郭克超，莫乃明，姚雙福，彭?xiàng)詈辏崃?/p>

(1.甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖 734000；2.青海省國土資源廳，青海 西寧 810001；3.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中南大學(xué))，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

1 地質(zhì)背景

北京周口店地區(qū)地質(zhì)現(xiàn)象十分豐富，素有“地質(zhì)大觀園”之稱，多年來一直倍受地質(zhì)學(xué)者的青睞。房山巖體更是眾多地質(zhì)研究對(duì)象中的佼佼者之一，其主體巖性為花崗閃長(zhǎng)巖，邊部有呈不完整帶狀分布的石英閃長(zhǎng)巖。巖體中發(fā)育典型的原生流動(dòng)構(gòu)造，它們由礦物或包體定向分布體現(xiàn)出來；同時(shí)侵位構(gòu)造也有相當(dāng)?shù)姆植迹鐜r體西北緣的韌性剪切帶[1]。在近巖體的圍巖中，構(gòu)造現(xiàn)象極其豐富，緊靠巖體的一側(cè)，出現(xiàn)與巖體平面形態(tài)協(xié)調(diào)的環(huán)狀逆沖斷裂、剝離斷層及放射狀斷裂[2]；西部的北嶺向斜，南部太平山向斜及北部的鳳凰山向斜呈環(huán)狀圍繞巖體(圖1)。

1-第四系；2-白堊系；3-侏羅系；4-三疊系；5-石炭-三疊系；6-寒武-奧陶系；7-青白口系；8-薊縣系；9-長(zhǎng)城系；10-太古宙；11-花崗巖；12-逆斷層；13-剝離斷層；14-向斜圖1 北京西山房山巖體區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造(資料來源：文獻(xiàn)[3])

本文所討論的焦點(diǎn)是巖體中發(fā)育的一種“彎曲”現(xiàn)象，它呈不同于流線、流面的似波狀形態(tài)，部分地段形成明顯的小型尺度的“褶皺”構(gòu)造。這種小“褶皺”又似乎不同于沉積巖中的褶皺構(gòu)造，它僅“單層”局部出現(xiàn)，上下不協(xié)調(diào)。這樣的“褶皺”構(gòu)造可否為區(qū)域構(gòu)造變形或巖體侵位變形的產(chǎn)物，即它是否具有構(gòu)造成因，便成為此次研究所關(guān)注的問題。筆者將從小“褶皺”的產(chǎn)狀、形態(tài)的變化及其成分特征，探討它的形成機(jī)制。一方面結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景及“褶皺”周邊地質(zhì)現(xiàn)象，從宏觀上分析它與區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和后期巖體侵位有無成因聯(lián)系；另一方面根據(jù)“褶皺”與圍巖的成分對(duì)比和鏡下微觀“變形”分析，同時(shí)結(jié)合簡(jiǎn)單的“應(yīng)變”測(cè)量，討論其成因。

2 “褶皺”宏觀特征

房山巖體位于北京城西南約50 km的房山區(qū)城北、北京西山的南端，東鄰華北平原，大地構(gòu)造位置處于華北板塊中部，在NNE向太行山隆起和近EW向燕山板內(nèi)造山帶的交接部位[3]。本次研究的小“褶皺”構(gòu)造出露于李家坡采石場(chǎng)，位于房山巖體南部邊緣。附近巖體屬花崗閃長(zhǎng)巖，中粒結(jié)構(gòu)，灰白色，塊狀構(gòu)造；礦物成分包括35%的斜長(zhǎng)石，20%的鉀長(zhǎng)石，20%的石英，以及10%～15%的黑云母和少量的角閃石(5%)。按上述特點(diǎn)，圍巖應(yīng)是前人所劃分的房山巖體主期侵入體的邊緣相[3]。

本文所述的小“褶皺”構(gòu)造涉及兩處。它們均位于采坑的巖壁上，由于巖體已被切割，無法知道具體的延伸范圍，圖2為“褶皺”在空間的延伸態(tài)勢(shì)，顯示褶皺形態(tài)的成分層的厚度只有1.5～2.0 mm?！榜薨櫋盇(圖3(a))整個(gè)的形態(tài)并不完全協(xié)調(diào)統(tǒng)一，不同的成分層形態(tài)頗具差異。對(duì)單層脈體來說，其形狀也欠規(guī)整，不同區(qū)段彎曲的程度和形態(tài)不一致。對(duì)于整體而言，這種彎曲與平滑的分布也不完全一致。這樣的褶皺形態(tài)利用傳統(tǒng)的褶皺形成機(jī)制是無法解釋的。但另一方面，各單層脈體略呈不規(guī)則的波狀，其“背形”或“向形”的“轉(zhuǎn)折端”都向大致相同的方向(NE)傾斜，并顯示出一種“流動(dòng)”的狀態(tài)。巖壁上小“褶皺”著生部位有一定特殊性，在它的上部和下部巖性有些許變化。下部巖體顏色明顯變深，暗色礦物的含量增加，暗示著兩部分巖體的形成時(shí)間可能存在小差異，也即小“褶皺”恰位于巖性交界處。它由三條細(xì)脈顯示出來，在結(jié)構(gòu)上都具有顆粒微細(xì)的特點(diǎn)?？拷瞪珟r體的細(xì)脈主要由長(zhǎng)石和石英組成，細(xì)脈的一端明顯變寬，礦物顆粒也變粗大，甚至出現(xiàn)不明顯的石英核。中間的巖脈成分和顏色接近于下部暗色巖體，最上部的巖脈成分和顏色則與淺色巖體趨于一致，兩條細(xì)脈的暗色礦物含量略高于圍巖?！榜薨櫋盉(圖3(b))則呈現(xiàn)規(guī)則統(tǒng)一的波浪狀，每一條脈體成分相近，均為粗顆粒的石英和長(zhǎng)石組成的花崗質(zhì)脈體。

圖2 小“褶皺”的空間延伸情況

圖3 周口店房山巖體中小褶皺

3 “褶皺”與變形狀態(tài)

為進(jìn)一步觀察小“褶皺”的成分特征，以探討其成因，筆者采集了實(shí)地樣品(圖2和圖3)，并磨制薄片，在鏡下進(jìn)行了微觀觀察。切片方向主要順著巖脈?！榜薨櫋眱?nèi)部礦物成分有無因褶皺構(gòu)造引起的變形，是我們關(guān)注的主題，但在顯微鏡下并沒有發(fā)現(xiàn)礦物有明顯的變形現(xiàn)象(圖4)。石英呈它形粒狀，顆粒表面干凈光滑，邊界規(guī)整，消光均勻。

石英屬遍在性礦物，它在各種構(gòu)造中常出現(xiàn)特殊的構(gòu)造礦物學(xué)現(xiàn)象[4]。然而在顯微鏡下并沒有發(fā)現(xiàn)可以顯示石英發(fā)生變形的光學(xué)現(xiàn)象，如不均勻消光、晶內(nèi)顯微裂隙或更高級(jí)的變形現(xiàn)象，如變形紋、定向壓扁拉長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)重結(jié)晶結(jié)構(gòu)等。長(zhǎng)石以板狀或柱狀出現(xiàn)，自形程度較高，晶形完好，略具定向排列。部分長(zhǎng)石晶內(nèi)發(fā)生顯微破裂，但未見后期變形。斜長(zhǎng)石發(fā)育較好的聚片雙晶和卡納復(fù)合雙晶，雙晶紋分布均勻，少有尖滅，條紋細(xì)小且寬度一致，僅出現(xiàn)單個(gè)世代雙晶紋，顯然雙晶不具有機(jī)械變形的成因(圖4(b))。鉀長(zhǎng)石呈板狀、粒狀，見發(fā)育格子雙晶的微斜長(zhǎng)石(圖4(c))。黑云母在鏡下呈自形或半自形片狀，并不見其在變形條件的典型構(gòu)造——扭折。此外，還可見少量角閃石的六邊形橫斷面，副礦物榍石的菱形單晶(圖4(d))。

另一方面，筆者將礦物變形問題進(jìn)行量化分析，使分析更有說服力。通過測(cè)量礦物的長(zhǎng)短軸比，并根據(jù)大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)判斷礦物的變形情況。筆者主要選取了斜長(zhǎng)石、石英和云母進(jìn)行長(zhǎng)短軸測(cè)量。利用長(zhǎng)石礦物進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，簡(jiǎn)單，直觀，易于操作，在構(gòu)造研究中已有應(yīng)用的先例[5]。長(zhǎng)石晶體的形成和生長(zhǎng)都具一定的規(guī)律性，即長(zhǎng)、寬、高有一定的比例。斜長(zhǎng)石(除培長(zhǎng)石和低溫鈣長(zhǎng)石外)的晶軸之比一般為a∶b∶c=8∶12∶7[5]。而石英原始晶形近等軸狀，顯示應(yīng)變則更直觀。因此在確定沒有發(fā)生重結(jié)晶的情況下，石英軸比的數(shù)據(jù)是可靠的。黑云母晶軸之比通常為a∶b∶c=5∶9∶10[6]。表1～3和圖5為在正交偏光顯微鏡下所測(cè)得的結(jié)果。

從表1～3可知，石英和斜長(zhǎng)石所測(cè)得的軸比，相對(duì)于上文所引用的理論值明顯偏大。這說明，兩種晶體的生長(zhǎng)除了受結(jié)晶習(xí)性的控制，還有其他外部因素的影響，或者它們?cè)诮Y(jié)晶后發(fā)生了變形。石英和長(zhǎng)石在同一變形條件下，變形行為差別顯著，前者易發(fā)生塑性變形，后者更多地表現(xiàn)脆性行為。因而，長(zhǎng)石在晶形保持完好，又無其他明顯變形現(xiàn)象的情況下，通過應(yīng)力作用使其晶軸比率發(fā)生變化，顯然可能性不大；另外，它形顆粒的石英軸比所出現(xiàn)的偏差還未大到足以說明礦物遭受了應(yīng)力變形。事實(shí)上，礦物的結(jié)晶形態(tài)受多方面的因素影響，于此例而言，可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的推測(cè)，即晶體軸率與慣常情況不吻合，可能與巖漿結(jié)晶時(shí)的溫度相關(guān)。在不同的溫度條件下，同一種晶體的不同晶面(質(zhì)點(diǎn)結(jié)合到不同晶面上形成的強(qiáng)鍵數(shù)目不同)，其相對(duì)生長(zhǎng)速度會(huì)有所改變，從而影響其生長(zhǎng)形態(tài)，在較低溫條件下，強(qiáng)健對(duì)質(zhì)點(diǎn)的獲取優(yōu)勢(shì)相對(duì)突出，晶體傾向于細(xì)長(zhǎng)狀[6]。當(dāng)然，不同的礦物出現(xiàn)“細(xì)長(zhǎng)狀”的趨勢(shì)所需要的溫度條件不同，這與它們自身的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。不難看出，黑云母的實(shí)測(cè)結(jié)果與理論值符合較好。除晶體結(jié)構(gòu)相異外，黑云母本身易形成板片狀，對(duì)上述生長(zhǎng)趨勢(shì)很可能有所掩蓋。

圖4 小“褶皺”內(nèi)部組構(gòu)及成分特征

薄片號(hào)A3A4A5B5-1B5-2B5-3B6-1B6-2B6-3C1C2平均1.381.601.701.771.481.561.511.761.611.721.38標(biāo)準(zhǔn)差0.330.370.670.780.240.330.340.600.520.370.07方差0.110.140.440.610.060.110.120.370.270.140.33標(biāo)準(zhǔn)誤差/%7815175781412811

注：觀測(cè)數(shù)為20。

表2 斜長(zhǎng)石長(zhǎng)短軸比率(鏡下)

表3 黑云母長(zhǎng)短軸比率(鏡下)

注：觀測(cè)數(shù)為10。

那么，礦物結(jié)晶時(shí)是否處于低溫條件呢,在上文提到了“褶皺”A位置的特殊性，它處于巖性交界處，后期侵入的熱的巖漿與早期侵入的已達(dá)到一定冷卻程度的巖體接觸，邊部溫度自然會(huì)降低。不容忽視的是兩條小“褶皺”中出現(xiàn)的花崗質(zhì)脈體，它們?cè)谛螒B(tài)和結(jié)構(gòu)上極具偉晶巖和細(xì)晶巖的特征。如果按照J(rèn)ahns和Burnham[13]提出的偉晶巖的形成過程來解釋該處偉晶巖和細(xì)晶巖的存在，則不僅有助于證明“褶皺”A中巖性界面的存在，而且暗示了一個(gè)降溫的過程。此外，從圖3中可以看出，“褶皺”B所在的位置，靠近“褶皺”A在巖體內(nèi)部的延展面，可以認(rèn)為在巖漿冷卻結(jié)晶時(shí)，這兩處位置處于相近的溫壓條件。

由于“褶皺”發(fā)育在質(zhì)地堅(jiān)硬的巖體表壁上，而筆者所擁有的工具很難采集到理想的標(biāo)本。同時(shí)，房山巖體是許多高校重要的教學(xué)實(shí)習(xí)基地，對(duì)重要的地質(zhì)現(xiàn)象必須予以保護(hù)。因此，能采集到的樣品數(shù)量有限。為彌補(bǔ)這一不足，在照片中，“褶皺”的不同部位對(duì)礦物進(jìn)行了長(zhǎng)短軸測(cè)量，以分析礦物形態(tài)變化。回避了由于礦物顆粒細(xì)小，不便于野外直接測(cè)量的問題。在此，選擇了“褶皺”A圍巖中顆粒相對(duì)較大，顏色深的黑云母作為測(cè)量對(duì)象，測(cè)量剖面的方向也順著脈體(圖6)。測(cè)量結(jié)果見表4和圖7。

如圖5和圖7所呈現(xiàn)的結(jié)果，礦物軸比都大致符合正態(tài)分布規(guī)律。對(duì)比表3和表4，可以發(fā)現(xiàn)照片中的測(cè)量結(jié)果與鏡下的一致。它們進(jìn)一步說明，所采集的數(shù)據(jù)信息是可靠的。結(jié)合鏡下“顯微構(gòu)造”的觀察與礦物長(zhǎng)短軸“應(yīng)變”測(cè)量，可以得出結(jié)論：小“褶皺”礦物成分沒有發(fā)生因褶皺構(gòu)造引起的變形。

(a)石英(B5-2)的軸比頻率分布直方圖 (b)斜長(zhǎng)石(A4)的軸比頻率分布直方圖圖5 石英(B5-2)和斜長(zhǎng)石(A4)的軸比頻率分布直方圖(鏡下)

圖6 黑云母的測(cè)量位置

測(cè)量位置1-12-12-22-33-14-14-25-15-26-16-2平均1.801.831.822.111.941.781.971.822.002.022.04標(biāo)準(zhǔn)差0.700.480.340.470.500.510.580.480.520.560.62標(biāo)準(zhǔn)誤差/%1396991011991011觀測(cè)數(shù)2730302830292930303030

圖7 黑云母的軸比頻率分布直方圖(照片)

4 小“褶皺”形成機(jī)制

房山巖體是燕山運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，侵位后沒有受到過造山運(yùn)動(dòng)改造，是一個(gè)構(gòu)造后侵入體[9]。燕山運(yùn)動(dòng)晚期的南大寨斷裂下盤從SEE向NWW向推覆，導(dǎo)致位于斷裂下盤的房山巖體由下至上向北西斜向侵位[10]，同時(shí)這也奠定了房山巖體內(nèi)部構(gòu)造特征的基礎(chǔ)。巖體中流面沿著侵入體邊緣輪廓分布，傾向圍巖；流線多向SE向傾斜；在巖體的西北緣則出現(xiàn)了“片麻狀片理”和韌性剪切帶[1]。本文所探討的小“褶皺”發(fā)育的位置并不在房山巖體內(nèi)部侵位構(gòu)造集中分布區(qū)。其延伸方向?yàn)镾W-NE向，與巖體侵位方向不同。而發(fā)育在構(gòu)造后侵入體上的小“褶皺”也不可能受到區(qū)域構(gòu)造變形的影響。因此，從“褶皺”的位態(tài)方面，可以得到與上文顯微變形分析相一致的結(jié)論，即小“褶皺”非構(gòu)造成因。

由上文分析可知，必須為小“褶皺”的動(dòng)力學(xué)成因?qū)ふ倚碌那腥朦c(diǎn)?！榜薨櫋盉脈體由顆粒較粗大的長(zhǎng)石和石英組成，“褶皺”A也有一條相近成分的脈體。此外值得注意的是，在研究區(qū)附近發(fā)現(xiàn)了晶洞。因此可以進(jìn)一步確定這里所說的脈體即是偉晶巖脈。而“褶皺”A中淺色脈體在粒度上的突變也完全符合偉晶結(jié)構(gòu)的特征。這說明在小“褶皺”發(fā)育的位置富含水揮發(fā)分[11]。那么，這就為利用揮發(fā)分對(duì)組分的遷移來解釋“褶皺”中成分帶的形成提供了一種可能。而巖漿流動(dòng)作用疊加到成分帶上，使其彎曲現(xiàn)象更明顯，從小“褶皺”的外形特征上也恰好佐證了這一點(diǎn)。脈體中礦物粒度的細(xì)小，反映了一種成核密度大，快速結(jié)晶的較低溫條件。正是在這樣的條件下，才有利于出現(xiàn)成分分異。雖然花崗質(zhì)巖漿酸性程度較高，黏度高，在低于液相線溫度的條件下，具有非牛頓體行為[9]，但可以認(rèn)為水這種揮發(fā)分的加入降低了它的黏度。

然而這樣的解釋也僅是一種定性推測(cè)，因?yàn)樾　榜薨櫋毙纬蓵r(shí)具體的溫壓條件，巖漿揮發(fā)分的含量都無法定量。關(guān)于小“褶皺”的成因機(jī)制，或許還有其他的突破口。在對(duì)周口店巖體成分分帶的成因解釋中提到一種形成機(jī)制，即對(duì)流條件下的索列特效應(yīng)[9]，對(duì)“褶皺”A的形成也許可作較好的說明。巖體的頂部和邊部一般先開始結(jié)晶，傳熱快；密度較大的發(fā)生結(jié)晶的邊部層就會(huì)向巖體底部運(yùn)動(dòng)，而密度較小的未結(jié)晶的巖漿會(huì)向上集中。這是單純的對(duì)流作用，易形成水平層狀巖體。索列特效應(yīng)是一種熱擴(kuò)散，在約200 ℃的溫度梯度下即可產(chǎn)生強(qiáng)烈的成分分異。對(duì)流作用和索列特效應(yīng)共同作用則可極大地加強(qiáng)成分分異的效果[9]。從上文的描述中，知道“褶皺”A處于巖性過渡帶，表明巖體的形成上應(yīng)有一定的時(shí)間差，這為形成溫度梯度創(chuàng)造了條件。另一方面，這樣的作用機(jī)制被在房山巖體西南部邊緣相與過渡相的交界處分布的黑云母“遞變條帶”證實(shí)[9]，小“褶皺”的區(qū)域位置及其細(xì)粒脈體中暗色礦物含量的增高都與之契合。對(duì)流時(shí)物質(zhì)遷移的方向由重力決定，但擴(kuò)散的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向卻由溫差決定，因此成分層就未必是水平的，形成像褶皺一樣的彎曲也是可能的。

圖8 包體中礦物不平衡現(xiàn)象

在研究區(qū)附近，筆者觀察到了暗色微粒包體中礦物的不平衡現(xiàn)象，即包體中出現(xiàn)斜長(zhǎng)石大斑晶黑云母片晶(圖8)。這種現(xiàn)象被認(rèn)為是發(fā)生了巖漿混合的證據(jù)。包體為低黏度的基性巖漿，在與花崗質(zhì)巖漿發(fā)生混合的過程中，這些斑晶通過機(jī)械轉(zhuǎn)移從花崗質(zhì)巖漿進(jìn)入包體，屬于捕擄晶[12]。如果將“褶皺”A中暗色巖脈解釋為較大量的基性巖漿與花崗質(zhì)巖漿不完全混合的產(chǎn)物，即一個(gè)巨型扁平狀包體。基性巖漿如何保持一個(gè)連續(xù)的“層”狀(扁平狀)，而不至于在巖漿流動(dòng)的過程中被沖散。巖漿產(chǎn)生層流取決于雷諾數(shù)Re，即慣性力與黏性力比值，Re高值代表低黏性行為[13]?；詭r漿注入時(shí)，相對(duì)于高黏度、低流速的花崗質(zhì)巖漿必然有一定的速度，另一方面基性巖漿有較低的黏度，因此兩種巖漿在未充分混合的情況下，相對(duì)原來的花崗質(zhì)巖漿必然Re值增大，在兩種巖漿接觸的邊界處就可能產(chǎn)生層流運(yùn)動(dòng)。暗色微粒脈不止一條，可視為巖漿不止一次混合，基性巖漿呈噴泉式小股注入，這是由基性巖漿起源深度和密度較大，很難與酸性巖漿一次性大規(guī)?；旌纤鶝Q定[13]。脈體顏色的深淺則可認(rèn)為是混合程度的不同。

5 結(jié) 論

本文基于野外考察和室內(nèi)分析，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)背景，從巖石學(xué)分析、顯微組構(gòu)觀測(cè)、“應(yīng)變”測(cè)量等方面探討了周口店房山巖體中小“褶皺”的特征，并對(duì)其成因提出了三種假設(shè)：①揮發(fā)分對(duì)巖漿組分的遷移；②對(duì)流條件下的索列特效應(yīng)；③少量基性巖漿與主體花崗質(zhì)巖漿的不完全混合。

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