肥東低角度韌性剪切帶內(nèi)巖石變形特征

馬 濤， 宋傳中， 任升蓮， 李加好， 劉 歡， 由夏冰

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

肥東低角度韌性剪切帶內(nèi)巖石變形特征

馬 濤， 宋傳中， 任升蓮， 李加好， 劉 歡， 由夏冰

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

肥東低角度韌性剪切帶緊鄰郯廬斷裂帶巨大的近直立的左行平移韌性剪切帶發(fā)育，其巖石變質(zhì)變形特征具有韌性剪切帶的一般特征，即越靠近剪切帶內(nèi)側，巖石變質(zhì)變形程度越強，遠離韌性剪切帶，巖石變質(zhì)變形強度越弱。低角度韌性剪切帶內(nèi)超糜棱巖變形強烈，變質(zhì)相可達到角閃巖相，其變質(zhì)變形程度與直立的郯廬斷裂帶內(nèi)超糜棱變質(zhì)變形程度類似，兩者在形成環(huán)境和成因類型上統(tǒng)一，具有大陸巖石圈被高角度韌性剪切帶切割并沿低角度韌性剪切帶逆沖推覆的形成機制。

低角度韌性剪切帶；郯廬斷裂帶；古應力差；應變速率；石英C軸組構

韌性剪切帶近年來一直是構造地質(zhì)學研究的重點之一，通過對韌性剪切帶幾何學、運動學以及顯微構造特征的研究，可以了解其所反映的構造變形環(huán)境，進而探討地球動力學機制。在位于安徽東部張八嶺隆起的南部、浮槎山構造區(qū)東側的西韋地區(qū)發(fā)現(xiàn)的低角度韌性剪切帶在空間上與相鄰的高角度郯廬斷裂帶中發(fā)育的超糜棱巖帶相連，兩者具有成因上的相關性和巖石變質(zhì)變形特征上的相似性。

1 地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

西韋地區(qū)出露的低角度韌性剪切帶西側緊鄰近直立的大規(guī)模左行平移斷裂帶——郯廬斷裂帶，區(qū)域內(nèi)構造線受郯廬斷裂帶影響，呈北北東走向，如圖1所示（據(jù)中華人民共和國地質(zhì)圖H50E002015（烔陽河幅）及H50E001015（梁園鎮(zhèn)幅）修改，1999年安徽省地質(zhì)調(diào)查院測制）。區(qū)內(nèi)主要出露古元古界肥東群變質(zhì)雜巖，它是下?lián)P子地區(qū)揚子板塊上出露的最深變質(zhì)的巖石［1－4］。

圖1 區(qū)域地質(zhì)簡圖

1.2 低角度韌性剪切帶野外地質(zhì)特征

低角度韌性剪切帶發(fā)育于古元古界肥東群中，其野外照片如圖2所示。韌性剪切帶內(nèi)及兩側巖石變質(zhì)程度由淺到深依次有長英質(zhì)初糜棱巖、糜棱巖和超糜棱巖，帶內(nèi)出露的超糜棱巖帶露頭長約90 m，厚0.5～1.0 m，東側略向上揚起，西側傾伏于地表之下并與郯廬斷裂帶高角度韌性剪切帶相連。

野外露頭的西側為郯廬斷裂帶厚度在10 m以上的糜棱巖和超糜棱巖，其自西向東具代表性的糜 棱 巖 面 理 依 次 為 140°∠80°、136°∠65°、130°∠59°，顯示為上部較陡立、下部漸平緩，西側較陡立、東側較平緩的連續(xù)的弧形形態(tài)（圖2d），且不同位置糜棱面理上發(fā)育較為統(tǒng)一的礦物拉伸線理，具代表性的線理為194°∠20°。剪切帶的弧形下部向東為人工采石堆所遮蓋，沿該超糜棱巖帶的延伸趨勢，采石堆東側露頭見較為平直的低角度韌性剪切帶，寬度為0.5～1.0 m，帶內(nèi)發(fā)育超糜棱巖，糜棱面理195°∠20°，超糜棱巖面理上發(fā)育的礦物拉伸線理為傾向線理，產(chǎn)狀195°∠20°（圖2a）。低角度韌性剪切帶內(nèi)巖石發(fā)生糜棱巖化（圖2b），部分達到超糜棱巖，低角度韌性剪切帶下方先期片麻巖面理為175°∠18°，被低角度韌性剪切帶牽引（圖2c）。剪切帶上方發(fā)育有寬度最大達1 m的中酸性巖脈，拖尾向西，顯示其具有向北東方向逆掩的運動學特征。

圖2 低角度韌性剪切帶野外照片

剪切帶內(nèi)以及其下部發(fā)育有具透入性構造特征的中酸性巖石，其形成的面理與剪切帶內(nèi)超糜棱巖面理構成S－C組構，超糜棱巖形成的C面理與中酸性巖石形成的S面理之間形成10°～30°夾角，指示該剪切帶的運動學方向為由南西向北東的逆沖，剪切帶內(nèi)變形特征如圖3所示。

圖3 低角度韌性剪切帶內(nèi)變形特征

韌性剪切帶產(chǎn)狀與其形成的構造背景有關。有研究者根據(jù)大型韌性剪切帶的產(chǎn)狀將其劃分為產(chǎn)狀較陡的大型韌性平移剪切帶和產(chǎn)狀較緩的大型推覆型韌性剪切帶，如果考慮韌性剪切帶的產(chǎn)狀和運動方式，韌性剪切帶應分為3種類型：走滑（平移）型、推覆（逆沖）型和滑覆（正滑）型［5］。與北北東向郯廬斷裂帶（走滑型韌性剪切帶）相伴生的西韋低角度韌性剪切帶屬低角度推覆型韌性剪切帶。

逆沖推覆構造由于應力狀態(tài)、運動學狀態(tài)和流變學狀態(tài)的差異，在逆沖方向上可分為根帶、中帶和鋒帶3個主變形帶。具體特征上，根帶、中帶和鋒帶的產(chǎn)狀依次變陡，變質(zhì)變形程度依次減弱。西韋低角度韌性剪切帶內(nèi)的超糜棱巖帶表現(xiàn)出較低的產(chǎn)狀、變形性狀上塑性增強，具備較高的應變狀態(tài)，表明其在構造位置靠近逆沖推覆構造的根帶。文獻［6］在對本區(qū)域郯廬斷裂帶超糜棱巖的研究中指出，肥東韌性剪切帶目前出露的為該斷裂帶的根部，具備典型的深層次左行走滑變形。

2 巖石特征及估溫

2.1 巖石的鏡下特征

顯微鏡下糜棱巖中礦物以斜長石、石英和角閃石為主，部分含少量云母和綠簾石。斜長石發(fā)生機械破碎、波狀消光和機械雙晶，石英發(fā)生鼓脹式重結晶、顆粒邊界遷移動態(tài)重結晶和亞顆粒旋轉動態(tài)重結晶等多種形式的動態(tài)重結晶，并具核幔構造。剪切帶內(nèi)巖石發(fā)生強烈糜棱巖化，表現(xiàn)為礦物顆粒強烈的細?；退苄宰冃?。隨著遠離剪切帶中心位置，巖石的糜棱巖化逐漸減弱，即表現(xiàn)為由超糜棱巖—糜棱巖—初糜棱巖化的變化。鏡下巖石變形特征如圖4所示。

圖4 鏡下巖石變形特征

圖4a為剪切帶內(nèi)超糜棱巖，斜長石和石英發(fā)生十分強烈的細粒化，并發(fā)生強烈的塑性拉長，顯示出強烈的應變狀態(tài)；圖4b為旋轉的斜長石σ型斑晶，指示左旋的運動學狀態(tài)；圖4c中角閃石斑晶形成書斜構造，指示左旋運動；圖4d中石英顆粒邊緣發(fā)生動態(tài)重結晶。

由巖石的鏡下特征可以判斷，韌性剪切帶內(nèi)巖石發(fā)生強烈塑性變形，巖石的變質(zhì)變形特征以及定向標本所反映的運動方向，和該韌性剪切帶在宏觀上的特征一樣，指示出較強的應變狀態(tài)和逆沖的運動學屬性。

2.2 糜棱巖化過程中礦物變形溫度的估計

巖石中的石英和斜長石具有明顯的動態(tài)重結晶和變形特征，應用糜棱巖化過程中的礦物溫度計對其顯微鏡下所反映的溫度進行分析。

糜棱巖化過程中石英和長石的變形和重結晶主要受控于溫度，因此可以通過石英和長石的動態(tài)重結晶形式對糜棱巖的形成溫度進行估計。石英的重結晶開始于300℃下，從300～700℃過程中，分別經(jīng)歷鼓脹式重結晶（BLG）、顆粒邊界遷移動態(tài)重結晶（SR）和亞顆粒旋轉動態(tài)重結晶（GBM）。鏡下巖石重結晶特征如圖5所示。在300～380℃主要發(fā)生BLG重結晶（圖5a），380～420℃，BLG向SR轉變，420～480℃發(fā)生SR重結晶（圖5b），500℃以上時GBM動態(tài)重結晶占主要地位（圖5c）。長石也是糜棱巖中的主要變形礦物，糜棱巖化過程中，長石的變形與石英相似，也可分為鼓脹式重結晶、亞顆粒旋轉重結晶和顆粒邊界遷移重結晶3個階段，但其變形溫度高于石英，300～400℃時，長石主要變現(xiàn)為顯微破裂，雙晶紋彎曲、波狀消光和機械雙晶，400～500℃時長石塑性變形和顯微破裂共存（圖5d），500～650℃時長石顆粒表現(xiàn)為BLG動態(tài)重結晶，650～850℃時表現(xiàn)為SR動態(tài)重結晶為主，850℃以上時以獨立的SR重結晶存在。據(jù)此可以通過鏡下石英和長石的顆粒重結晶特征來估計其糜棱巖化過程中的溫度［7－8］，西韋低角度韌性剪切帶內(nèi)巖石變形溫度估計見表1所列。

圖5 鏡下巖石重結晶特征

表1 部分巖石標本鏡下特征及估溫

3 石英變形及分維值

由于低角度與高角度韌性剪切帶存在空間的相連性，可通過分維分析和確定古應力差應變速率的方法，定量地探索低角度韌性剪切帶內(nèi)巖石的變質(zhì)變形規(guī)律以及兩剪切帶之間巖石變質(zhì)變形程度的關系。

3.1 分形維數(shù)

韌性變形巖石中動態(tài)重結晶的石英顆粒邊界具有自相似性，表現(xiàn)出分形特征，動態(tài)重結晶的石英顆粒邊界的分形維數(shù)隨溫度的升高而降低，隨應變速率的增大而增大，可以作為韌性變形應變速率的標度計。不同溫度范圍的石英顆粒邊緣的分形具有不同的分形維數(shù)，低綠片巖相變質(zhì)巖中石英顆粒邊界的分維數(shù)在1.23～1.31之間，高綠片巖相到低角閃巖相為1.14～1.23，麻粒巖相為1.05～1.14［9－10］。韌性變形巖石中的石英顆粒在重結晶過程中分維數(shù)隨溫度的升高而減小。

Takahashi通過大量實驗，把分維數(shù)D、變形溫度T和應變速率ε聯(lián)系起來，通過最小二乘法線性擬合得到（1）式［11］：

其中，φ＝9.34×10－2；ρ＝6.44×102。

3.2 面積周長法

面積周長法是通過不規(guī)則復雜曲線的周長與具有相同面積的圓的直徑比較來確定分維數(shù)的方法。

在待測巖石的顯微照片上利用軟件測定石英顆粒的周長P和面積A，計算出相同面積圓的直徑d，將測量數(shù)據(jù)投在雙對數(shù)圖上，其最小二乘法擬合線的斜率即為分維值D，周長－粒徑雙對數(shù)圖如圖6所示。

圖6 周長－粒徑雙對數(shù)圖

3.3 古應力差和應變速率

Twiss提出的通過石英動態(tài)重結晶顆粒的粒徑計算差異應力的公式為［12－16］：

其中，d為動態(tài)重結晶石英顆粒的粒徑；Δσ為差異應力。利用（2）式計算出巖石變形的差異應力。

Parrish提出的的濕石英流變速率公式為：

其中，ε為應變速率；Δσ為差異應力。

選取 FW2－2、FW2－20 、FW2－21、FW2－23等巖石樣品做石英顆粒變形分維分析，其中標本FW2－2為近直立郯廬斷裂帶內(nèi)超糜棱巖，F(xiàn)W2－20為低角度韌性剪切帶內(nèi)超糜棱巖，F(xiàn)W2－21、FW2－23垂向上依次遠離低角度韌性剪切帶。從巖石鏡下特征來看，標本FW2－20、FW2－21、FW2－23變質(zhì)變形強度依次減弱，礦物變形估溫依次降低，而高角度超糜棱巖帶內(nèi)巖石標本FW2－2的變質(zhì)變形強度與FW2－20相類似。

顯微鏡下對每個標本選取不少于50個顆粒做分維分析，并計算其差異應力和應變速率，結果見表2所列。

表2 石英顆粒邊界分形特征

從計算結果可以看出，所選取4個標本的分形維數(shù)為1.163～1.227，表明所選取標本的變質(zhì)相應為高綠片巖相到低角閃巖相，隨糜棱巖化程度的加深，石英顆粒的分維數(shù)逐漸升高、差異應力逐漸降低、應變速率逐漸降低。

低角度韌性剪切帶中央超糜棱巖的各項計算結果與高角度郯廬斷裂帶內(nèi)超糜棱巖相近，兩者的古應力差、應變速率和分形維數(shù)相似，表明兩剪切帶在形成環(huán)境和變形變質(zhì)條件上具有相似性。

4 石英C軸組構

礦物沿特定的滑移系發(fā)生位錯蠕變可形成晶格優(yōu)選定向，成為組構。通常用下半球等面積赤平投影的形式將光軸、雙晶面極點等結晶學要素投影到平面上，做出等密度圖來表示礦物晶體的優(yōu)選定向，稱為礦物組構圖。石英是韌性剪切帶中最重要的組成礦物之一，也是人們最早用以研究巖石組構的礦物之一，剪切帶內(nèi)巖石中石英C軸組構的特征可以給剪切帶的變形機制和變形環(huán)境提供重要信息［17－18］。

石英的滑移系很多，大致可分為底面滑移、菱面滑移和柱面滑移。不同的滑移系在不同溫度下起主導作用，而不同的滑移系在剪切作用下產(chǎn)生不同的石英晶格優(yōu)選方位，導致不同的石英光軸排列。通過測量剪切帶中石英C軸分布的極圖，可推測剪切帶的剪切溫度和剪切指向。研究表明，石英的滑移系在400℃以下以底面滑移為主，400℃以上開始出現(xiàn)菱面滑移，且兼有底面滑移和柱面滑移，650℃以上表現(xiàn)為柱面滑移為主。石英滑移系在極圖上的表現(xiàn)為點極密從邊緣至中心的不同分布，從極圖邊緣至中心依次為底面滑移、菱面滑移和柱面滑移［19－21］。

利用EBSD技術可快速精準地獲取礦物的晶格取向信息，其效率和精確度大大優(yōu)于傳統(tǒng)的光學方法。

本次實驗于合肥工業(yè)大學分析測試中心完成，采用JSM－6490LV型掃描電鏡和Channel5型EBSD儀，加速電壓15 k V，工作距離12 mm。選取垂直面理、平行于線理的方向進行樣品的切割，經(jīng)過研磨、拋光、噴碳以后進行實驗分析，得到的極圖如圖7所示。

圖7 EBSD分析石英C軸組構極圖

圖7a～圖7c 3個樣品為低角度韌性剪切帶內(nèi)超糜棱巖。圖7d～圖7f 3個樣品為代表郯廬斷裂帶的高角度韌性剪切帶內(nèi)巖石，圖7d樣品為變質(zhì)變形程度最為強烈的超糜棱巖，采樣位置上，圖7e、圖7f樣品依次遠離圖7d樣品，向片麻巖靠近。

圖7a～圖7c 3個樣品的點集密分布在圓周向中心靠近的位置，表明其滑移系表現(xiàn)為菱面滑移為主，指示其變形溫度集中為450～550℃，圖7d～圖7f 3個樣品的點集密分布于圓周和中間位置，表明其滑移系為菱面滑移向底面滑移過渡的狀態(tài)，推斷其變形溫度為400～500℃。因為圖7d～圖7f 3個樣品依次遠離韌性剪切帶的強變形帶，其點集密的變化趨勢依次向圓周位置集中，表明其變形溫度上呈現(xiàn)降低的趨勢。據(jù)極圖點集密的不對稱性判斷，所有樣品在運動學上均具有左旋的運動學特征，這與野外觀測和鏡下觀測的特征相符。

因此，據(jù)EBSD實驗的分析結果，低角度韌性剪切帶和高角度韌性剪切帶在運動學屬性上相同，宏觀上表現(xiàn)為低角度韌性剪切帶由南西向北東逆沖，而郯廬斷裂帶為左旋平移。形成溫度上，低角度韌性剪切帶內(nèi)巖石的形成溫度和高角度韌性剪切帶內(nèi)最強應變的巖石的形成溫度相仿，表明其在形成溫度上的一致性。

5 結 論

（1）野外觀測的超糜棱巖帶為一由南西向北東逆沖的低角度韌性剪切帶，其在剖面上的延伸趨勢和郯廬斷裂帶內(nèi)超糜棱巖帶相連，統(tǒng)一為同一條韌性剪切帶。

（2）分維分析中，4個標本的分形維數(shù)為1.163～1.227，屬高綠片巖相到低角閃巖相；應變速率為（7.96～23.18）×10－11s－1，屬中應變速率。低角度韌性剪切帶內(nèi)靠近剪切帶中央位置的巖石變質(zhì)變形程度較深，石英顆粒的分形維數(shù)逐漸升高，應變速率逐漸減小，韌性剪切帶中央形成溫度等變形條件和變質(zhì)強度均高于兩側巖石并向外表現(xiàn)出減小的趨勢。

（3）剪切帶內(nèi)巖石的石英C軸組構具有相似性和漸變性，從點集密的分布狀態(tài)看，其形成溫度為400～550℃，均具有左旋的運動學屬性。

（4）肥東低角度韌性剪切帶與相鄰的郯廬斷裂帶的幾何形態(tài)表現(xiàn)為低角度逆沖和高角度直立剪切，并且呈相互過渡的弧形相連。這種相連在室內(nèi)分析中同樣可以得到支持，兩剪切帶內(nèi)變形強烈的巖石在實驗分析上也具有相似的顯微構造特征、應變速率、古應力差、分形維數(shù)、石英C軸組構，這表明該剪切帶在形成環(huán)境和運動機制上的統(tǒng)一性。

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Rock deformation characteristic of low－angle ductile shear zone of Feidong

MA Tao， SONG Chuan－zhong， REN Sheng－lian， LI Jia－h(huán)ao， LIU Huan， YOU Xia－bing

（School of Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

The low－angle ductile shear zone of Feidong developed next to the huge suberect sinistral ductile shear zone of the Tan－Lu fault zone，its rock metamorphism and deformation characteristics corresponded with the general characteristics of the ductile shear zone，i.e.the closer it was to the shear zone inside，the stronger the rock metamorphism and deformation were，and the farther it was away from the ductile shear zone，the weaker the metamorphism and deformation strength were.Ultramylonite deformed greatly in low－angle ductile shear zone，the metamorphic facies reached to lower amphibolite facies，and the deformation and metamorphism degree were similar to those of ultramylonite in the erect Tan－Lu fault zone.Both were unified in the forming environment and genetic types，and the forming mechanism was that continental lithosphere was cut by high－angle ductile shear belt and thrust nappe formed along low－angle ductile shear zone.

low－angle ductile shear zone；Tan－Lu fault zone；paleo－stress difference；strain rate；quartz C axis fabric

P542.2

A

1003－5060（2015）03－0239－07

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.021

2014－02－20；

2014－04－18

國家自然科學基金資助項目（41072161；41272222）；中國地質(zhì)調(diào)查局科研資助項目（1212011121114；201201044002）

馬 濤（1988－），男，安徽臨泉人，合肥工業(yè)大學碩士生；

宋傳中（1955－），男，安徽阜陽人，博士，合肥工業(yè)大學教授，博士生導師.

（責任編輯 張淑艷）