对韧性剪切带形成深度和变形环境研究方法与研究内容的想法

对韧性剪切带形成深度和变形环境与研究内容的想法

1001121419 张琦玮

韧性剪切带是岩石在塑性状态下连续变形形成的狭长高应变带，是中深-深地壳的主要构造类型。其规模大小不一，大尺度韧性剪切带绵延数千公里而微型的只能在岩石薄片中观察到。伴随其发育的构造特征有新生S-C面理，鞘褶皱，岩石的糜棱岩化等等。而关于对韧性剪切带形成深度和变形环境的研究，我想从以下四点阐述我的观点：

1.对于尚未折返的韧性剪切带，可

以通过大陆钻探直接确定韧性剪切

带深度。例如，从苏鲁超高压变质

地体南部的中国大陆科学钻探工程

( CCSD) 主孔深度来看，1596 -2038

m 的榴辉岩段和2038 -2500 m 的片

麻岩段之间存在一条厚一百余米的

韧性剪切带( 深度2010 -2145

m )[1,10] （见图1）

2.从岩石角度来看，影响岩石变形

因素有温度，压力，应力和时间。

通过定量分析区域尺度或显微尺度

的岩石变形，运用构造解析的手段可以推测其受力状况，所处的温压条件，进而推测其形成深度。

例如：吴新国等据云母的扭折特征推测膝折带的形成温度高于250℃,压力大于2000MPa。由此,按地温向深处递变规律推断韧性剪切带形成的地壳深度大于10 km[2]。

3.从地球物理学的角度看。在地震测深剖面中, 壳幔韧性剪切带主要表现为莫霍界面附近横向速度的突变和莫霍界面埋深突然变化, 主要标志有波组有明显的不连续现象, 如震相的错断、转折和衰减等现象在地震测深剖面速度结构分布型式上, 地震界面速度及层间速度有明显的差别和变化

不同炮点异向观测控制的相邻地震界面由同一性质震相计算出的界面深度有明显差异与变化, 反映在地震测深剖面中, 莫霍界面位移幅度多在4~ 7 km,深反射地震剖面中, 壳幔韧性剪切带在莫霍界面或壳幔过渡带反射层突然中断, 或显示为亮点,天然地震面波层析成像速度结构显示, 壳幔韧性剪切带通过地段及附近Vp、Vs 速度值较低。因此通过解析地震刨面可以分析韧性剪切带的变形环境和形成深度[3]。

3.从地球化学的角度来看，可以使用矿物温压计，进行温度压力的计算。其中，最常用的的是白云母温压计。齐金忠等[4]通过矿物组合、矿物变形特征以及白云母—绿泥石地质温度计得到郯庐早、晚两期剪切带的形成温度均为400～450 ℃。通过多硅白云母Si 原子数地质压力计计算得到早、晚两期剪切带的形成压力分别为0. 25～0. 36 GPa

和0. 24～0. 39 GPa（见图2）因此，可以通过分析韧性剪切带内白云母的Si离子得到其形成的温压条件，再通过正常的低温梯度反算形成的温度。

图2 白云母硅离子数与温度压力的关系(据Velde,1987）

4.最后在谈谈目前使用广泛的EBSD方法。EBSD组构分析是通过分析晶体背散射衍射图像来确定晶轴方向,进而确定晶体颗粒排列的取向性的。其特点与费氏台石英组构分析较类似，但EBSD可以更精确地分析糜棱质中的细小石英颗粒，而且测试颗粒多（一般测量5000~20000）个数据，所以能更客观地反映样品中矿物颗粒排列的优势方位。例如,中国地质科学院地质研究所齐金忠[4]在对南苏鲁高压变质带研究中，使用EBSD方法（每个样品扫描10帧，每帧扫描范围为0.8×1mm2 ，(扫描步长为15μm作图采用下半球投影，统计半径为10°极点等密度线以所占百分数表示）。得出那苏鲁地区的韧性剪切带中石英组构有三种 低温底面组构,形成温度低于300°滑移系为{0001} 中低温菱面组构形成温度为440~500°滑移系为{1101} 中温柱面组构形成温度为550~650滑移系为{1010}。可见该区岩石经历了从中温—中低温—低温的一系列韧性变形过程。

而在宏观上保存完好的变形应为晚期低

温韧性变形。另外,从上述EBSD石英组构图反映的剪切指向来看，中低温以及低温组构均以SE-NW的剪切指向为主而由NW-SE的剪切指向发育较差,镜下显微结构也显示由SE-NW的逆冲剪切为主要剪切指向,而NW-SE的剪切指向少见,与EBSD石英组构特征相吻合，在露头尺度上所见的后期低温韧性变形的剪切指向均为从SE-NW向,早期的中低温低温滑脱剪切指向NW-SE则难以见到。

图3 南岗-高公岛韧性剪切带石英EBSD组构（据齐金忠，2005）

下面谈谈我对韧性剪切带研究内容的想法：

目前，对韧性剪切带的认识主要有一下几个方面的研究。

1.对韧性剪切带形成的理论研究。主要通过野外观察和镜下数据，结合数字模拟实验，进行严密的理论推导和验证。例如：中国地质大学武汉的王学滨基于应变梯度理论，构建韧性剪切带模型。个人认为，此类研究存在的问题，

是模拟实验的结果不能很好的与实际的野外的

结果匹配，且模拟实验常常忽略变形时间，变形速率。因此建议在简化模型的基础上，尽量多考虑实际影响因素，如：岩浆作用，地层能干程度差异，及设计不同应变速率下的实验，使得研究更加接近实际工作情况，为野外研究提供理论指导。

2.从岩石学的角度，研究韧性剪切带中变质岩的构造特点形成条件。其具体内容包括观察并测量岩石的叶理，线理S-C组构，压力影等显微构造的方向，并使用地质温压计估计其形成温压条件。虽然此类研究是较为传统的地质学手段，但是许多文章对这些微型构造仍处在描述性阶段，笔者希望研究人员能将观测到的定向标本中的线理，面理用赤平投影的方式表示出来，使研究结果更具科学性。此外，目前糜棱岩岩石学研究的热点是对韧性剪切带变形岩在天然强剪切应力作用条件下常量元素迁移机制及活化转移的应力排序、微量元素迁移的动力控制、稀土元素配分变化的研究，其研究成果将对动力成岩(成矿)机理的认识有重要的突破,具有重要的理论意义和潜在应用价值

[6]。例如：由于在深部温度高、压力大、岩石塑性大, 韧性剪切变形的影响, 使Au的化学位升高, 且变形越强, 化学位越高, 具有高化学位的元素是不稳定的, 将脱离原来的矿物或岩石中的赋存部位, 与其他成矿元素(Si ,K,H2O)及等组分一起被活化分异, 形成含金热液(或称动力变质热液),因此, 深层次韧性变形是金等成矿元素的活化迁出区, 其结果是韧性剪切变形越强, 岩石中Au 等成矿元素含量越低。在浅部, 由于温度、压力偏低, 韧性变形较弱, 主要表现为脆性破碎, 元素化学位降低, 加上其他物理化学条件如PH值、Eh值等的

改变 , 导致Au等成矿元素聚集, 形成矿床[7]。

3.目前看来新的韧性剪切带的研究常常以学科交叉的形式体现。 a.与大区域构造联系

该类研究常常“以小见大”，从显微尺度的韧性剪切带的剪切方向延伸到区域尺度，并用大地构造，（板块俯冲，板块走滑，陆内拉张）的理论解释韧性剪切带的.形成原因。例如，Abdel-Rahman Fowler 在对埃及布鲁特地区进行研究时，对布鲁特地区的斜长片麻岩和斜长角闪岩的面理和线理的产状特征进行详细的测量，并用EBSD方法和地质温压计恢复其形成条件。结合区域变质岩岩性地质图，提出该地区850Ma前的韧性剪切带是在萨法尔古板块沿北西向向非洲板块俯冲形成的，并伴随同期的长英质岩浆喷出，从而使得该地区具有热剪切的特征[11]。该类研究的特点是微构造和大构造在形成时间和应力场等方面有很好的耦合性。但是该类研究常常忽略板块自身旋转带给应力轴的改变，且作者有将大构造和微构造生硬“拼凑”的嫌疑。 b.与古地磁联系

大量的研究表明, 岩石磁化率椭球体与岩石的构造应变椭球体的作用是等价的, 应变椭球体的三个轴与磁化率椭球体的三个轴相互平行, 并具有一定的共构关系。其研究成果将对区域构造应力场的恢复与传统应力应变理论的验证方面起到重要作用[8]。然而，笔者认为该方面存在以下一些漏洞（1）韧性剪切带内常常有多期变形存在，而已经磁化后的岩石的剩磁方向不能随第二期的变化而变化（2）岩石经过动态，静态重结晶后，无法排除区域重磁化的可能，切韧性剪切

带中的流体也会对岩石的磁场有改变。（3）目前的磁组构研究结果不能很好的解释S-C面理的形成机制，二者甚至存在矛盾之处。 最后，在谈谈笔者认为目前的研究中不足之处以及改进方案。

1.大多数学者对显微构造的研究问问局限在二维平面，而笔者认为，对韧性剪切带的显微观测应该在采集定向标本的基础之上，切制三个方向的定向薄片，从而从三维的角度来确定应力主轴方向，最后，应该将所有样品的的面理，线理的结果用赤平投影的方式表现在图件中。

2.从D=f(MEST)的法则来看，研究中在研究中常常忽略变形时间的因素。因此需要对韧性剪切带中的岩石准确定年，并结合大区域构造，对其形成时代，经历时间进行精确计算。

参考文献

[1]唐哲民，陈方远，2007，岩石学报，剪切指向转换的韧性剪切带的EBSD特征及运动学研究。Vol 23.No12

[2]吴新国等，2004雅鲁藏布江缝合带内韧性剪切带的地质特征及其意义，大地构造学与成矿学，Vol 29.No2

[3]蔡学林等2008，中国大陆岩石圈壳幔韧性剪切带系统，地学前缘，Vol. 15 No. 3

[4]齐金忠等，2005 南苏鲁高压变质带南岗

32.No2

[5]王学滨等，2002，地质力学学报，基于应变梯度理论的韧性剪切带理论研究。Vol 8 No1

[6]杨晓勇，2005，论韧性剪切带研究及其地质意义，地球科学进展。Vol 20。No7

[7]陈柏林等，1999韧性剪切带型金矿成矿模式，地质论评，Vol 45。No2

[8]崔可锐等.1998，岩石磁组构在构造混杂岩带研究中的应用—以西天山地区为例，地球物理学进展，Vol 13。No1

[9]聂江涛等，2010煎茶岭韧性剪切带的厘定及其地质意义.大地构造与成矿学，Vol34.No1

[10]陈意等。2004，韧性剪切带中片麻岩和超高压榴辉岩800-1200米岩心的证据。岩石学报 Vol 20. No1

[11]Abdel-Rahman Fowler etc.2006 The significance of gneissic rocks and synmagmati

[12]Eric C. Ferré etc.2014Deformation and magnetic fabrics in ductile shear zones: A review.Tectonophysics..Tecto126262.No of page 10

[13]Nibir Mandal etc,Problem of folding in ductile shear zones,a theoretical and experimental investigation.Journal of Structural Geology 26 (2004) 475–489

[14]P.Bhattacharyya,P.Hudleston 2001，strain in ductile shear zones in the Caledonides of northern Sweden a three-dimensional puzzle 23(2001)1549-1565

[15].Cao J M, Zhu J S, Wu D C.1994, Velocity structure of the crust in east ern Qinling mountain[ J] . Journal of C hengdu Inst itut e of Technology, 21( 1) : 11-17( in Chin ese) .