究認(rèn)為，華南地區(qū)花崗巖型鈾礦與加拿大Beaverlodge地區(qū)脈型鈾礦的成礦模式類似，為地表積蓄的流體向下滲透而將鈾源活化，而斷裂構(gòu)造作用的擠壓與伸展，為導(dǎo)礦流體在巖體內(nèi)的流動和搬運(yùn)提供了成礦環(huán)境(Chi et al., 2020)。

原生花崗巖通常具有低滲透性，如果巖體沒有發(fā)生地質(zhì)作用而呈完整的一塊，很難發(fā)生鈾元素的遷移從而富集成礦。貫穿花崗巖的脆性斷層和斷裂帶，包括由前期韌性變形帶演化而來的斷裂和斷裂帶，將會成為鈾礦形成的重要控制因素之一(吳迪等,2020)。在韌性剪切帶的形成時，會在其內(nèi)部與兩側(cè)形成大量的破碎帶，從而大大提高了巖石的滲透率，不僅有助于流體的活動，還有助于流體與原巖之間交代作用的形成。張明林等(2009)的研究結(jié)果表明，鈾的空間分布與糜棱巖化和堿交代相關(guān)，糜棱巖化和堿交代作用疊加促使元素發(fā)生遷移，控制著鈾元素的空間分布。南雄斷裂帶的糜棱巖的構(gòu)造特征與前人年代學(xué)的研究結(jié)果，顯示出了南雄斷裂帶在時間與空間上和鈾成礦的相關(guān)性，可作為未來預(yù)測已知礦體的延伸與勘查隱伏礦床的地質(zhì)依據(jù)。

5 結(jié)論

通過對南雄斷裂帶內(nèi)糜棱巖開展野外構(gòu)造解析、顯微構(gòu)造分析、有限應(yīng)變測量和巖組分析工作，取得了幾點(diǎn)認(rèn)識：

(1)南雄斷裂帶內(nèi)的糜棱巖中發(fā)育有大量的具有剪切指向的宏微觀運(yùn)動學(xué)標(biāo)志，指示南雄斷裂帶以左行剪切為主，少有右行剪切，這是多期次構(gòu)造運(yùn)動作用的結(jié)果。

(2)糜棱巖的有限應(yīng)變測量結(jié)果顯示，南雄斷裂帶的構(gòu)造應(yīng)變場具有不均勻簡單剪切的應(yīng)變特征，其歸屬于Ramsay的韌性剪切位移的I型，主要應(yīng)變類型為壓縮型變形。

(3)糜棱巖的石英巖組分析結(jié)果表明，南雄斷裂帶形成過程中經(jīng)歷了早期數(shù)次中低溫左行為主的韌性剪切和晚期脆性變形，造就了復(fù)雜多變的構(gòu)造面貌，其中韌性、脆性斷裂為成礦流體及鈾源的活化與遷移提供了重要的通道與媒介。