對(duì)韌性剪切帶形成深度和變形環(huán)境研究方法與研究?jī)?nèi)容的想法

對(duì)韌性剪切帶形成深度和變形環(huán)境與研究?jī)?nèi)容的想法

1001121419 張琦瑋

韌性剪切帶是巖石在塑性狀態(tài)下連續(xù)變形形成的狹長(zhǎng)高應(yīng)變帶，是中深-深地殼的主要構(gòu)造類型。其規(guī)模大小不一，大尺度韌性剪切帶綿延數(shù)千公里而微型的只能在巖石薄片中觀察到。伴隨其發(fā)育的構(gòu)造特征有新生S-C面理，鞘褶皺，巖石的糜棱巖化等等。而關(guān)于對(duì)韌性剪切帶形成深度和變形環(huán)境的研究，我想從以下四點(diǎn)闡述我的觀點(diǎn)：

1.對(duì)于尚未折返的韌性剪切帶，可

以通過(guò)大陸鉆探直接確定韌性剪切

帶深度。例如，從蘇魯超高壓變質(zhì)

地體南部的中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程

( CCSD) 主孔深度來(lái)看，1596 -2038

m 的榴輝巖段和2038 -2500 m 的片

麻巖段之間存在一條厚一百余米的

韌性剪切帶( 深度2010 -2145

m )[1,10] （見(jiàn)圖1）

2.從巖石角度來(lái)看，影響巖石變形

因素有溫度，壓力，應(yīng)力和時(shí)間。

通過(guò)定量分析區(qū)域尺度或顯微尺度

的巖石變形，運(yùn)用構(gòu)造解析的手段可以推測(cè)其受力狀況，所處的溫壓條件，進(jìn)而推測(cè)其形成深度。

例如：吳新國(guó)等據(jù)云母的扭折特征推測(cè)膝折帶的形成溫度高于250℃,壓力大于2000MPa。由此,按地溫向深處遞變規(guī)律推斷韌性剪切帶形成的地殼深度大于10 km[2]。

3.從地球物理學(xué)的角度看。在地震測(cè)深剖面中, 殼幔韌性剪切帶主要表現(xiàn)為莫霍界面附近橫向速度的突變和莫霍界面埋深突然變化, 主要標(biāo)志有波組有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象, 如震相的錯(cuò)斷、轉(zhuǎn)折和衰減等現(xiàn)象在地震測(cè)深剖面速度結(jié)構(gòu)分布型式上, 地震界面速度及層間速度有明顯的差別和變化

不同炮點(diǎn)異向觀測(cè)控制的相鄰地震界面由同一性質(zhì)震相計(jì)算出的界面深度有明顯差異與變化, 反映在地震測(cè)深剖面中, 莫霍界面位移幅度多在4~ 7 km,深反射地震剖面中, 殼幔韌性剪切帶在莫霍界面或殼幔過(guò)渡帶反射層突然中斷, 或顯示為亮點(diǎn),天然地震面波層析成像速度結(jié)構(gòu)顯示, 殼幔韌性剪切帶通過(guò)地段及附近Vp、Vs 速度值較低。因此通過(guò)解析地震刨面可以分析韌性剪切帶的變形環(huán)境和形成深度[3]。

3.從地球化學(xué)的角度來(lái)看，可以使用礦物溫壓計(jì)，進(jìn)行溫度壓力的計(jì)算。其中，最常用的的是白云母溫壓計(jì)。齊金忠等[4]通過(guò)礦物組合、礦物變形特征以及白云母—綠泥石地質(zhì)溫度計(jì)得到郯廬早、晚兩期剪切帶的形成溫度均為400～450 ℃。通過(guò)多硅白云母Si 原子數(shù)地質(zhì)壓力計(jì)計(jì)算得到早、晚兩期剪切帶的形成壓力分別為0. 25～0. 36 GPa

和0. 24～0. 39 GPa（見(jiàn)圖2）因此，可以通過(guò)分析韌性剪切帶內(nèi)白云母的Si離子得到其形成的溫壓條件，再通過(guò)正常的低溫梯度反算形成的溫度。

圖2 白云母硅離子數(shù)與溫度壓力的關(guān)系(據(jù)Velde,1987）

4.最后在談?wù)勀壳笆褂脧V泛的EBSD方法。EBSD組構(gòu)分析是通過(guò)分析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的。其特點(diǎn)與費(fèi)氏臺(tái)石英組構(gòu)分析較類似，但EBSD可以更精確地分析糜棱質(zhì)中的細(xì)小石英顆粒，而且測(cè)試顆粒多（一般測(cè)量5000~20000）個(gè)數(shù)據(jù)，所以能更客觀地反映樣品中礦物顆粒排列的優(yōu)勢(shì)方位。例如,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所齊金忠[4]在對(duì)南蘇魯高壓變質(zhì)帶研究中，使用EBSD方法（每個(gè)樣品掃描10幀，每幀掃描范圍為0.8×1mm2 ，(掃描步長(zhǎng)為15μm作圖采用下半球投影，統(tǒng)計(jì)半徑為10°極點(diǎn)等密度線以所占百分?jǐn)?shù)表示）。得出那蘇魯?shù)貐^(qū)的韌性剪切帶中石英組構(gòu)有三種 低溫底面組構(gòu),形成溫度低于300°滑移系為{0001} 中低溫菱面組構(gòu)形成溫度為440~500°滑移系為{1101} 中溫柱面組構(gòu)形成溫度為550~650滑移系為{1010}�？梢�(jiàn)該區(qū)巖石經(jīng)歷了從中溫—中低溫—低溫的一系列韌性變形過(guò)程。

而在宏觀上保存完好的變形應(yīng)為晚期低

溫韌性變形。另外,從上述EBSD石英組構(gòu)圖反映的剪切指向來(lái)看，中低溫以及低溫組構(gòu)均以SE-NW的剪切指向?yàn)橹鞫�由NW-SE的剪切指向發(fā)育較差,鏡下顯微結(jié)構(gòu)也顯示由SE-NW的逆沖剪切為主要剪切指向,而NW-SE的剪切指向少見(jiàn),與EBSD石英組構(gòu)特征相吻合，在露頭尺度上所見(jiàn)的后期低溫韌性變形的剪切指向均為從SE-NW向,早期的中低溫低溫滑脫剪切指向NW-SE則難以見(jiàn)到。

圖3 南崗-高公島韌性剪切帶石英EBSD組構(gòu)（據(jù)齊金忠，2005）

下面談?wù)勎覍?duì)韌性剪切帶研究?jī)?nèi)容的想法：

目前，對(duì)韌性剪切帶的認(rèn)識(shí)主要有一下幾個(gè)方面的研究。

1.對(duì)韌性剪切帶形成的理論研究。主要通過(guò)野外觀察和鏡下數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行嚴(yán)密的理論推導(dǎo)和驗(yàn)證。例如：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)武漢的王學(xué)濱基于應(yīng)變梯度理論，構(gòu)建韌性剪切帶模型。個(gè)人認(rèn)為，此類研究存在的問(wèn)題，

是模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不能很好的與實(shí)際的野外的

結(jié)果匹配，且模擬實(shí)驗(yàn)常常忽略變形時(shí)間，變形速率。因此建議在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，盡量多考慮實(shí)際影響因素，如：巖漿作用，地層能干程度差異，及設(shè)計(jì)不同應(yīng)變速率下的實(shí)驗(yàn)，使得研究更加接近實(shí)際工作情況，為野外研究提供理論指導(dǎo)。

2.從巖石學(xué)的角度，研究韌性剪切帶中變質(zhì)巖的構(gòu)造特點(diǎn)形成條件。其具體內(nèi)容包括觀察并測(cè)量巖石的葉理，線理S-C組構(gòu)，壓力影等顯微構(gòu)造的方向，并使用地質(zhì)溫壓計(jì)估計(jì)其形成溫壓條件。雖然此類研究是較為傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)手段，但是許多文章對(duì)這些微型構(gòu)造仍處在描述性階段，筆者希望研究人員能將觀測(cè)到的定向標(biāo)本中的線理，面理用赤平投影的方式表示出來(lái)，使研究結(jié)果更具科學(xué)性。此外，目前糜棱巖巖石學(xué)研究的熱點(diǎn)是對(duì)韌性剪切帶變形巖在天然強(qiáng)剪切應(yīng)力作用條件下常量元素遷移機(jī)制及活化轉(zhuǎn)移的應(yīng)力排序、微量元素遷移的動(dòng)力控制、稀土元素配分變化的研究，其研究成果將對(duì)動(dòng)力成巖(成礦)機(jī)理的認(rèn)識(shí)有重要的突破,具有重要的理論意義和潛在應(yīng)用價(jià)值

[6]。例如：由于在深部溫度高、壓力大、巖石塑性大, 韌性剪切變形的影響, 使Au的化學(xué)位升高, 且變形越強(qiáng), 化學(xué)位越高, 具有高化學(xué)位的元素是不穩(wěn)定的, 將脫離原來(lái)的礦物或巖石中的賦存部位, 與其他成礦元素(Si ,K,H2O)及等組分一起被活化分異, 形成含金熱液(或稱動(dòng)力變質(zhì)熱液),因此, 深層次韌性變形是金等成礦元素的活化遷出區(qū), 其結(jié)果是韌性剪切變形越強(qiáng), 巖石中Au 等成礦元素含量越低。在淺部, 由于溫度、壓力偏低, 韌性變形較弱, 主要表現(xiàn)為脆性破碎, 元素化學(xué)位降低, 加上其他物理化學(xué)條件如PH值、Eh值等的

改變 , 導(dǎo)致Au等成礦元素聚集, 形成礦床[7]。

3.目前看來(lái)新的韌性剪切帶的研究常常以學(xué)科交叉的形式體現(xiàn)。 a.與大區(qū)域構(gòu)造聯(lián)系

該類研究常�！耙孕∫�(jiàn)大”，從顯微尺度的韌性剪切帶的剪切方向延伸到區(qū)域尺度，并用大地構(gòu)造，（板塊俯沖，板塊走滑，陸內(nèi)拉張）的理論解釋韌性剪切帶的形成原因。例如，Abdel-Rahman Fowler 在對(duì)埃及布魯特地區(qū)進(jìn)行研究時(shí)，對(duì)布魯特地區(qū)的斜長(zhǎng)片麻巖和斜長(zhǎng)角閃巖的面理和線理的產(chǎn)狀特征進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量，并用EBSD方法和地質(zhì)溫壓計(jì)恢復(fù)其形成條件。結(jié)合區(qū)域變質(zhì)巖巖性地質(zhì)圖，提出該地區(qū)850Ma前的韌性剪切帶是在薩法爾古板塊沿北西向向非洲板塊俯沖形成的，并伴隨同期的長(zhǎng)英質(zhì)巖漿噴出，從而使得該地區(qū)具有熱剪切的特征[11]。該類研究的特點(diǎn)是微構(gòu)造和大構(gòu)造在形成時(shí)間和應(yīng)力場(chǎng)等方面有很好的耦合性。但是該類研究常常忽略板塊自身旋轉(zhuǎn)帶給應(yīng)力軸的改變，且作者有將大構(gòu)造和微構(gòu)造生硬“拼湊”的嫌疑。 b.與古地磁聯(lián)系

大量的研究表明, 巖石磁化率橢球體與巖石的構(gòu)造應(yīng)變橢球體的作用是等價(jià)的, 應(yīng)變橢球體的三個(gè)軸與磁化率橢球體的三個(gè)軸相互平行, 并具有一定的共構(gòu)關(guān)系。其研究成果將對(duì)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的恢復(fù)與傳統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變理論的驗(yàn)證方面起到重要作用[8]。然而，筆者認(rèn)為該方面存在以下一些漏洞（1）韌性剪切帶內(nèi)常常有多期變形存在，而已經(jīng)磁化后的巖石的剩磁方向不能隨第二期的變化而變化（2）巖石經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)，靜態(tài)重結(jié)晶后，無(wú)法排除區(qū)域重磁化的可能，切韌性剪切

帶中的流體也會(huì)對(duì)巖石的磁場(chǎng)有改變。（3）目前的磁組構(gòu)研究結(jié)果不能很好的解釋S-C面理的形成機(jī)制，二者甚至存在矛盾之處。 最后，在談?wù)劰P者認(rèn)為目前的研究中不足之處以及改進(jìn)方案。

1.大多數(shù)學(xué)者對(duì)顯微構(gòu)造的研究問(wèn)問(wèn)局限在二維平面，而筆者認(rèn)為，對(duì)韌性剪切帶的顯微觀測(cè)應(yīng)該在采集定向標(biāo)本的基礎(chǔ)之上，切制三個(gè)方向的定向薄片，從而從三維的角度來(lái)確定應(yīng)力主軸方向，最后，應(yīng)該將所有樣品的的面理，線理的結(jié)果用赤平投影的方式表現(xiàn)在圖件中。

2.從D=f(MEST)的法則來(lái)看，研究中在研究中常常忽略變形時(shí)間的因素。因此需要對(duì)韌性剪切帶中的巖石準(zhǔn)確定年，并結(jié)合大區(qū)域構(gòu)造，對(duì)其形成時(shí)代，經(jīng)歷時(shí)間進(jìn)行精確計(jì)算。

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