秦嶺商丹斷裂帶的構造變形與形成環境分析

涂文傳， 宋傳中， 任升蓮， 李加好， 張 歡， 張 妍， 王 中

（合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽合肥 230009）

秦嶺造山帶內的商南－丹鳳（簡稱商丹）斷裂帶是華北板塊與揚子板塊的構造縫合帶，具有復雜的構造組合和多期的演化過程，具有構造劃分性質的斷裂邊界地質體組合帶［1－10］，如圖1所示。本文從野外觀察測量入手，結合室內顯微構造分析和溫壓條件判定，對商丹斷裂帶的變質、變形特征進行了分析和研究，通過構造解析的方法深入認識該斷裂帶變質、變形特征和形成環境。

圖1 秦嶺商南－丹鳳斷裂帶構造略圖

1 商丹斷裂帶的地質構造特征

商丹斷裂帶主體位于東秦嶺，研究區內沿丹鳳、商南和西峽一線總體呈北西西向展布，向西繼續延綿近千公里，寬幾公里至數十公里。斷裂帶為一構造特征復雜，巖石組合多樣的混雜帶，斷裂帶北盤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、強變形、巖漿活動劇烈的結晶雜巖系；斷裂帶南盤以泥盆系劉嶺群變質砂巖為主。它們分別記錄了揚子板塊相對于華北板塊俯沖、碰撞的各個階段以及秦嶺造山帶演化的全過程。

1.1 商丹斷裂帶的宏觀構造特征

商丹斷裂帶內主要由長英質糜棱巖、片巖、片麻巖及不同程度變質的砂巖組成，且多呈帶狀相間分布。雖然多期變形明顯，但不同期次的構造特征仍可清晰區分。商丹斷裂帶兩側發育大量的緊閉褶皺、無根褶皺和逆沖斷層，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分別為斷裂帶北盤面理線理赤平投影；b、d分別為斷裂帶南盤面理線理赤平投影；其中弧線表示面理投影，黑點表示線理投影。寺坪－涌峪構造剖面圖（AB）如圖3所示。下營－寨根構造剖面圖（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糜棱巖中發育的片內無根褶皺，由圖5b可見斷裂帶北盤的片巖中夾的石英透鏡體呈S形，由圖5c可見斷裂帶南盤糜棱巖中的S－C組構，由圖5d可見斷裂帶南盤糜棱巖中的片內緊閉褶皺，由圖5e可見斷裂帶南盤糜棱巖中發育的S－C組構，由圖5f可見斷裂帶北盤云母片巖中發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

斷裂帶南北兩側的構造變形有所差異。斷裂帶的南側面理傾向北居多，多集中在345°～20°；傾角在41°～79°范圍內，變化較小，多集中在50°左右，以緊閉的等斜褶皺為主，多為不對稱褶皺或不對稱的無根褶皺，表現出南盤向北下降，北盤向南逆沖的運動學方向（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°，局部地區略有反常。而北盤大量的片內緊閉褶皺和片內鉤狀無根褶皺則反映了由南向北逆沖的運動學特征，且南北兩側都能見到指示左旋剪切的運動學組構，反映了華北和揚子兩大板塊的碰撞具有斜向匯聚的特征［11－13］。北盤鞘褶皺較發育，褶皺鞘尖端與水平a線理方向一致，兩者為同期構造，指示碰撞期深層巖石具有強烈塑性水平流動的特征（圖5b，圖5e）。

圖3 寺坪－涌峪構造剖面圖（AB）

圖4 下營－寨根構造剖面圖（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別。商丹斷裂帶西段面理比東段復雜多變，線理在南盤較少見，而北盤則偶爾見水平線理；東段斷裂帶兩側線理常見，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造；而北盤的傾向線理少見，水平線理較發育。可見，商丹帶南盤保留了部分俯沖期的線理構造，北盤由于造山期的擠壓作用使得巖層發生水平塑性流動，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造特征

研究區內，商丹斷裂帶兩盤的巖石發育多期韌性－脆性變形，及其過渡類型——脆韌性變形作用，相應地產生一系列構造巖，以糜棱巖為主，含構造片巖。顯微構造研究發現，糜棱巖殘斑較發育，主要由斜長石、石英、黑云母和角閃石組成。長石碎斑主要表現為碎裂及碎裂流動，見機械雙晶、波狀消光、變形紋、核幔構造。石英多波狀消光、亞晶發育，同時也見核幔構造及被拉長的石英單晶條帶和重結晶作用形成的多晶石英條帶構造。角閃石殘斑變形以脆性為主，殘斑多發生旋轉，部分殘斑出現塑性變形，表明巖石變形溫度已超過450℃［14］。黑云母則以破裂和扭折為主。基質部分主要有石英、斜長石、黑云母、白云母及角閃石，其中石英的動態重結晶較發育且具有定向性；長石多為亞晶粒；黑云母和白云母顆粒細小呈微晶，弱變形定向排列；角閃石細針狀的新晶定向排列。殘斑系中的雪球構造、S－C面理等顯微組構均指示了左旋剪切的運動學特征［15－16］，如圖6所示。

圖6 商丹斷裂帶巖石顯微構造照片

由圖6a可見長石變形紋及核幔構造，由圖6b可見石英的核幔構造和SR重結晶，由圖6c可見角閃石呈S面理指示左旋剪切，由圖6d可見“σ”型殘斑指示左旋剪切。總之，鏡下觀察表明，商丹帶巖石經歷了高綠片巖相－低角閃巖相的變質作用。

2 商丹斷裂帶變形巖石的有限應變特征

巖石有限應變測量是應變分析的基礎，可用來量化某一點的應變狀態，求出3個主應變軸的相對比值，從而可以確定該點的應變橢球體形態，進一步得出應變強度［17－19］。通過了解斷裂帶應變特征而分析區域構造特征，進而推斷其形成機制和發展歷史，具有極其重要的意義。

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

結果顯示西段有限應變橢球體三軸比為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變測量分析數據

根據Watterson的研究方法，由實驗結果可進一步得出應變強度等值線，如圖7所示，結果表明西段和東段的巖石應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約0.49，對應的有限應變橢球體為扁形橢球體。東段巖石變形付林指數約0.06，有限應變橢球體接近于單軸旋轉扁球體，即鐵餅狀。這表明東段巖石壓扁程度比西段更強。

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

圖7 商丹斷裂帶變形巖石有限應變付林參數圖解

3 商丹斷裂帶巖石變質變形溫度的確定

糜棱巖化過程中，溫度對礦物的變形起著重要的作用。溫度升高可以大大加速變質反應速率和晶體生長，是礦物重結晶的重要因素。溫度升高還可以改變巖石的變形行為，導致脆性變形向塑性變形轉化。

同時影響礦物變形的因素還有流體活動、變形時間、應變速率等，但在自然條件下，應變速率、變形時間及流體活動等［20］對糜棱巖化的影響遠不如溫度的影響大［21］。

本文主要根據前人研究成果［21－28］，依據區內巖石中特征礦物（石英和長石）的重結晶類型來估計溫度，此方法誤差一般為±50℃。

商丹斷裂帶巖石中石英重結晶類型從鼓脹式（BLG）—亞顆粒旋轉重結晶（SR）—顆粒邊界遷移重結晶（GBM）都有發生，長石以脆性破裂為主，也多見塑性變形，偶爾見BLG重結晶，見表2所列。

結果表明商丹斷裂帶巖石變質變形溫度為380～650℃，集中于（500±30）℃，屬高綠片巖到低角閃巖相。其中東段以SR重結晶為主，巖石變質變形的溫度范圍為400～650℃。斷裂帶南盤溫度相對于北盤較低，而且從斷裂帶中心往兩側溫度都呈降低的趨勢。西段的石英重結晶類型則少見GBM，以BLG重結晶和SR重結晶為主，溫度相對于東段較低，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相對于南盤略高的特征，且斷裂帶中部溫度較高，遠離斷裂帶溫度均有下降的趨勢。在西段的丹鳳地區北盤溫度遠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中粗黑線的長度表示溫度的估測范圍。

圖8 商丹斷裂帶橫剖面溫度變化圖

4 變形巖石石英優選組構分析

電子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction，簡稱EBSD）組構分析技術是通過晶體背散射衍射圖像來確定晶軸方向，進而確定晶體顆粒排列的取向性，近年來在地質學領域發展迅速。文獻［29］總結了石英組構與滑移系及變形溫度之間的關系：① 低溫底面組構，形成溫度小于350℃，滑移系是｛0001｝〈a〉；②中低溫菱面組構的形成溫度是350～450℃，滑移系為｛1011｝〈a〉；③中溫柱面組構形成溫度為450～550℃，滑移系為｛1010｝〈a〉；④高溫柱面組構的形成溫度大于650℃，滑移系為｛1010｝〈c〉。本文基于此認識，利用EBSD技術，對商丹斷裂帶西坪地區變形巖石中石英優選組構進行測試與分析。

所選6個樣品分別為長石石英片巖（XN1）、二云石英片巖（XN5）、長英質糜棱巖（XN11、XN15）、長英質初糜棱巖（XN16）及云英質片麻巖（XN20）（位置見圖1）。測試工作在合肥工業大學分析測試中心掃描電子顯微鏡JSM－6490LV（日本）上完成。測試結果表明，商丹斷裂帶西坪地區變形巖石石英組構類型主要為中低溫（350～450℃）菱面〈a〉滑移，也見低溫（＜350℃）底面〈a〉滑移（XN1，XN5，XN11、XN16），如圖9所示。

對比分析可見，越靠近斷裂帶中心，石英組構表現出由菱面〈a〉滑移系向柱面〈a〉滑移系漸變的趨勢，表明了越靠近斷裂帶中心，溫度逐漸上升的趨勢，其中斷裂帶中心位置的XN16出現了近柱面｛1010｝〈a〉滑移的中溫組構，同時也出現了菱面｛1011｝〈a〉滑移和底面｛0001｝〈a〉滑移，表明了商丹斷裂帶經歷了低溫—中低溫—中溫遞進變形過程。EBSD測試結果與溫度估算結果一致，同時測試結果還顯示了所測巖石都以左旋剪切為主的運動學特征，與野外觀測和室內研究所得結果一致。

圖9為下半球投影，其中，X為拉伸線理方向，N為測點數，max為最大密度，min為最小密度。

圖9 商丹斷裂帶西坪地區的石英晶格C軸優選方位（EBSD測量，XZ面切片）

5 結 論

通過野外觀察和室內綜合研究分析，對商丹斷裂帶取得如下認識：

（1）商丹斷裂帶南盤面理基本向北傾，北盤面理則基本南傾，斷裂帶內及兩盤運動學特征為逆沖兼左旋，其形態為正花狀構造。東段西坪地區斷裂帶南盤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。斷裂帶南北盤線理差異明顯，北盤則以水平流變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地塊的相對抬升引起的。

（2）商丹斷裂帶的巖石變形機制以動態重結晶作用、位錯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應力作用下發生的，表明了商丹斷裂帶發生過強烈的擠壓碰撞作用。

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

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

（5）EBSD石英優選組構測試分析結果表明，斷裂帶西坪地區巖石石英C軸組構以中低溫菱面〈a〉組構及低溫底面〈a〉組構為主，部分見中溫柱面〈a〉組構。

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