李　婧, 劉永江*, 李偉民, 金　巍,梁琛岳,, 溫泉波, 張媛媛(1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 吉林 長春 10061; .東北亞礦產(chǎn)資源評價國土資源部重點實驗室, 吉林 長春10061; .薩爾茨堡大學(xué) 地質(zhì)與地理系, 薩爾茨堡 A-500 奧地利)

華北克拉通基底花崗質(zhì)片麻巖變形和流變學(xué)研究——以遼西寺兒堡地區(qū)為例

李婧1,2, 劉永江1,2*, 李偉民1,2, 金巍1,2,梁琛岳1,2,3, 溫泉波1,2, 張媛媛1,2
(1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 吉林 長春 130061; 2.東北亞礦產(chǎn)資源評價國土資源部重點實驗室, 吉林 長春130061; 3.薩爾茨堡大學(xué) 地質(zhì)與地理系, 薩爾茨堡 A-5020 奧地利)

遼西寺兒堡鎮(zhèn)新太古代花崗質(zhì)片麻巖內(nèi)發(fā)育的宏觀、微觀構(gòu)造變形特征表明該地區(qū)曾遭受了強烈的韌性變形改造。花崗質(zhì)巖石變形程度在初糜棱巖–糜棱巖之間, 巖石經(jīng)歷了SWW 向左行剪切作用改造。巖石中石英有限應(yīng)變測量判別結(jié)果表明, 構(gòu)造巖類型為L-S型, 為平面應(yīng)變。巖石的剪應(yīng)變平均值為1.43, 運動學(xué)渦度值為0.788～0.829, 指示巖石形成于以簡單剪切為主的一般剪切變形中。此外, 石英顆粒以亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶和顆粒邊界遷移重結(jié)晶作用為主, 長石顆粒塑性拉長, 部分發(fā)生膨凸式重結(jié)晶作用; 石英組構(gòu)特征(EBSD)揭示石英以中–高溫柱面滑移為主; 石英顆粒邊界具有明顯的分形特征, 分形維數(shù)值為 1.151～1.201, 指示了中高溫變形條件。綜合石英、長石的變形行為、石英組構(gòu)特征以及分形法Kruhl溫度計的判別結(jié)果, 推斷遼西寺兒堡鎮(zhèn)新太古代花崗質(zhì)片麻巖經(jīng)歷過480～600 ℃ 的中高溫變形, 其同構(gòu)造變質(zhì)相為高綠片巖相-低角閃巖相?；◢徺|(zhì)巖石的古差異應(yīng)力為 10.62～12.21 MPa, 估算的應(yīng)變速率為 10–11.67～10–13.34s–1,即緩慢的變形, 可能記錄早期中高溫、低應(yīng)變速率的韌性變形過程, 反映華北克拉通基底中下部地殼變形特征。

韌性變形; 有限應(yīng)變測量; 運動學(xué)渦度; EBSD; 分形; 古差異應(yīng)力; 應(yīng)變速率

0　引　言

華北克拉通是我國最古老、面積最大的克拉通陸塊, 也是世界上主要的太古宙–古元古代克拉通之一。遼西地區(qū)作為華北克拉通前寒武紀(jì)結(jié)晶基底的主要出露區(qū)域, 大面積分布的太古宙花崗質(zhì)巖石使其成為前寒武紀(jì)研究以及華北克拉通地殼起源與演化研究的理想場所。已有研究表明, 太古宙時期遼西地區(qū)正處于前寒武紀(jì)大陸地殼形成階段, 形成了大規(guī)模的深成花崗質(zhì)片麻巖(遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1989; 董國臣, 1996; 王根厚等, 2001; 馬寅生等, 2002)。該套花崗質(zhì)巖石變質(zhì)程度較高, 經(jīng)歷了多期變質(zhì)變形作用改造(張立東等, 1999), 地質(zhì)演化過程極其復(fù)雜。近年來, 李健(2009)、王慶龍(2012)對遼西興城臺里地區(qū)所出露的花崗質(zhì)巖石進(jìn)行了詳細(xì)的研究工作, 包括花崗質(zhì)巖石的地質(zhì)特征、巖石地球化學(xué)特征、年代學(xué)特征以及巖石成因等, 但對太古宙花崗質(zhì)巖石構(gòu)造變形特征的研究卻相對薄弱。古元古代末(～18.5 Ga)經(jīng)呂梁運動, 華北克拉通形成了統(tǒng)一的基底, 隨后進(jìn)入沉積蓋層發(fā)展階段。古生代是華北克拉通最穩(wěn)定的構(gòu)造發(fā)育階段, 表現(xiàn)出整體升降的特征。中生代陸內(nèi)造山活動強烈, 發(fā)育大量的構(gòu)造巖漿活動, 在變質(zhì)巖系以及太古宙花崗質(zhì)巖石中均有清晰記錄(郭洪中和張招崇, 1992; 張國仁, 2006)。

隨著中國東部由古亞洲洋構(gòu)造域向濱太平洋構(gòu)造域的轉(zhuǎn)換, 晚中生代以來華北克拉通東部發(fā)生大規(guī)模的破壞和巖石圈減薄事件已得到了廣泛的證實(Zhang et al., 2002; Deng et al., 2004; 徐義剛, 2004;林偉等, 2011), 但是對于巖石圈板內(nèi)過程以及減薄機(jī)制的分析仍存在著爭議。目前, 拆沉(吳福元和孫德有, 1999; 鄧晉福等, 2006; Deng et al., 2007)和熱機(jī)械–化學(xué)侵蝕模式(Xu, 2001; Zheng et al., 2007)是對巖石圈減薄事件與過程的兩種主流認(rèn)識。巖石圈減薄的主要構(gòu)造證據(jù)是區(qū)域上晚中生代以來拆離斷層、變質(zhì)核雜巖以及斷陷盆地在內(nèi)的大量伸展構(gòu)造的發(fā)育(劉俊來等, 2008a), 伸展構(gòu)造的運動學(xué)研究能夠有效地反映減薄機(jī)制, 前人研究中也往往將這些伸展構(gòu)造的形成和發(fā)展與華北克拉通破壞聯(lián)系起來。此外, 區(qū)域上大規(guī)模韌性剪切帶以及古老基底的構(gòu)造變形特征、運動學(xué)分析也能夠為巖石圈減薄研究提供新的思路, 從構(gòu)造地質(zhì)學(xué)角度研究華北克拉通減薄機(jī)制的新的突破口。

鑒于此, 筆者選擇臺里鄰區(qū)遼西寺兒堡鎮(zhèn)露頭較好的一套花崗質(zhì)巖石作為研究對象, 對其構(gòu)造變形及流變學(xué)特征進(jìn)行了詳細(xì)的解剖。該區(qū)域花崗質(zhì)巖石構(gòu)造變形特征的研究, 尤其是古應(yīng)變等流變學(xué)參數(shù)信息的獲取, 不僅為揭示華北克拉通中下部地殼的流變學(xué)特征提供了可靠的線索, 同時也為闡明華北克拉通巖石圈減薄機(jī)制提供了一定的約束。

圖1　遼西寺兒堡地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖Fig.1　Regional geological map of the Sierbao area in West Liaoning

1　區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于遼寧省西南部, 葫蘆島市連山區(qū)寺兒堡鎮(zhèn), 東部為連山灣, 其大地構(gòu)造位置處于華北克拉通北緣東部, 隸屬于燕山帶東段(圖1)。全區(qū)出露了大量的花崗質(zhì)巖石, 為太古宙結(jié)晶基底的一部分, 1983年遼寧省地質(zhì)局進(jìn)行地質(zhì)圖修編時曾將遼西地區(qū)廣泛分布的太古宙花崗質(zhì)巖石稱之為綏中混合花崗巖, 其巖石類型豐富, 主要有花崗巖、花崗閃長巖、黑云母二長花崗巖等, 且具有強烈變形特征。該套花崗質(zhì)巖石被中–新元古代、古生代的沉積蓋層所覆蓋, 與中元古界長城系大紅峪組呈角度不整合接觸。其中, 中、新元古界主要為一套地臺型海相碎屑巖、富鎂碳酸鹽巖以及黏土巖建造, 包括了中元古界長城系高于莊組、薊縣系楊莊組、霧迷山組、洪水莊組、鐵嶺組以及新元古界青白口系景兒峪組等; 古生界也很發(fā)育, 包括了下古生界淺海碳酸鹽巖沉積以及上古生界海、陸交互相以及陸相沉積等(遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1989)。區(qū)內(nèi)發(fā)育主體走向為NNE以及NE向的斷裂構(gòu)造, 中、晚侏羅世侵入巖以及晚侏羅世陸相火山–沉積巖系受區(qū)域控制非常明顯, 呈NE-SW向分布(李健, 2009)。

2　宏觀構(gòu)造特征

研究區(qū)出露的花崗質(zhì)巖石, 呈NE向展布, 筆者在寺兒堡鎮(zhèn)公路崖口進(jìn)行了構(gòu)造剖面測量工作, 剖面測量位置如圖1a所示。

2.1韌性變形特征

實測剖面上(圖 2)出露的花崗質(zhì)巖石構(gòu)造變形強烈但不均一, 構(gòu)造應(yīng)力集中部位呈現(xiàn)韌性剪切特征, 剪切帶寬 2～5 m, 從剪切帶向兩側(cè)變形程度逐漸減弱, 整體表現(xiàn)強弱變形帶間隔出現(xiàn)的特征。該區(qū)花崗質(zhì)片麻巖外觀特征極不均勻, 礦物組成、含量、粒度以及變形程度均顯示出一定的差異性, 其中強變形帶中的花崗質(zhì)片麻巖礦物粒度較細(xì), 糜棱組構(gòu)發(fā)育, 石英、長石定向拉長, 暗色礦物含量相對較多, 定向排列明顯(圖 3a); 弱變形帶中的花崗質(zhì)片麻巖具有中粗粒、中細(xì)粒結(jié)構(gòu), 以中細(xì)粒結(jié)構(gòu)為主, 暗色礦物含量相對強變形帶較少, 表現(xiàn)出弱定向的特征(圖3b)。片麻理傾向為NWW向, 產(chǎn)狀集中在 280°～327°∠25°～47°, 礦物拉伸線理產(chǎn)狀集中在246°～268°∠25°～26°, 傾伏向為SWW向, 傾伏角略小(圖 1b), 指示該區(qū)花崗質(zhì)片麻巖可能受到 NEE或SWW方向的低角度剪切作用。

2.2脆性變形特征

研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖遭受了晚期脆性變形作用改造, 斷層、節(jié)理廣泛發(fā)育。野外識別斷層構(gòu)造以張性正斷層為主, 后期巖脈沿斷層面侵入, 還可見與脆性斷層相伴生的碎裂巖等。產(chǎn)狀數(shù)據(jù)統(tǒng)計及投圖結(jié)果表明: 研究區(qū)發(fā)育兩組優(yōu)勢節(jié)理, 第一組節(jié)理產(chǎn)狀為 94°～137°∠50°～70°, 第二組節(jié)理產(chǎn)狀為175°～220°∠72°～86°, 節(jié)理面傾角以高角度為主,兩組節(jié)理產(chǎn)狀近于直交, 約占該區(qū)節(jié)理統(tǒng)計總數(shù)的75%, 二者構(gòu)成一組高角度的 X 型共軛節(jié)理系, NNE-SSW 走向節(jié)理組表現(xiàn)為左旋走滑特征, NWWSEE走向節(jié)理組表現(xiàn)為右旋走滑特征; 研究區(qū)發(fā)育兩組正斷層, 第一組左行正斷層產(chǎn)狀集中在 95°～135°∠61°～82°, 線理產(chǎn)狀為 186°～212°∠8°～ 29°, 第二組右行正斷層產(chǎn)狀集中在 176°～230°∠41°～81°, 線理產(chǎn)狀為102°～119°∠11°～29°, 二者為一組X型共軛正斷層。斷層、節(jié)理產(chǎn)狀統(tǒng)計結(jié)果均表明最大主應(yīng)力方位為325°～330°, 它們應(yīng)形成于同一構(gòu)造應(yīng)力場, 指示 σ1為NNW-SSE方向的擠壓(圖4)。

圖2　構(gòu)造實測剖面圖及采樣位置Fig.2　Measured structural section in the study area showing the sample locations

圖3　寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖野外宏觀特征Fig.3　Macroscopic characteristics of the granitic gneiss from the Sierbao area

圖4　研究區(qū)節(jié)理、正斷層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)等面積下半球赤平投影圖Fig.4　Lower hemisphere stereo-graphic projection of the joints and normal faults in the study area

3　顯微構(gòu)造特征

研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖糜棱組構(gòu)發(fā)育, 主要由殘斑和基質(zhì)兩部分組成, 殘斑成分以斜長石、微斜長石以及少量石英集合體構(gòu)成, 斜長石殘斑絹云母化蝕變嚴(yán)重; 基質(zhì)主要由長英質(zhì)礦物組成, 鱗片狀黑云母定向排列明顯, 含少量綠簾石、榍石、磷灰石、磁鐵礦以及角閃石。其中, 強變形帶花崗質(zhì)片麻巖中殘斑含量約為20%～35%, 粒度為1.5～3.0 mm, 基質(zhì)粒度為 0.05～1.25 mm, 變形程度為糜棱巖范圍;弱變形帶花崗質(zhì)片麻巖粒度相對較粗, 部分巖石樣品殘斑含量高達(dá) 50%, 粒度為 2.0～7.5 mm, 基質(zhì)粒度為 0.05～2.0 mm, 變形程度處于初糜棱巖至糜棱巖之間。

顯微組構(gòu)特征上, 長石殘斑、石英或石英集合體顆粒中均可見顯微破裂。石英主要表現(xiàn)為波狀消光(圖 5a)、變形帶、亞顆粒、塑性拉長、動態(tài)重結(jié)晶(圖5b、c)等韌性變形特征。其中, 動態(tài)重結(jié)晶作用以亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶和顆粒邊界遷移重結(jié)晶為主,亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶中新生顆粒與變形主晶結(jié)晶學(xué)方位明顯不同, 新生重結(jié)晶顆粒為輕微壓扁拉長狀,無波狀消光, 而變形主晶具有顯著的波狀消光特征(圖 5b); 顆粒邊界遷移重結(jié)晶形成的新晶顆粒形態(tài)高度不規(guī)則, 邊界呈樹葉狀、蠕蟲狀, 顆粒內(nèi)部波狀消光不顯著, 粒徑大小不均勻, 部分顆粒邊界平直,發(fā)育三邊平衡結(jié)構(gòu), 為動態(tài)重結(jié)晶向靜態(tài)重結(jié)晶過渡的體現(xiàn)(圖5c)。長石主要表現(xiàn)為雙晶彎曲(圖5d)、扭折帶、顆粒塑性拉長以及旋轉(zhuǎn)殘斑系等, 部分長石殘斑邊部強烈膨凸式重結(jié)晶, 呈現(xiàn)不規(guī)則孤島狀,顯示核幔結(jié)構(gòu)(圖 5e)特征, 微斜長石斑晶邊部蠕英結(jié)構(gòu)發(fā)育(圖5f)。黑云母強烈變形, 可見扭折帶。S-C組構(gòu)(圖5g、h)、云母魚等不對稱顯微構(gòu)造均指示巖石經(jīng)歷了左行剪切運動。綜合以上顯微構(gòu)造特征,筆者推測研究區(qū)花崗質(zhì)巖石糜棱巖化作用應(yīng)發(fā)生于高綠片巖相–低角閃巖相變質(zhì)條件下, 變形溫度約為 480～600 ℃(Stipp et al., 2002; 向必偉等, 2007;胡玲等, 2009)。

圖5　寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖顯微組構(gòu)特征Fig.5　Microphotographs of the granitic gneiss from the Sierbao area

4　應(yīng)變分析及主要流變參數(shù)估算

4.1應(yīng)變分析

4.1.1有限應(yīng)變測量

巖石有限應(yīng)變測量分析是現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)研究中不可或缺的組成部分, 主要是通過對變形巖石中應(yīng)變標(biāo)志體的測量來確定巖石有限應(yīng)變的大小和方向,有助于進(jìn)一步確立巖石的應(yīng)變狀態(tài), 查明巖石的變形機(jī)制(鄭亞東和常志忠, 1985; Bailey and Eyster, 2003; Liang et al., 2015a, 2015b; 梁琛岳等, 2015)。有限應(yīng)變測量規(guī)定: 最大拉伸方向為 X軸, 最大壓縮方向為Z軸, Y軸指示XZ平面的法線方向。根據(jù)巖石樣品拉伸線理和糜棱面理方位切制定向薄片,平行拉伸線理且垂直糜棱面理為XZ面, 垂直糜棱面理以及拉伸線理為YZ面, 在兩個定向薄片上進(jìn)行有限應(yīng)變測量。通常, 變形的長石和石英均可以作為應(yīng)變標(biāo)志體, 但由于研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖中長石殘斑粒徑普遍較大不利于鏡下測量統(tǒng)計, 而石英含量高, 粒徑分布較均勻, 故選擇糜棱巖樣品中普遍塑性拉長的石英或者石英集合體作為應(yīng)變標(biāo)志體。選擇強、弱變形帶4件花崗質(zhì)片麻巖樣品進(jìn)行統(tǒng)計分析, 測試樣品均具有一定的代表性, 變形程度在糜棱巖范圍內(nèi), 詳細(xì)的巖相學(xué)特征見表1。主要采用長短軸法和 Fry法, 具體原理參考鄭亞東和常志忠(1985)。顯微鏡下, 選擇合適的區(qū)域采集顯微照片(圖 5i), 之后在Coreldraw X4軟件中對整個視域中的石英標(biāo)志體進(jìn)行統(tǒng)計, 每個定向薄片測量的數(shù)目為 40～50, 經(jīng)計算得出以下測量數(shù)據(jù)(表 2)。利用Flinn判別圖解對研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖進(jìn)行有限應(yīng)變類型判別(圖6), Flinn參數(shù)K值在0.86～1.28之間,應(yīng)變類型為平面應(yīng)變, 巖石類型為L-S構(gòu)造巖。

表1　寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖分析樣品巖相學(xué)特征Table 1　Petrographic features of the granitic gneiss from the Sierbao area

表2　寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖有限應(yīng)變測量數(shù)據(jù)Table 2　Finite-strain measurement data of the granitic gneiss from the Sierbao area

4.1.2剪應(yīng)變測量

用于測算剪應(yīng)變量大小的方法有很多, 常用方法之一是利用剪切帶內(nèi)糜棱葉理(Sm)與剪切葉理(Sc)或剪切帶邊界之間的銳角(θ)關(guān)系來估算剪應(yīng)變(Ramsay, 1980; 鄭亞東和常志忠, 1985)。研究區(qū)糜棱巖樣品中發(fā)育大量的S-C組構(gòu), 其中S面理為糜棱面理(應(yīng)變橢球體的XY面), C面為剪切面, 兩者的夾角即剪切角θ, 在遞進(jìn)變形過程中, 剪切角隨應(yīng)變的增大而減小。剪應(yīng)變 γ與剪切角 θ滿足關(guān)系式γ=2/tg2θ。因此, 顯微鏡下在已選取樣品的 XZ切面上量取剪切角 θ, 分別對每個樣品所量取的剪切角取平均值, 代入上述公式即可計算出剪應(yīng)變γ。經(jīng)計算, 研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖的剪應(yīng)變較小, 在 1.35～ 1.56之間, 平均值為1.43(表3)。

表3　寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖的剪應(yīng)變及運動學(xué)渦度Table 3　Shear strain and kinematic vorticity of the granitic gneiss from the Sierbao area

4.2應(yīng)變方式分析及運動學(xué)渦度

變形帶剪切作用具有純剪切和簡單剪切兩個端元組分, 自然界剪切帶的變形較為復(fù)雜, 通常為兩個端元組分復(fù)合作用的結(jié)果, 即純剪切和簡單剪切各占一定的比例, 稱為一般剪切。純剪切作用為共軸變形, 簡單剪切作用為非共軸變形, 一般剪切作用亦屬于非共軸變形范疇。運動學(xué)渦度是從理論力學(xué)中有關(guān)渦度的理論中發(fā)展起來的, 可以有效地確定純剪切和簡單剪切在遞進(jìn)變形過程中的相對大小,即非共軸性的程度(Means et al., 1980), 有助于更加清晰地認(rèn)識變形剪切帶的應(yīng)變方式。運動學(xué)渦度(Wk)是一個無量綱的純數(shù)值, 且為非線性比率, 其中純剪切作用的Wk為0, 簡單剪切作用的Wk為1, 一般剪切作用的Wk介于0～1之間, 純剪切和簡單剪切組分各占一半時, Wk為0.71～0.75 (Simpson and De Paor, 1993; 鄭亞東等, 2008; Zhang et al., 2009)。

圖6　Flinn有限應(yīng)變判別圖Fig.6　Flinn finite strain discrimination diagram

運動學(xué)渦度測量方法以及相應(yīng)的計算公式有很多, 本次主要運用公式Wk=sin2θ來計算研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖樣品的運動學(xué)渦度, 其中 θ為剪切帶瞬時拉伸方向(ISA)與特征向量的夾角, 例如顯微鏡下所測量的旋轉(zhuǎn)殘斑長軸或者石英重結(jié)晶顆粒長軸(S面理)與剪切方向(C面理)之間的夾角。經(jīng)計算, 研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖樣品的運動學(xué)渦度值為 0.788～0.829,平均值為 0.814(表 3), 表明該區(qū)花崗質(zhì)糜棱巖帶形成于以簡單剪切作用為主的一般剪切變形中。

4.3石英C軸組構(gòu)分析

巖石組構(gòu)(晶格優(yōu)選)分析是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究的重要方法之一, 其主要任務(wù)是通過統(tǒng)計、研究構(gòu)造巖中巖石組構(gòu)要素的微觀定向分布規(guī)律, 來揭示宏觀構(gòu)造的應(yīng)變規(guī)律、應(yīng)力狀態(tài)以及運動學(xué)分析等構(gòu)造信息(吳香堯, 1986; 鄭伯讓和金淑燕, 1989)。石英作為自然界最主要的造巖礦物, 廣泛存在于中、上地殼巖石中, 其組構(gòu)的研究對于揭示陸殼巖石的物理性質(zhì)以及流變規(guī)律具有重要的意義(Price, 1985)。

目前, 對于石英優(yōu)選組構(gòu)的解釋主要包括兩個方面: 首先是對巖石變形條件的推導(dǎo)。巖石變形過程中, 會形成礦物晶體的結(jié)晶學(xué)優(yōu)選。結(jié)晶學(xué)優(yōu)選的產(chǎn)生與不同變形條件下不同類型滑移系的啟動有關(guān), 變形條件中溫度是決定滑移系啟動類型最重要的影響因素之一(Kruhl, 1996; Stipp et al., 2002; Passchier and Trouw, 2005; 許志琴等, 2009; 夏浩然和劉俊來, 2011), 因此可以通過石英晶體結(jié)晶學(xué)優(yōu)選分析來實現(xiàn)對巖石變形溫度的估計。石英的滑移系有很多, 溫度由低到高, 占主導(dǎo)地位的滑移系依次為{0001}<110>、{101}<110>、{100}<110>和{100} <0001>, 分別簡稱為底面、菱面、柱面和柱面滑移系(Bouchez, 1977; Lister and Dornsiepen, 1982; Mainprice et al., 1986; Kruhl, 1996; Passchier and Trouw, 2005; 許志琴等, 2009; 夏浩然和劉俊來, 2011); 其次是對巖石運動學(xué)性質(zhì)的推斷。組構(gòu)的對稱可反映應(yīng)變幾何以及運動的對稱, 所以根據(jù)石英組構(gòu)的對稱性可判斷巖石的應(yīng)變型式, 即共軸變形或者非共軸變形。根據(jù)組構(gòu)的不對稱性,例如單環(huán)帶極點的傾斜方向及交叉環(huán)帶主環(huán)帶與次環(huán)帶之間的關(guān)系可判斷巖石的剪切方向(吳香堯, 1986; 鄭伯讓和金淑燕, 1989; Passchier and Trouw, 2005)。

EBSD技術(shù)是通過背散射衍射圖像來確定微米級礦物晶體的晶軸方向, 進(jìn)而確定巖石中所有晶體顆粒排列的取向性, 該方法具有空間分辨率高、統(tǒng)計數(shù)量大以及測試速率快等優(yōu)點。本次在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室,利用EBSD技術(shù)對研究區(qū)變形的花崗質(zhì)巖石進(jìn)行了石英組構(gòu)優(yōu)選分析。

測試樣品為研究區(qū) 4件典型的花崗質(zhì)糜棱巖,根據(jù)手標(biāo)本的礦物拉伸線理、糜棱面理, 選取XZ面切制定向光學(xué)薄片。實驗過程中采用人機(jī)交互的模式手動選擇測試的顆粒、控制分析的精度以及測試顆粒數(shù)目, 具體實驗原理及流程參見文獻(xiàn)(徐海軍等, 2007; 劉俊來等, 2008b)。

實驗結(jié)果如圖7所示, 組構(gòu)圖解中X軸代表礦物拉伸線理方向, XY面代表糜棱面理, Z軸代表垂直面理方向。研究區(qū)花崗質(zhì)糜棱巖石英C軸組構(gòu)圖解中多出現(xiàn)環(huán)帶和點極密, 樣品SEB-4的石英C軸組構(gòu)圖在 Y軸處具有最大極密值點, 在第一象限靠近Z軸處以及第三、四象限X軸上有弱的點極密, 各個點極密相互連接, 形成以 Y軸為中心的交叉環(huán)帶,顯示石英主要發(fā)生柱面滑移, 還有少量的菱面滑移、柱面滑移組分; 樣品SEB-5 的石英C軸組構(gòu)圖在Y軸以及靠近X軸邊緣發(fā)育非常好的點極密, 顯示石英主要發(fā)生柱面滑移、柱面滑移, 在第一象限與 Z軸約 40°方向上有弱的點極密,可能是變形時石英局部出現(xiàn)菱面滑移; 樣品SEB-7的石英C軸組構(gòu)圖在Y軸附近見點極密, 點極密由兩個次級極密組成, 代表石英具有柱面滑移和少量菱面滑移的特點; 樣品 SEB-12的石英C軸組構(gòu)圖為近于平行XY面的的環(huán)帶, 在X軸邊緣有點極密, 代表柱面滑移, 是高溫變形的產(chǎn)物。EBSD組構(gòu)分析揭示研究區(qū)花崗質(zhì)巖石石英以發(fā)育中溫-高溫柱面組構(gòu)為主, 還有少量中低溫菱面組構(gòu), 變形溫度為500～600 ℃ 甚至更高(Passcheier and Trouw, 2005), 與顯微礦物變形溫度估計一致,部分組構(gòu)圖中點極密表現(xiàn)為底面滑移, 可能代表變形晚期低溫組構(gòu)的疊加或改造。石英C軸組構(gòu)圖特征顯示礦物以非共軸變形為主, 從組構(gòu)圖反應(yīng)的剪切方向來看, 巖石以左行剪切作用為主, 與顯微構(gòu)造分析結(jié)果一致。

圖7　寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖石英C軸組構(gòu)圖Fig.7　C-axis fabric stereograms of quartz from the granitic gneiss in the Sierbao area

4.4動態(tài)重結(jié)晶石英顆粒分維幾何分析與變形溫度估計

分形維數(shù)是量化表示自相似性隨機(jī)形態(tài)和現(xiàn)象的最基本的量, Kruhl et al. (1995)、Kurhl and Nega (1996)和Takahashi et al. (1998)研究發(fā)現(xiàn): 石英動態(tài)重結(jié)晶新生顆粒在幾何形態(tài)上具有明顯的分形特征,在統(tǒng)計學(xué)意義上, 符合分形的自相似性和標(biāo)度不變性。光學(xué)顯微尺度上, 變形帶內(nèi)石英動態(tài)重結(jié)晶顆粒邊界統(tǒng)計具有 1～2個數(shù)量級以上的自相似性(Kruhl et al., 1995; Kurhl and Nega, 1996)。在二維空間內(nèi), 石英顆粒邊界的分形維數(shù) D滿足: 1≤D≤2,且分形維數(shù)隨變形溫度的升高而減小, 隨應(yīng)變速率的增大而增大, 從而形成了變形溫度、應(yīng)變速率與石英變形顯微構(gòu)造的關(guān)系, 因此可以作為韌性變形地質(zhì)溫度計與應(yīng)變速率計。

選取研究區(qū) 4件花崗質(zhì)片麻巖進(jìn)行分維幾何分析, 薄片中石英普遍發(fā)育亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶和顆粒邊界遷移重結(jié)晶, 石英顆粒多呈不規(guī)則拉長狀, 邊界呈現(xiàn)縫合線結(jié)構(gòu), 有利于統(tǒng)計分析邊界形態(tài)的分形特征。本文采用面積–周長法進(jìn)行分析, 首先在樣品薄片中選擇石英動態(tài)重結(jié)晶顆粒密集區(qū)域采集顯微照片, 在Coreldraw X4軟件中對石英動態(tài)重結(jié)晶新顆粒邊界逐個矢量化, 借助面積–周長插件統(tǒng)計每個顆粒的實際周長(P)和面積(A), 再計算具有相同面積圓的直徑, 作為石英動態(tài)重結(jié)晶新顆粒的粒徑d, 以實際周長的lg(P)為Y軸, 粒徑lg(d)為X軸進(jìn)行投圖, 在雙對數(shù)圖解上, 其最小二乘法擬合線的斜率即為分形維數(shù)D。統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表4, 投圖結(jié)果如圖 8所示, 4個樣品中統(tǒng)計數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)均大于0.90, 分形維數(shù)在1.151至1.201之間, 可見研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖石英動態(tài)重結(jié)晶顆粒邊界具有統(tǒng)計意義上的自相似性和明顯的分形特征。

表4　寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖石英動態(tài)重結(jié)晶顆粒邊界的分形特征Table 4　Fractal characteristics of dynamically recrystallized quartz grain boundary from granitic gneiss from the Sierbao area

圖8　石英動態(tài)重結(jié)晶顆粒的粒徑–周長雙對數(shù)圖解Fig.8　Double log plot of perimeter-diameter of dynamically recrystallized quartz grains

顯微鏡下, 對研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖樣品中石英、長石顯微變形特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析, 石英顆粒主要表現(xiàn)為亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶和顆粒邊界遷移重結(jié)晶, 部分長石殘斑邊部強烈膨凸式重結(jié)晶, 具有核幔結(jié)構(gòu)特征, 以上特征顯示研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖具有中高溫位錯蠕變的特征, 推測其變形溫度在480～600 ℃范圍內(nèi); EBSD組構(gòu)分析結(jié)果顯示研究區(qū)花崗質(zhì)巖石中石英主要發(fā)育中溫–高溫柱面組構(gòu)以及少量中低溫菱面組構(gòu), 變形溫度為 500～600 ℃;對照Kruhl 溫度計(Kurhl and Nega, 1996)和分形維數(shù)與變形溫度關(guān)系圖(圖9), 可知研究區(qū)變形溫度在480～580 ℃范圍內(nèi), 相當(dāng)于高綠片巖相到低角閃巖相環(huán)境。由此可見, 分形法所獲得的變形溫度與長石?石英變形溫度計和 EBSD組構(gòu)分析所確定的變形溫度相吻合, 故認(rèn)為研究區(qū)花崗質(zhì)巖石以中高溫變形為主, 變形溫度大致在 480～600 ℃范圍內(nèi), 同構(gòu)造變質(zhì)相為高綠片巖相–低角閃巖相。

圖9　分形維數(shù)與變形溫度的關(guān)系Fig.9　Relationship between fractal dimension and deformation temperature

4.5古差異應(yīng)力估算

古差異應(yīng)力大小估算的方法, 又稱為古應(yīng)力計。估算的前提條件是變形處于穩(wěn)態(tài)流動的狀態(tài)下,即變形過程中應(yīng)力保持不變, 應(yīng)變速率為常數(shù)。在一定量差異應(yīng)力作用下, 晶體內(nèi)部的位錯運動導(dǎo)致了巖石變形, 變形過程中所產(chǎn)生的位錯密度、動態(tài)重結(jié)晶以及亞顆粒的大小與差異應(yīng)力的大小有著穩(wěn)定的線性關(guān)系, 因此可以通過測量應(yīng)變礦物的位錯密度、動態(tài)重結(jié)晶以及亞顆粒的大小來進(jìn)行古差異應(yīng)力的估算。

重結(jié)晶顆粒粒徑壓力計是一種常用的古應(yīng)力計,其表達(dá)式為Δσ=(d/b)1/R, 式中Δσ為古差異應(yīng)力, 單位為MPa; b為實驗參數(shù), 單位為μmMPa–R; d為石英動態(tài)重結(jié)晶新顆粒粒徑, 單位為μm, R為實驗參數(shù)。由于實驗方法以及實驗條件等因素的差異性, 不同學(xué)者(Twiss, 1977, 1980; Mercier et al., 1977; Koch et al., 1989)對于重結(jié)晶顆粒粒徑壓力計所給出的實驗參數(shù)均有不同, Hacker et al. (1990)對該壓力計不同學(xué)者所給出的實驗參數(shù)進(jìn)行了對比研究, 認(rèn)為Koch (1983)的實驗參數(shù)考慮的影響因素更加全面, 如石英的干、濕度, 實驗誤差、顆粒測量標(biāo)準(zhǔn)偏差、壓力、溫度以及應(yīng)變速率在較大范圍內(nèi)變化的影響,實驗參數(shù)更為接近實際, 效果更好, 數(shù)據(jù)更可靠,且張波等(2006)、張秉良等(2008)、鄭蕾等(2013)、李小兵等(2015)均采用Koch (1983)實驗參數(shù)對其研究區(qū)進(jìn)行了古差異應(yīng)力的估算, 故本次亦采用Koch (1983)的實驗參數(shù)來計算該區(qū)域花崗質(zhì)片麻巖的古差異應(yīng)力, 其中b為4.9×102, R為?0.59。經(jīng)計算, 研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖的變形古差異應(yīng)力值為 10.62～ 12.21 MPa(表5)?？紤]到高溫退火作用導(dǎo)致顆粒粒徑增大效應(yīng)的影響, 筆者認(rèn)為該差異應(yīng)力范圍可能代表了花崗質(zhì)巖石糜棱巖化作用的差異應(yīng)力下限。

4.6應(yīng)變速率估算

目前, 石英巖的高溫流變律已成為韌性剪切帶應(yīng)變速率推導(dǎo)的主要方法。研究表明, 應(yīng)變速率(ε)是巖石所受應(yīng)力及其作用方式的函數(shù), 其大小受差異應(yīng)力、溫度以及巖石激活能大小的控制, 因此, 當(dāng)差異應(yīng)力和變形溫度確定后, 就可以推算巖石變形過程中的應(yīng)變速率(Poirier, 1985; Hacker et al., 1990)。石英巖的高溫流變律表達(dá)式為ε=Aσnexp(–Q/RT),其中ε為應(yīng)變速率, 單位為s?1; A為實驗參數(shù), 單位為MPa?1s?1; σ為差異應(yīng)力, 單位為MPa; n為應(yīng)力指數(shù); Q 為活化能, 單位為 Jmol–1; 理想氣體常數(shù)R=8.314 JK–1·mol–1; T為溫度, 單位為K。表6為不同學(xué)者給出的實驗參數(shù)。

Takahashi et al. (1998)的大量實驗研究表明: 石英動態(tài)重結(jié)晶新顆粒的邊界形態(tài)具有統(tǒng)計學(xué)上的自相似性, 表現(xiàn)出分形特征, 在溫度恒定的實驗條件下, 石英新晶的分形維數(shù)隨著應(yīng)變速率的增加而增大, 建立起了分形維數(shù)、變形溫度和應(yīng)變速率的關(guān)系, 通過最小二乘法線性擬合得到表達(dá)式: D=φlgε+ ρ/T+1.08。據(jù)此式可進(jìn)行應(yīng)變速率的估算, 式中, D為分形維數(shù); ε為應(yīng)變速率, 單位為s–1; T為溫度, 單位為 K; φ和 ρ均為實驗參數(shù), φ=9.34×10–2, 單位為[lg(S?1)]–1; ρ=6.444×102, 單位為K; S為時間, 單位為s。

表5　計算的古差異應(yīng)力以及不同方法估算的應(yīng)變速率Table 5　Calculated differential stresses and estimation of strain rate by different methods

表6　石英巖高溫流變學(xué)參數(shù)Table 6　Experimentally determined parameters for power law creep constitutive equations for the quartzites

本次研究采用高溫流變率和 Takahashi et al. (1998)的分形法進(jìn)行應(yīng)變速率估算, 溫度 T 取變形溫度區(qū)間范圍的中間值 550 ℃, 獲得的應(yīng)變速率如表5所示。高溫流變律公式所得到的應(yīng)變速率ε均小于 10–11.67s–1, 分形法計算的應(yīng)變速率為 10–7.09～ 10–7.62s–1, 可見高溫流變律公式所得結(jié)果普遍偏小,與分形法相差4～6個數(shù)量級。

考慮到 Takahashi分形應(yīng)變速率計來自于高溫(800～1000 ℃)和高應(yīng)變速率(10–6～10–4s–1)實驗, 自然界巖石變形很難達(dá)到如此大的應(yīng)變速率, 且高應(yīng)變速率條件下, 巖石內(nèi)幾乎找不到塑性變形的證據(jù),只有在低應(yīng)變速率的條件下, 石英才會表現(xiàn)明顯的塑性變形特征(胡玲, 1998; 李振生等, 2013); Mamtani (2010)曾指出, 分形法多適用于低溫(T<400 ℃)條件; 吳小奇等(2006)研究認(rèn)為對于應(yīng)變速率的計算, 傳統(tǒng)方法的可信度更高, Takahashi分形應(yīng)變速率計不適用于自然界較深層次形成的韌性剪切帶應(yīng)變速率的計算。此外, 退火作用下, 不規(guī)則石英顆粒邊界的去棱角作用對分形維數(shù)的影響也是不容忽視的。雖然高溫退火作用產(chǎn)生的石英顆粒粒徑增大效應(yīng)也會導(dǎo)致低估古差異應(yīng)力, 以及高溫流變律計算應(yīng)變速率偏低的現(xiàn)象, 本次研究仍然認(rèn)為高溫流變律公式的計算結(jié)果更為可信, 分形法的計算值可作為分析的重要參考數(shù)據(jù), 研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖的應(yīng)變速率為 10–11.67～10–13.34s–1。

5　鋯石U-Pb測年

實測剖面上花崗質(zhì)巖石巖性單一, 均為花崗質(zhì)片麻巖, 為確定其原巖的形成時代, 筆者選擇強變形帶內(nèi)的 1件花崗質(zhì)片麻巖樣品(SEB-7)進(jìn)行鋯石U-Pb測年。

鋯石的分選以及鋯石樣品制靶分別在河北廊坊區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所、北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司完成。鋯石U-Pb測年在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室完成, 主要采用激光剝蝕–電感耦合等離子質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)(LA-ICP-MS)方法, 在連接 GeoLas200M激光剝蝕系統(tǒng)的 Agilient 7500a型ICP-MS儀器上進(jìn)行, 實驗中采取單點剝蝕方法, 以He作為剝蝕物質(zhì)的載氣, 激光束斑直徑為 30 μm, 具體實驗過程見參考文獻(xiàn)(Gao et al., 2002; Yuan et al., 2008)。數(shù)據(jù)處理采用GLITTER 4.0軟件包, 利用Isoplot 4.0進(jìn)行年齡計算、諧和圖繪制以及207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡計算。

圖10　寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖鋯石CL圖像(a)和鋯石U-Pb年齡諧和圖(b)Fig.10　The CL images (a) and U-Pb concordia plot (b) of zircons from the granitic gneiss in the Sierbao area

測試的鋯石顏色普遍較深, 多為黃褐色, 顆粒相對較大, 大小在80～180 μm之間, 多數(shù)在100～150 μm,形態(tài)基本一致, 多為短柱狀, 長寬比值為 1～3, 自形–半自形, 具有密集的巖漿振蕩環(huán)帶(圖 10a), 為巖漿成因鋯石。鋯石邊部比較圓滑, 巖漿振蕩環(huán)帶較為模糊, 推測巖石的結(jié)晶年齡可能較老。鋯石U-Pb測年結(jié)果見表7。共對25顆鋯石進(jìn)行了U-Pb同位素分析, 25個點的測試結(jié)果顯示鋯石Th/U比值在0.40～0.90之間, 亦反映了巖漿成因的特征。在鋯石U-Pb年齡諧和圖(圖10b)中可以看出, 樣品分析點嚴(yán)格沿不一致線分布, 有 8個點的測試結(jié)果集中分布在諧和曲線上, 上交點年齡為 2544±10 Ma,207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為 2530±11 Ma(MSWD=1.5),兩者在誤差范圍內(nèi)一致, 表明研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖的巖漿結(jié)晶年齡為 2544±10 Ma。下交點年齡為183±120 Ma, 誤差較大, 可能是中生代巖漿構(gòu)造熱事件的反映。

表7　寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖(樣品SEB-7)鋯石LA-ICP-MS U-Pb-Th分析結(jié)果Table 7　LA-ICP-MS U-Pb-Th analytical data for zircons from granitic gneiss (SEB-7) in the Sierbao area

6　討　論

6.1韌性變形特征

遼西寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖豐富的宏觀、微觀構(gòu)造變形行跡, 均指示該區(qū)域存在一定規(guī)模的構(gòu)造變形帶, 巖石遭受了早期韌性變形改造, 總體呈現(xiàn)強弱分帶特征, 變形程度在初糜棱巖–糜棱巖之間。S-C組構(gòu)、云母魚等不對稱組構(gòu)特征、石英C軸組構(gòu)特征以及糜棱面理和拉伸線理產(chǎn)狀均表明巖石經(jīng)歷了 SWW向左行剪切作用。對強、弱變形帶中 4件典型糜棱巖樣品進(jìn)行了有限應(yīng)變測量分析, 結(jié)果顯示巖石變形為平面應(yīng)變, 巖石類型為L-S構(gòu)造巖,野外觀察同樣發(fā)現(xiàn), 花崗質(zhì)片麻巖中主要表現(xiàn)為礦物拉伸線理和糜棱葉理發(fā)育, 并未觀察到桿狀構(gòu)造等顯著的L型構(gòu)造特征, 對數(shù)Flinn圖解中的投影與野外實際觀察相對應(yīng), 表明測量結(jié)果較接近真實應(yīng)變水平。對花崗質(zhì)片麻巖進(jìn)行了剪應(yīng)變測量, 剪應(yīng)變量較小, 平均值為 1.43, 考慮到巖石變形為平面應(yīng)變, 體積不變, 且計算所得運動學(xué)渦度值均大于0.788, 表明其形成于以簡單剪切為主的一般剪切變形中, 故可以采用剪切位移計算式s=0dγ∫xx (Ramsay, 1980)進(jìn)行剪切位移量的估算, 其中s代表剪切帶總位移, γ代表剪應(yīng)變, x為γ所描述剪切帶的距離, 假定該變形帶的寬度為 4 km, 可知變形帶的位移量大致為5.72 km。

顯微鏡下, 花崗質(zhì)片麻巖中石英顆粒亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶和顆粒邊界遷移重結(jié)晶作用十分普遍, 長石表現(xiàn)為塑性拉長, 部分顆粒發(fā)生膨凸式重結(jié)晶;石英EBSD組構(gòu)分析結(jié)果也表明巖石以中高溫柱面組構(gòu)為主, 還有少量的中低溫菱面組構(gòu); 此外石英顆粒邊界具有明顯的分形特征, 分形維數(shù)值為1.151～1.201。綜合石英、長石的變形行為、石英EBSD組構(gòu)分析以及分形法 Kruhl溫度計的判別結(jié)果, 認(rèn)為寺兒堡花崗質(zhì)片麻巖的變形溫度為480～600 ℃, 糜棱巖化作用應(yīng)發(fā)生于高綠片巖相–低角閃巖相條件下,屬于中高溫變形, 按平均地?zé)嵩鰷芈?33 ℃/km, 地壓梯度25 MPa/km計算, 該變形帶應(yīng)形成于15～18 km的深度范圍內(nèi), 圍壓為375～450 MPa, 屬于中–深地殼層次。

重結(jié)晶顆粒粒徑壓力計計算結(jié)果顯示, 研究區(qū)花崗質(zhì)巖石的古差異應(yīng)力為 10.62～12.21 MPa, 采用高溫流變律計算變形帶的應(yīng)變速率為 10–11.67～ 10–13.34s–1, 與自然界一般區(qū)域性應(yīng)變速率一致, 故本文認(rèn)為寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖與自然界大多數(shù)韌性剪切帶中糜棱巖相同, 是緩慢變形的產(chǎn)物。

綜上可以認(rèn)為遼西寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖早期韌性變形具有中高溫、低應(yīng)變速率的特點, 其展示了中下部地殼變形的特征, 也代表了華北克拉通基底的變形特征。

6.2大地構(gòu)造意義

遼西寺兒堡鎮(zhèn)新太古代花崗質(zhì)片麻巖是華北克拉通結(jié)晶基底的重要組成部分, 鋯石 U-Pb測年結(jié)果表明研究區(qū)花崗質(zhì)片麻巖的原巖年齡為 2544±10 Ma。2.5 Ga是華北克拉通最重要的構(gòu)造熱事件時期, 標(biāo)志著華北微陸塊的拼合, 大規(guī)模陸殼的形成, 是華北地臺克拉通化的主要時期(Zhai et al., 2000; Zhai and Bian, 2000; Geng et al., 2006; 劉敦一等, 2007),因此該年齡代表了華北克拉通北緣結(jié)晶基底的年齡。

遼西寺兒堡鎮(zhèn)、醫(yī)巫閭山以及興城臺里地區(qū)是遼西太古宙花崗質(zhì)巖石廣泛分布的典型區(qū)域, 且區(qū)域構(gòu)造方面, 寺兒堡鎮(zhèn)韌性剪切帶及其北部發(fā)育的醫(yī)巫閭山變質(zhì)核雜巖以及南部的興城臺里韌性剪切帶總體呈NE向展布于華北克拉通北緣(遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1989; Liang et al., 2015a, 2015b), 處于華北克拉通北部構(gòu)造體制下。北部醫(yī)巫閭山變質(zhì)核雜巖研究程度較高(馬寅生等, 1999, 2000; Darby et al., 2004; Zhang et al., 2008, 2010; 李剛等, 2010, 2012, 2013; 張必龍等, 2011), 眾多學(xué)者研究表明, 其早期高溫變形形成于中晚侏羅世 NE-SW 向伸展應(yīng)力場中, 同時遭受晚期早白堊世低溫韌性變形, 形成于NWW-SEE向伸展應(yīng)力場中。南部興城臺里韌性剪切帶也有類似的演化歷程, 太古宙花崗質(zhì)片麻巖經(jīng)歷了晚侏羅世–早白堊世韌性剪切變形(Liang et al., 2015a, 2015b)。因此, 考慮到三者整體處于華北克拉通北緣東部晚中生代伸展減薄構(gòu)造體制下, 推測寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖所代表的中下地殼層次變形是對這一伸展減薄事件的響應(yīng)。隨后抬升地表或者近地表時經(jīng)歷了晚期 NNW-SSE方向脆性擠壓作用改造, 可能與古太平洋板塊斜向俯沖(Maruyama and Seno, 1986)于歐亞板塊之下相關(guān)。

7　結(jié) 論

(1) 遼西寺兒堡鎮(zhèn)新太古代花崗質(zhì)片麻巖經(jīng)歷了SWW向左行剪切作用, S-C 組構(gòu)、云母魚等韌性變形組構(gòu)特征豐富, 變形程度為初糜棱巖–糜棱巖之間。

(2) Flinn有限應(yīng)變圖解判別巖石類型為L-S構(gòu)造巖, 應(yīng)變類型為平面應(yīng)變, 剪應(yīng)變平均值為 1.43,運動學(xué)渦度平均值為0.814, 表明糜棱巖帶應(yīng)形成于以簡單剪切為主的一般剪切變形中。

(3) 石英顆粒亞顆粒旋轉(zhuǎn)和顆粒邊界遷移重結(jié)晶作用十分普遍, 長石表現(xiàn)為塑性拉長, 部分顆粒發(fā)生膨凸式重結(jié)晶; 石英 C軸組構(gòu)分析結(jié)果表明巖石以中高溫柱面組構(gòu)為主; 石英顆粒邊界具有明顯的分形特征, 分形維數(shù)值為 1.151～1.201, 巖石的變形溫度為 480～600 ℃, 糜棱巖化作用發(fā)生于高綠片巖相–低角閃巖相條件下。

(4) 重結(jié)晶顆粒粒徑壓力計計算古差異應(yīng)力為10.62～12.21 MPa; 高溫流變律計算變形帶的應(yīng)變速率為 10–11.67～10–13.34s–1。

(5) 遼西寺兒堡鎮(zhèn)花崗質(zhì)片麻巖早期中高溫韌性變形代表了華北克拉通基底中下部地殼的變形特征;晚期脆性變形受制于 NNW-SSE向的擠壓作用, 可能與古太平洋板塊斜向俯沖于歐亞板塊之下相關(guān)。

致謝: 感謝中國地質(zhì)大學(xué)(北京)劉俊來教授在EBSD組構(gòu)分析測試方面給予的幫助。同時對兩位匿名審稿專家給予的寶貴修改意見表示感謝！

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Structural Deformation and Rheology of Granitic Gneiss from the North China Craton Basement—An Example from the Sierbao Area in Western Liaoning Province

LI Jing1,2, LIU Yongjiang1,2*, LI Weimin1,2, JIN Wei1,2, LIANG Chenyue1,2,3, WEN Quanbo1,2and ZHANG Yuanyuan1,2
(1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, Jilin, China; 2. Key Laboratory of Mineral Resources Evaluation in Northeast Asia, Ministry of Land and Resources of China, Changchun 130061, Jilin, China; 3. Department of Geology and Geography, University of Salzburg, Salzburg A-5020, Austria)

Macro- and micro-deformation structural characteristics of the Neoarchean granitic gneiss in the Sierbao area in western Liaoning province (Liaoxi) demonstrate that the region underwent a strong ductile deformation event. Due to the left-lateral ductile shearing with SWW trending, the granitic rocks were mainly deformed to be proto-mylonites and mylonites with gneissic structures. Systematic measurements of finite strain of quartz in the granitic gneiss indicate the strain type is plane strain in L-S tectonites. Calculation of micro-structures suggests that the average shearing strain is 1.43 and the kinematic vorticities are 0.788 to 0.829, indicating a shearing dominated deformation. Petrographically, the quartz grains in the granitic rocks mostly occur as dynamic recrystallization including subgrain rotation and high temperature grain boundary migration recrystallization. Meanwhile, most of feldspar porphyroclasts are enlongated and some are fully bulging recrystallized. Quartz C-axis fabrics (EBSD) indicates that quartz fabrics are mainly middle-high temperature prismatic slip system and less low-middle temperature rhomb slip system. Fractal analysis shows that boundaries of the recrystallized quartz grains have statistically self-similarities with numbers of fractal dimension from 1.151 to 1.201, indicative of middle-high temperature deformation condition. According to deformation behaviors of quartz and feldspar, the quartz C-axis fabrics and the Kruhl thermometer demonstrate that the ductile deformation was developed under a condition of high greenschist facies to low amphibolite facies, with the deformation temperature ranging from 480 ℃ to 600 ℃. The differential stress and strain rate of granitic rocks are estimated at 10.62 to 12.21 MPa, 10–11.67s–1to 10–13.34s–1, respectively, which suggest that the ductile deformation was a slow process. The characteristics of the early ductile deformation phase with middle-high temperature and slow strain rate may represent the deformation features of the middle-lower crust of the North China Craton basement.

ductile deformation; finite strain measurement; kinematic vorticity; EBSD; fractal; differential stress; strain rate

P542

A

1001-1552(2016)05-0891-017

10.16539/j.ddgzyckx.2016.04.019

2015-11-11; 改回日期: 2016-03-12

項目資助: 國家自然科學(xué)基金重點項目“大陸巖石圈天然流變典型區(qū)(遼寧興城)解剖研究”(41230206)、國家自然科學(xué)基金項目(41172170)和巖石圈演化國家重點實驗室開放課題項目“鞍山太古宙花崗質(zhì)巖石成因研究”聯(lián)合資助。

李婧(1990–), 女, 碩士研究生, 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)。Email: Leejing18@outlook.com

劉永江(1964–), 男, 教授, 主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)教學(xué)與研究。Email: yongjiang@jlu.edu.cn