涂文傳， 宋傳中， 任升蓮， 李加好， 張 歡， 張 妍， 王 中

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

秦嶺造山帶內(nèi)的商南－丹鳳（簡(jiǎn)稱商丹）斷裂帶是華北板塊與揚(yáng)子板塊的構(gòu)造縫合帶，具有復(fù)雜的構(gòu)造組合和多期的演化過(guò)程，具有構(gòu)造劃分性質(zhì)的斷裂邊界地質(zhì)體組合帶［1－10］，如圖1所示。本文從野外觀察測(cè)量入手，結(jié)合室內(nèi)顯微構(gòu)造分析和溫壓條件判定，對(duì)商丹斷裂帶的變質(zhì)、變形特征進(jìn)行了分析和研究，通過(guò)構(gòu)造解析的方法深入認(rèn)識(shí)該斷裂帶變質(zhì)、變形特征和形成環(huán)境。

圖1 秦嶺商南－丹鳳斷裂帶構(gòu)造略圖

1 商丹斷裂帶的地質(zhì)構(gòu)造特征

商丹斷裂帶主體位于東秦嶺，研究區(qū)內(nèi)沿丹鳳、商南和西峽一線總體呈北西西向展布，向西繼續(xù)延綿近千公里，寬幾公里至數(shù)十公里。斷裂帶為一構(gòu)造特征復(fù)雜，巖石組合多樣的混雜帶，斷裂帶北盤(pán)主要為古老的元古宇秦嶺群巖片，夾有基性火山巖巖塊，中深變質(zhì)、強(qiáng)變形、巖漿活動(dòng)劇烈的結(jié)晶雜巖系；斷裂帶南盤(pán)以泥盆系劉嶺群變質(zhì)砂巖為主。它們分別記錄了揚(yáng)子板塊相對(duì)于華北板塊俯沖、碰撞的各個(gè)階段以及秦嶺造山帶演化的全過(guò)程。

1.1 商丹斷裂帶的宏觀構(gòu)造特征

商丹斷裂帶內(nèi)主要由長(zhǎng)英質(zhì)糜棱巖、片巖、片麻巖及不同程度變質(zhì)的砂巖組成，且多呈帶狀相間分布。雖然多期變形明顯，但不同期次的構(gòu)造特征仍可清晰區(qū)分。商丹斷裂帶兩側(cè)發(fā)育大量的緊閉褶皺、無(wú)根褶皺和逆沖斷層，褶皺樞紐延伸方向和斷層走向大體一致，均為北西西向，以280°為多。商丹斷裂帶面理線理分布赤平投影如圖2所示。圖2中a、c分別為斷裂帶北盤(pán)面理線理赤平投影；b、d分別為斷裂帶南盤(pán)面理線理赤平投影；其中弧線表示面理投影，黑點(diǎn)表示線理投影。寺坪－涌峪構(gòu)造剖面圖（AB）如圖3所示。下?tīng)I(yíng)－寨根構(gòu)造剖面圖（CD）如圖4所示。商丹斷裂帶野外照片如圖5所示。圖5a所示為商丹斷裂帶北盤(pán)糜棱巖中發(fā)育的片內(nèi)無(wú)根褶皺，由圖5b可見(jiàn)斷裂帶北盤(pán)的片巖中夾的石英透鏡體呈S形，由圖5c可見(jiàn)斷裂帶南盤(pán)糜棱巖中的S－C組構(gòu)，由圖5d可見(jiàn)斷裂帶南盤(pán)糜棱巖中的片內(nèi)緊閉褶皺，由圖5e可見(jiàn)斷裂帶南盤(pán)糜棱巖中發(fā)育的S－C組構(gòu)，由圖5f可見(jiàn)斷裂帶北盤(pán)云母片巖中發(fā)育的傾向線理和水平皺紋線理。

圖2 商丹斷裂帶面理線理分布赤平投影圖

斷裂帶南北兩側(cè)的構(gòu)造變形有所差異。斷裂帶的南側(cè)面理傾向北居多，多集中在345°～20°；傾角在41°～79°范圍內(nèi)，變化較小，多集中在50°左右，以緊閉的等斜褶皺為主，多為不對(duì)稱褶皺或不對(duì)稱的無(wú)根褶皺，表現(xiàn)出南盤(pán)向北下降，北盤(pán)向南逆沖的運(yùn)動(dòng)學(xué)方向（圖5）。而在商丹斷裂帶以北，面理傾向以南西為主，在207°～270°之間變化，多集中在220°，傾角變化幅度較大，變化范圍是18°～74°，局部地區(qū)略有反常。而北盤(pán)大量的片內(nèi)緊閉褶皺和片內(nèi)鉤狀無(wú)根褶皺則反映了由南向北逆沖的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，且南北兩側(cè)都能見(jiàn)到指示左旋剪切的運(yùn)動(dòng)學(xué)組構(gòu)，反映了華北和揚(yáng)子兩大板塊的碰撞具有斜向匯聚的特征［11－13］。北盤(pán)鞘褶皺較發(fā)育，褶皺鞘尖端與水平a線理方向一致，兩者為同期構(gòu)造，指示碰撞期深層巖石具有強(qiáng)烈塑性水平流動(dòng)的特征（圖5b，圖5e）。

圖3 寺坪－涌峪構(gòu)造剖面圖（AB）

圖4 下?tīng)I(yíng)－寨根構(gòu)造剖面圖（CD）

圖5 商丹斷裂帶野外照片

商丹斷裂帶在其走向上，不同部位的變形也有明顯區(qū)別。商丹斷裂帶西段面理比東段復(fù)雜多變，線理在南盤(pán)較少見(jiàn)，而北盤(pán)則偶爾見(jiàn)水平線理；東段斷裂帶兩側(cè)線理常見(jiàn)，帶南以斜向－傾向線理居多，較好地保留了板塊由南向北俯沖的構(gòu)造；而北盤(pán)的傾向線理少見(jiàn)，水平線理較發(fā)育?？梢?jiàn)，商丹帶南盤(pán)保留了部分俯沖期的線理構(gòu)造，北盤(pán)由于造山期的擠壓作用使得巖層發(fā)生水平塑性流動(dòng)，改造破壞了俯沖期的傾向線理，保留了造山期的水平線理（圖5f）。

1.2 商丹斷裂帶變形巖石的顯微構(gòu)造特征

研究區(qū)內(nèi)，商丹斷裂帶兩盤(pán)的巖石發(fā)育多期韌性－脆性變形，及其過(guò)渡類型——脆韌性變形作用，相應(yīng)地產(chǎn)生一系列構(gòu)造巖，以糜棱巖為主，含構(gòu)造片巖。顯微構(gòu)造研究發(fā)現(xiàn)，糜棱巖殘斑較發(fā)育，主要由斜長(zhǎng)石、石英、黑云母和角閃石組成。長(zhǎng)石碎斑主要表現(xiàn)為碎裂及碎裂流動(dòng)，見(jiàn)機(jī)械雙晶、波狀消光、變形紋、核幔構(gòu)造。石英多波狀消光、亞晶發(fā)育，同時(shí)也見(jiàn)核幔構(gòu)造及被拉長(zhǎng)的石英單晶條帶和重結(jié)晶作用形成的多晶石英條帶構(gòu)造。角閃石殘斑變形以脆性為主，殘斑多發(fā)生旋轉(zhuǎn)，部分殘斑出現(xiàn)塑性變形，表明巖石變形溫度已超過(guò)450℃［14］。黑云母則以破裂和扭折為主?；|(zhì)部分主要有石英、斜長(zhǎng)石、黑云母、白云母及角閃石，其中石英的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶較發(fā)育且具有定向性；長(zhǎng)石多為亞晶粒；黑云母和白云母顆粒細(xì)小呈微晶，弱變形定向排列；角閃石細(xì)針狀的新晶定向排列。殘斑系中的雪球構(gòu)造、S－C面理等顯微組構(gòu)均指示了左旋剪切的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征［15－16］，如圖6所示。

圖6 商丹斷裂帶巖石顯微構(gòu)造照片

由圖6a可見(jiàn)長(zhǎng)石變形紋及核幔構(gòu)造，由圖6b可見(jiàn)石英的核幔構(gòu)造和SR重結(jié)晶，由圖6c可見(jiàn)角閃石呈S面理指示左旋剪切，由圖6d可見(jiàn)“σ”型殘斑指示左旋剪切。總之，鏡下觀察表明，商丹帶巖石經(jīng)歷了高綠片巖相－低角閃巖相的變質(zhì)作用。

2 商丹斷裂帶變形巖石的有限應(yīng)變特征

巖石有限應(yīng)變測(cè)量是應(yīng)變分析的基礎(chǔ)，可用來(lái)量化某一點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)，求出3個(gè)主應(yīng)變軸的相對(duì)比值，從而可以確定該點(diǎn)的應(yīng)變橢球體形態(tài)，進(jìn)一步得出應(yīng)變強(qiáng)度［17－19］。通過(guò)了解斷裂帶應(yīng)變特征而分析區(qū)域構(gòu)造特征，進(jìn)而推斷其形成機(jī)制和發(fā)展歷史，具有極其重要的意義。

本文運(yùn)用長(zhǎng)短軸法對(duì)商丹斷裂帶的變形巖石進(jìn)行有限應(yīng)變測(cè)量。從AB和CD剖面各選取4塊標(biāo)本，磨制XZ面和YZ面薄片，鏡下拍照并在Photoshop軟件中量取變形長(zhǎng)石及少量石英顆粒的X∶Z和Y∶Z的比值，綜合計(jì)算得出最終三軸比率，見(jiàn)表1所列。表1中a＝（1＋e1）／（1＋e2），b＝（1＋e2）／（1＋e3）。

結(jié)果顯示西段有限應(yīng)變橢球體三軸比為X∶Y∶Z＝3.7∶2.4∶1，東段則為X∶Y∶Z＝4.1∶3.6∶1。

表1 商丹斷裂帶巖石有限應(yīng)變測(cè)量分析數(shù)據(jù)

根據(jù)Watterson的研究方法，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可進(jìn)一步得出應(yīng)變強(qiáng)度等值線，如圖7所示，結(jié)果表明西段和東段的巖石應(yīng)變橢球體都為扁形橢球體，但東西差異明顯。

（1）西段巖石變形付林指數(shù)約0.49，對(duì)應(yīng)的有限應(yīng)變橢球體為扁形橢球體。東段巖石變形付林指數(shù)約0.06，有限應(yīng)變橢球體接近于單軸旋轉(zhuǎn)扁球體，即鐵餅狀。這表明東段巖石壓扁程度比西段更強(qiáng)。

（2）西段應(yīng)變強(qiáng)度大致為2.92，與東段的3.73相比相對(duì)較弱，也表明東段巖石變形程度比西段強(qiáng)。

圖7 商丹斷裂帶變形巖石有限應(yīng)變付林參數(shù)圖解

3 商丹斷裂帶巖石變質(zhì)變形溫度的確定

糜棱巖化過(guò)程中，溫度對(duì)礦物的變形起著重要的作用。溫度升高可以大大加速變質(zhì)反應(yīng)速率和晶體生長(zhǎng)，是礦物重結(jié)晶的重要因素。溫度升高還可以改變巖石的變形行為，導(dǎo)致脆性變形向塑性變形轉(zhuǎn)化。

同時(shí)影響礦物變形的因素還有流體活動(dòng)、變形時(shí)間、應(yīng)變速率等，但在自然條件下，應(yīng)變速率、變形時(shí)間及流體活動(dòng)等［20］對(duì)糜棱巖化的影響遠(yuǎn)不如溫度的影響大［21］。

本文主要根據(jù)前人研究成果［21－28］，依據(jù)區(qū)內(nèi)巖石中特征礦物（石英和長(zhǎng)石）的重結(jié)晶類型來(lái)估計(jì)溫度，此方法誤差一般為±50℃。

商丹斷裂帶巖石中石英重結(jié)晶類型從鼓脹式（BLG）—亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶（SR）—顆粒邊界遷移重結(jié)晶（GBM）都有發(fā)生，長(zhǎng)石以脆性破裂為主，也多見(jiàn)塑性變形，偶爾見(jiàn)BLG重結(jié)晶，見(jiàn)表2所列。

結(jié)果表明商丹斷裂帶巖石變質(zhì)變形溫度為380～650℃，集中于（500±30）℃，屬高綠片巖到低角閃巖相。其中東段以SR重結(jié)晶為主，巖石變質(zhì)變形的溫度范圍為400～650℃。斷裂帶南盤(pán)溫度相對(duì)于北盤(pán)較低，而且從斷裂帶中心往兩側(cè)溫度都呈降低的趨勢(shì)。西段的石英重結(jié)晶類型則少見(jiàn)GBM，以BLG重結(jié)晶和SR重結(jié)晶為主，溫度相對(duì)于東段較低，溫度范圍為300～530℃（表2）。

表2 商丹斷裂帶變形巖石變形溫度估算表

商丹斷裂帶東、西段的溫度變化顯示北盤(pán)相對(duì)于南盤(pán)略高的特征，且斷裂帶中部溫度較高，遠(yuǎn)離斷裂帶溫度均有下降的趨勢(shì)。在西段的丹鳳地區(qū)北盤(pán)溫度遠(yuǎn)離斷裂帶中心先有所上升，而后才趨于下降，如圖8所示，圖8中粗黑線的長(zhǎng)度表示溫度的估測(cè)范圍。

圖8 商丹斷裂帶橫剖面溫度變化圖

4 變形巖石石英優(yōu)選組構(gòu)分析

電子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction，簡(jiǎn)稱EBSD）組構(gòu)分析技術(shù)是通過(guò)晶體背散射衍射圖像來(lái)確定晶軸方向，進(jìn)而確定晶體顆粒排列的取向性，近年來(lái)在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展迅速。文獻(xiàn)［29］總結(jié)了石英組構(gòu)與滑移系及變形溫度之間的關(guān)系：① 低溫底面組構(gòu)，形成溫度小于350℃，滑移系是｛0001｝〈a〉；②中低溫菱面組構(gòu)的形成溫度是350～450℃，滑移系為｛1011｝〈a〉；③中溫柱面組構(gòu)形成溫度為450～550℃，滑移系為｛1010｝〈a〉；④高溫柱面組構(gòu)的形成溫度大于650℃，滑移系為｛1010｝〈c〉。本文基于此認(rèn)識(shí)，利用EBSD技術(shù)，對(duì)商丹斷裂帶西坪地區(qū)變形巖石中石英優(yōu)選組構(gòu)進(jìn)行測(cè)試與分析。

所選6個(gè)樣品分別為長(zhǎng)石石英片巖（XN1）、二云石英片巖（XN5）、長(zhǎng)英質(zhì)糜棱巖（XN11、XN15）、長(zhǎng)英質(zhì)初糜棱巖（XN16）及云英質(zhì)片麻巖（XN20）（位置見(jiàn)圖1）。測(cè)試工作在合肥工業(yè)大學(xué)分析測(cè)試中心掃描電子顯微鏡JSM－6490LV（日本）上完成。測(cè)試結(jié)果表明，商丹斷裂帶西坪地區(qū)變形巖石石英組構(gòu)類型主要為中低溫（350～450℃）菱面〈a〉滑移，也見(jiàn)低溫（＜350℃）底面〈a〉滑移（XN1，XN5，XN11、XN16），如圖9所示。

對(duì)比分析可見(jiàn)，越靠近斷裂帶中心，石英組構(gòu)表現(xiàn)出由菱面〈a〉滑移系向柱面〈a〉滑移系漸變的趨勢(shì)，表明了越靠近斷裂帶中心，溫度逐漸上升的趨勢(shì)，其中斷裂帶中心位置的XN16出現(xiàn)了近柱面｛1010｝〈a〉滑移的中溫組構(gòu)，同時(shí)也出現(xiàn)了菱面｛1011｝〈a〉滑移和底面｛0001｝〈a〉滑移，表明了商丹斷裂帶經(jīng)歷了低溫—中低溫—中溫遞進(jìn)變形過(guò)程。EBSD測(cè)試結(jié)果與溫度估算結(jié)果一致，同時(shí)測(cè)試結(jié)果還顯示了所測(cè)巖石都以左旋剪切為主的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，與野外觀測(cè)和室內(nèi)研究所得結(jié)果一致。

圖9為下半球投影，其中，X為拉伸線理方向，N為測(cè)點(diǎn)數(shù)，max為最大密度，min為最小密度。

圖9 商丹斷裂帶西坪地區(qū)的石英晶格C軸優(yōu)選方位（EBSD測(cè)量，XZ面切片）

5 結(jié) 論

通過(guò)野外觀察和室內(nèi)綜合研究分析，對(duì)商丹斷裂帶取得如下認(rèn)識(shí)：

（1）商丹斷裂帶南盤(pán)面理基本向北傾，北盤(pán)面理則基本南傾，斷裂帶內(nèi)及兩盤(pán)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征為逆沖兼左旋，其形態(tài)為正花狀構(gòu)造。東段西坪地區(qū)斷裂帶南盤(pán)劉嶺群中保留了較好的俯沖線理，西段由于后期脆性變形的破壞，俯沖期的線理被改造或破壞。斷裂帶南北盤(pán)線理差異明顯，北盤(pán)則以水平流變a線理和皺紋b線理為主，南北線理差異可能是由南北兩側(cè)地塊的相對(duì)抬升引起的。

（2）商丹斷裂帶的巖石變形機(jī)制以動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用、位錯(cuò)滑移和溶解蠕變等為主，反映了變形作用是在較高溫度條件和較強(qiáng)應(yīng)力作用下發(fā)生的，表明了商丹斷裂帶發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈的擠壓碰撞作用。

（3）商丹斷裂帶巖石主要受壓扁作用影響，東段巖石有限應(yīng)變橢球體呈餅狀，付林指數(shù)較小為0.06，而西段巖石有限應(yīng)變橢球體為扁形橢球體，付林指數(shù)約0.49，顯示東段巖石應(yīng)變強(qiáng)度明顯比西段要大，近于10倍。

（4）溫度估算表明，商丹斷裂帶的變質(zhì)作用主要集中在高綠片巖相到低角閃巖相范圍。巖石變質(zhì)溫度范圍在380～650℃，集中溫度為（500±30）℃，屬中高溫條件。整個(gè)斷裂帶的變形溫度呈現(xiàn)東高西低，北高南低的狀態(tài)，并且遠(yuǎn)離斷裂帶溫度有降低的趨勢(shì)，表明了商丹斷裂帶北盤(pán)秦嶺群抬升相對(duì)于南盤(pán)較高，東段折返抬升相對(duì)于西段較高。

（5）EBSD石英優(yōu)選組構(gòu)測(cè)試分析結(jié)果表明，斷裂帶西坪地區(qū)巖石石英C軸組構(gòu)以中低溫菱面〈a〉組構(gòu)及低溫底面〈a〉組構(gòu)為主，部分見(jiàn)中溫柱面〈a〉組構(gòu)。

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