豫西雙龍韌性剪切帶的顯微構(gòu)造特征及變質(zhì)變形環(huán)境分析

靳立杰， 王繼林，周漢文，田明陽，李春稼，王子圣 ，韓姍 *

(1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 山東 濟南 250100;2.山東省富鐵礦勘查技術(shù)開發(fā)工程實驗室，山東 濟南 250100; 3.中國冶金地質(zhì)總局山東局測試中心,山東 濟南 250100;4. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引言

韌性剪切帶是巖石在塑性狀態(tài)下發(fā)生連續(xù)變形形成的狹窄高剪切應(yīng)變帶[1]。韌性剪切帶中的巖石在造山帶縮短和巖石圈拉張、伸展過程中保存了大量的深部變形特征，是重建大陸變形過程中構(gòu)造變形溫壓環(huán)境、變形幾何學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的重要研究對象，也是造山帶研究的重要組成部分[2-4]。東秦嶺造山帶核部的網(wǎng)結(jié)狀走滑韌性剪切帶系統(tǒng)為一系列NWW向的韌性剪切帶[5]，雙龍韌性剪切帶屬于其剪切帶陣列中的一條，發(fā)育規(guī)模相對較大，對研究東秦嶺網(wǎng)結(jié)狀走滑韌性剪切帶的性質(zhì)及變質(zhì)變形環(huán)境具有一定的代表性。本文在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對韌性剪切帶的巖石組成、剪切帶性質(zhì)及變質(zhì)變形環(huán)境進行了分析探討，為東秦嶺造山帶的構(gòu)造演化提供變質(zhì)變形環(huán)境方面的約束。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

秦嶺是華北板塊和揚子板塊的結(jié)合域，由不同成因、不同構(gòu)造背景、不同年齡的巖層組成，是經(jīng)歷了長期多次不同造山作用而形成的復(fù)合型大陸造山帶，在中國大陸的形成與演化中占有重要地位，長期以來受到廣泛的關(guān)注。東秦嶺造山帶歷經(jīng)元古代的形成階段和加里東—印支期的韌性、脆性再造階段，在其邊緣及內(nèi)部發(fā)育了一系列的韌性、脆韌性剪切帶。東秦嶺造山帶剪切帶陣列包括3個韌性剪切系統(tǒng)：秦嶺造山帶核部北緣軍馬河-馬蹄灣韌性推覆剪切系統(tǒng)、內(nèi)部的網(wǎng)結(jié)狀走滑性韌性剪切系統(tǒng)、弱應(yīng)變域中保留的近水平韌性剪切系統(tǒng)[3-7]。

雙龍韌性剪切帶地處河南省西峽縣雙龍鎮(zhèn)，構(gòu)造位置上位于東秦嶺造山帶的核部、商丹斷裂帶和勉略斷裂帶之間，即揚子板塊和華北板塊兩大構(gòu)造單元結(jié)合帶的核心部位(圖1)。雙龍韌性剪切帶是發(fā)育在東秦嶺造山帶核部一系列NWW向網(wǎng)結(jié)狀韌性剪切帶陣列中的一條。

1—秦嶺群；2—二郎坪群；3—寬坪群；4—三疊系上統(tǒng)；5—白堊系上統(tǒng)；6—閃長巖；7—花崗巖；8—糜棱巖；9—地層邊界；10—斷層；11—樣品位置圖1 雙龍地區(qū)地質(zhì)簡圖[8]

2 巖石學(xué)特征

雙龍韌性剪切帶原巖為秦嶺群黑云斜長片麻巖，主要礦物為石英、長石及黑云母。剪切帶整體呈NWW向展布，出露寬度約100m。韌性剪切帶內(nèi)巖石在動力變質(zhì)作用的改造下發(fā)生了強烈的變質(zhì)變形，由兩側(cè)到中心依次形成了初糜棱巖、糜棱巖、超糜棱巖、假玄武玻璃一系列動力變質(zhì)巖(圖2)。韌性剪切帶內(nèi)越靠近中心糜棱巖的流動構(gòu)造越趨于明顯，碎斑的含量逐漸變少、粒度也逐漸變小，S-C面理的夾角也相應(yīng)減小，甚至在超糜棱巖中出現(xiàn)了黑云母和石英的成分層。此外，在剪切帶的中心部位平行糜棱巖面理形成了一層厚約1cm的假玄武玻璃。

圖2 韌性剪切帶中初糜棱巖(a)、糜棱巖(b)和超糜棱巖(c)鏡下特征

剪切帶中糜棱巖面理較為發(fā)育，總體產(chǎn)狀為64°∠76°，并且在初糜棱巖、糜棱巖、超糜棱巖中存在大量旋轉(zhuǎn)碎斑及云母魚、S-C組構(gòu)、動態(tài)重結(jié)晶石英等顯微構(gòu)造。通過對這些構(gòu)造特征進行研究，認(rèn)為該韌性剪切帶為左行走滑剪切。

3 分析方法

本次研究對韌性剪切帶進行系統(tǒng)的野外調(diào)查及定向樣品采集，對其中具有代表性的樣品進行了顯微構(gòu)造和石英的EBSD組構(gòu)分析。其中石英、長石的顯微構(gòu)造統(tǒng)計分析是通過顯微鏡進行；EBSD組構(gòu)是在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室進行，EBSD的型號為HKL公司的Channel 5.0&Nordlys Ⅱ Detesctor，工作條件：加速電壓-20kV；工作距離-21.2mm；樣品傾斜70°；有效束流-5nA。

4 討論

4.1 顯微構(gòu)造特征

在動力變質(zhì)作用的影響下，韌性剪切帶發(fā)育從初糜棱巖到超糜棱巖一系列動力變質(zhì)巖。這些動力變質(zhì)巖中石英、長石及云母等礦物也發(fā)生了顯微構(gòu)造變形，顯微構(gòu)造現(xiàn)象十分豐富，主要有顯微裂隙(圖3a、圖3b)、變形紋(圖3c、圖3d)、變形帶(圖3e)、波狀消光(圖3f)、鼓脹式重結(jié)晶(圖3g)、石英亞顆粒(圖3h)、顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶(圖3i)、云母魚(圖3j)、S-C組構(gòu)(圖3k)和旋轉(zhuǎn)碎斑(圖3l)。其中定向樣品中的云母魚、S-C組構(gòu)、旋轉(zhuǎn)碎斑及動態(tài)重結(jié)晶石英顆粒均指示該韌性剪切帶為左行剪切。

4.2 變質(zhì)變形溫度

4.2.1 顯微構(gòu)造特征判斷

溫度和壓力是影響巖石和礦物變形的重要因素，受到不同的變形機制控制，會顯示不同的變形行為和變形現(xiàn)象，因此可以根據(jù)礦物特定的變形現(xiàn)象來大體推斷其變形時的溫壓條件[9]。在韌性剪切帶中，由于糜棱巖化過程相對短暫、新生礦物大多無法達(dá)到共生平衡、且新生礦物的生長受原巖成分控制等原因，目前被廣泛使用的地質(zhì)溫度計中很難找到適合于計算糜棱巖變形溫度的計算方法。而韌性剪切變形過程中，巖石中長石和石英的變形現(xiàn)象與溫度有很好的相關(guān)性，且在實際應(yīng)用中取得了很好的效果[10]。

研究表明，長石礦物在300℃時完全表現(xiàn)為脆性變形，出現(xiàn)顯微破裂的現(xiàn)象；在500℃時則以塑性變形為主，出現(xiàn)塑性拉長現(xiàn)象；而脆—塑性變形的轉(zhuǎn)換溫度為400℃[11]。在300～700℃的溫度下重結(jié)晶形式會呈現(xiàn)晶粒鼓脹式重結(jié)晶(BLG)、亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶(SGR)、顆粒邊界遷移重結(jié)晶(GBM)3個過程。石英重結(jié)晶由BLG向SGR轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間為380～420℃；在420～480℃以SGR存在；當(dāng)溫度高于480℃時，SGR向GBM轉(zhuǎn)變；GBM獨立存在的溫度區(qū)間為530～630℃，此時石英殘斑幾乎消失[10，12]。

雙龍韌性剪切帶中石英變形現(xiàn)象以波狀消光、變形帶、變形紋等塑性變形為主，并發(fā)育少量的顯微裂隙等脆性變形現(xiàn)象。長石重結(jié)晶現(xiàn)象不明顯，有強烈的超細(xì)粒化現(xiàn)象；變形現(xiàn)象以顯微裂隙等脆性變形為主，局部可見塑性拉長、變形紋等塑性變形現(xiàn)象。

此外，雙龍韌性剪切帶中石英重結(jié)晶方式主要為顆粒邊界遷移重結(jié)晶，并伴有鼓脹式重結(jié)晶，含量略有差異；具體表現(xiàn)為從初糜棱巖、糜棱巖到超糜棱巖石英的顆粒邊界遷移重結(jié)晶比例逐漸增多，鼓脹式重結(jié)晶比例逐漸減少，指示剪切帶由兩側(cè)到中心變質(zhì)溫度有升高趨勢。

結(jié)合前人的研究成果及巖石中礦物的變性特征推測變質(zhì)變形溫度在400～480℃之間。

4.2.2 石英的EBSD組構(gòu)特征判斷

溫度是眾多控制石英滑移系的因素中最重要的一種。研究表明，在T<400℃時，主要表現(xiàn)為底面(0001)滑動[13]，石英C軸圖組構(gòu)表現(xiàn)為周緣點極密。當(dāng)T在400～650℃時，各種滑移系同時發(fā)生活動，以底面滑移、菱面滑移和a柱面占主導(dǎo)地位[14]，石英的C軸組構(gòu)圖表現(xiàn)為周緣點極密、小圓環(huán)帶、大圓環(huán)帶及其組合；隨著溫度的升高，a柱面滑移將占據(jù)主導(dǎo)地位[10]。當(dāng)T>650℃時，C柱面滑移占主導(dǎo)地位，此時石英C軸組構(gòu)圖為單一柱面滑移形成的中央點極。因此，通過對剪切帶中石英C軸的分布特征進行分析，可以用來分析石英的滑移晶系，進而對剪切帶的剪切指向、剪切溫度以及變形機制進行研究[15-16]。

圖4a、圖4b顯示：雙龍韌性剪切帶糜棱巖中石英C軸組構(gòu)特相似，石英C軸組構(gòu)圖表現(xiàn)為周緣點極密和小圓環(huán)帶結(jié)合，無明顯的大圓環(huán)帶。點極密分布于邊緣位置，部分點極密分布在圓周上，指示剪切作用變形過程中石英以底面滑移為主，存在少量的菱面滑移，不存在或存在極少量的柱面滑移。根據(jù)以往的研究成果，可以推測雙龍韌性剪切帶的變形溫度在400～500℃。

a—石英顯微裂隙;b—長石顯微裂隙;c—長石變形紋;d—石英變形紋;e—變形帶;f—波狀消光;g—石英鼓脹式重結(jié)晶;h—石英亞顆粒;i—石英顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶;j—云母魚;k—S-C組構(gòu); l—旋轉(zhuǎn)碎斑圖3 雙龍韌性剪切帶中的顯微構(gòu)造特征

圖4c顯示：石英C軸的特征與圖4a、圖4b相似，故反應(yīng)的溫度也在400～500℃；另外，可能受到局部應(yīng)力作用的影響，C軸的組構(gòu)圖與圖4a、圖4b略有差別，對剪切帶的運行學(xué)性質(zhì)指示不明顯。

圖4 糜棱巖中石英C軸組構(gòu)圖

綜合以上礦物的顯微構(gòu)造特征及石英的EBSD組構(gòu)特征，綜合認(rèn)為雙龍韌性剪切帶的變形溫度在400～500℃之間，且剪切帶運動性質(zhì)為左行剪切。

4.3 古差應(yīng)力

礦物在較高的溫度或較強的應(yīng)力條件下發(fā)生位錯蠕變時常伴有動態(tài)重結(jié)晶，形成動態(tài)重結(jié)晶顆粒。金屬和礦物的實驗研究表明，動態(tài)重結(jié)晶顆粒的大小與變形達(dá)到穩(wěn)定態(tài)時的應(yīng)力大小有關(guān)：應(yīng)力越大，顆粒越細(xì)。動態(tài)重結(jié)晶顆粒大小與差異應(yīng)力的關(guān)系為：σ1-σ3=AD-m[17],A與m常數(shù)，D為動態(tài)重結(jié)晶顆粒粒徑。其中A=6.1，m=0.68。

在雙龍韌性剪切帶巖石中含有很多動態(tài)重結(jié)晶的石英，所以可以采用動態(tài)重結(jié)晶顆粒大小法對古應(yīng)力進行計算。通過對糜棱巖中動態(tài)重結(jié)晶石英顆粒的粒度進行統(tǒng)計，應(yīng)用差應(yīng)力計算公式σ1-σ3=6.1D-0.68計算剪切帶的差應(yīng)力。

統(tǒng)計顯示：動態(tài)重結(jié)晶石英的平均粒度在0.034～0.044mm之間；經(jīng)差應(yīng)力公式計算得到雙龍韌性剪切帶古差應(yīng)力值在51～61MPa之間。

4.4 韌性剪切帶的演化過程

野外觀察及研究表明，雙龍韌性剪切帶的變質(zhì)變形溫度約400～500℃，按照30℃/km的地溫梯度計算，初步推測雙龍韌性剪切帶的形成深度約13～17km。在51～61MPa古差應(yīng)力的作用下，巖石經(jīng)塑性變形由兩側(cè)到中心依次形成了初糜棱巖、糜棱巖、超糜棱巖一系列動力變質(zhì)巖。隨著變形的不斷加強，糜棱巖中礦物不斷細(xì)?；纬蓸?gòu)造薄弱帶。當(dāng)應(yīng)力超過巖石的屈服強度之后發(fā)生斷裂，使斷層兩盤快速滑動形成假玄武玻璃。假玄武玻璃的出現(xiàn)也說明秦嶺群曾經(jīng)歷高應(yīng)變速率的古地震事件。后經(jīng)長時間的地殼抬升和剝蝕作用使該韌性剪切帶出露地表。

在華北板塊和揚子板塊碰撞過程的側(cè)向滑動-走滑作用下，在秦嶺造山帶核部形成了一系列的韌性剪切帶。雙龍韌性剪切帶是發(fā)育在東秦嶺造山帶核部一系列NWW向網(wǎng)結(jié)狀韌性剪切帶陣列中的一條。由此推測，這一系列網(wǎng)結(jié)狀韌性剪切帶與雙龍韌性剪切帶可能具有相似的變質(zhì)變形環(huán)境。

5 結(jié)論

(1)雙龍韌性剪切帶為發(fā)育在秦嶺造山帶核部的一條NWW向展布的韌性剪切帶，由兩側(cè)到中心依次發(fā)育了初糜棱巖、糜棱巖、超糜棱巖以及假玄武玻璃一系列動力變質(zhì)巖。動力變質(zhì)巖中發(fā)育顯微裂隙、變形紋、波狀消光、云母魚等多種顯微構(gòu)造現(xiàn)象。

(2)顯微構(gòu)造特征及石英的EBSD組構(gòu)特征顯示，韌性剪切帶的運動學(xué)性質(zhì)為左行剪切，且變質(zhì)變形溫度約為400～500℃。

(3)石英動態(tài)重結(jié)晶顆粒粒度的統(tǒng)計分析顯示，得到其平均粒度在0.034～0.044mm，由動態(tài)重結(jié)晶顆粒法計算得到剪切帶的古差應(yīng)力值在51～61MPa。