曾廣乾, 劉 南, 陳柏林

(1.中國地質科學院 地質力學研究所, 北京 100081; 2.自然資源部古地磁與古構造重建重點實驗室, 北京 100081;3.湖南省地質調查院, 長沙 410016)

流變學是研究地殼組成巖石和礦物在各種物理條件(溫度、 圍壓、 差應力、 應變速率、 應變方式等)下和化學環(huán)境(主要是氧逸度和水含量)中力學性質和變形行為的科學[1-2]。巖石的流變行為決定了巖石與巖石圈的表現(xiàn), 進而影響著板塊內(nèi)部的活動性, 是深化發(fā)展板塊構造理論、 探索大陸動力學的核心問題之一[2-9]。此外, 巖石變形與地震成因(地震破裂的成核、 擴展與演化)、 巖石變形的資源效應(尤其是韌性剪切帶型金礦), 一直以來是地震地質學家和礦床地質學家研究的重要課題[10-18]。

一般認為, 上部地殼巖石中由微破裂碎裂流動向晶質塑性的轉變, 即巖石變形機制由脆性向韌性變形的轉變, 主要控制因素包括成分、 溫度、 壓力、 差應力、 實驗變形中樣品的尺度、 粒度、 結構異向性和應變速率等[19-26]。 大量研究表明流體作用對巖石的流變行為產(chǎn)生著深刻的影響[27-34]。本文結合前人對流體作用與巖石變形機制的研究, 重點討論粵北塘洞韌性剪切帶中巖石變形特點, 側重強調流體相對于巖石變形的物理與化學效應。

1 流體相對巖石流變行為的作用

Sibson[35]依據(jù)對蘇格蘭高地Moine斷層構造巖的研究建立了經(jīng)典的斷層帶分區(qū)模式, 認為巖石脆性變形出現(xiàn)在地殼斷層帶上部(<10 km), 而韌性變形則在地殼斷層帶下部占主導地位(>15 km), 二者之間存在一轉變帶(溫度相當于250～350 ℃), 于此脆性與韌性變形機制以不同比例的組合形式出現(xiàn)。然而, 研究表明巖石可以在地殼較淺層次內(nèi)(較低溫)表現(xiàn)出韌性變形特征, 如含水鈣質巖石(5.5 km, 鐘增球等[36])、 灰?guī)r(3 km, 鐘建華[37])、 白云巖(<9 km, Newman等[38])、 石英砂巖(2 km, 侯泉林等[39])、 淺變質碎屑巖(5～8 km, 陳柏林[40])。高溫高壓流變實驗已證實, 流體的加入會使巖石的流變強度降低, 產(chǎn)生弱化效應, 并導致一定溫度-壓力條件下巖石由脆性向韌性轉變[41-43]。那么天然巖石的流變學行為與流體作用關系如何?由此引申出以下兩個問題:

1.1 如何識別巖石變形中存在流體作用

斷層活動過程中流體相作用的主要證據(jù), 包括壓溶紋[27]、 弱相新生礦物(如方解石、 石英、 綠泥石、 白云母)大量出現(xiàn)[30, 44]、 新生細小動態(tài)重結晶顆粒間三節(jié)點處微孔隙的存在, 以及斷層構造巖的陰極發(fā)光性特點及其變化[38, 45-46]等。此外, 一些研究者在塑性變形中發(fā)現(xiàn)名義上的無水礦物(長石、 石英、 石榴石)微量結構水的存在[47-48], 水以晶體缺陷水為主, 同時存在顆粒邊界水和包裹體水, 也是流體作用的重要依據(jù)。

1.2 流體對巖石變形的弱化機制

巖石與流體的相互作用可以較大程度地改變其流變學結構, 流體相參與條件下的巖石弱化機制主要有水解弱化、 反應弱化和升溫效應。

(Ⅰ)水解弱化。Griggs等[49]首先提出了水解弱化的概念, 指巖石、 礦物遭受流體相作用時其力學強度降低, 易于形成位錯而發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。然而, 關于水解弱化的微觀機制, 一直以來存在廣泛爭論, 其中較有影響力的是Griggs等[49]提出的原子替代機制, 認為水以間隙水缺陷的形式進入石英晶格中, OH替代O, 使原來的Si—O—Si鍵在OH作用下形成Si—OH·HO—Si鍵, 而變形過程中破壞Si—O鍵需要的能量(5 eV)明顯高于破壞Si—OH·HO—Si鍵所需能量(1 eV)[50]。

此外, 諸多學者針對水解弱化現(xiàn)象還提出了其他可能的微觀機制: ①流體相可促進位錯生長[51]; ②可促使出現(xiàn)由位錯滑移引起的恢復作用[52]; ③導致位錯攀移更易形成, 并提高恢復作用的速率[53]; ④使得新生位錯更易成核[54]; ⑤ 使礦物晶體界面張力減小, 增加晶體表面位錯出露概率[52]。

(Ⅱ)反應弱化。巖石變形過程中發(fā)生涉及以水為主要組成的流體相的變質反應, 新形成的含水礦物比原礦物具更低的流變強度, 巖石中能干性強相組分減少, 從而使巖石整體具有較低的強度而更易于韌性變形, 稱之為反應弱化[33]。如角閃石加水退變反應形成黑云母、 石榴石退變形成黑云母或綠泥石等。在長英質巖石變形過程中, 水的加入會導致長石向應變較弱的白云母轉變, 進而引發(fā)韌性變形[55-56]。

(Ⅲ)升溫效應。相對熱的地質流體, 對于變形巖石具有烘烤或加熱效應, 使得變形巖石產(chǎn)生熱恢復與重結晶, 并促進變形巖石中晶格缺陷或位錯發(fā)生廣泛的遷移與活動[31, 57], 進一步引起弱化效應。

2 流體作用對塘洞韌性剪切帶的影響

關于流體相對巖石變形行為的影響, 前人做過大量實驗研究, 主要集中在顯微與亞顯微尺度?；洷碧炼错g性剪切帶則提供了這一構造地質現(xiàn)象的宏觀觀察和微觀解析的契機。

2.1 塘洞韌性剪切帶宏觀變形特征

塘洞韌性剪切帶大地構造位置處于華夏地塊北西緣(圖1a), 發(fā)育在諸廣山復式花崗巖內(nèi), 切割印支期巖體(圖1b、 圖2)。韌性剪切帶總體走向NE45°, 長度約10 km, 寬100～300 m, 糜棱巖面理優(yōu)勢產(chǎn)狀為45°/NW68°。面理面上拉伸線理不甚發(fā)育, 主要由石英的定向拉伸排列而成(圖3e、 圖4d), 測得少量線理產(chǎn)狀, 朝NE或SW方向以小角度傾伏, 優(yōu)勢產(chǎn)狀為44°/NE10°或226°/SW15°(圖1b、 c)。花崗巖的韌性變形從中心向兩側逐漸減弱, 由糜棱巖向初糜棱巖轉變。帶內(nèi)主要為細長條狀的石英、 長石, 其次為綠泥石和白云母, 它們互層排列顯示面理構造, 礦物組合顯示了綠片巖相的變質特征。其中石英的拉長由塑性變形引起, 而長石晶體發(fā)育脆性變形, 其“拉伸”實為碎裂流動引起的礦物定向, 指示變形溫度偏低, 在300～450 ℃[56](未扣除流體升溫效應), 這與A-A′剖面反映的應變強弱相間的不均一性相吻合(圖2a)。

圖1 華南及鄰區(qū)大地構造圖(a)、 塘洞韌性剪切帶及周緣地質構造簡圖(b， 據(jù)文獻[58]修改)與塘洞韌性剪切帶構造要素等角度下半球投影(c)

黃海玲等[59]通過對S-C組構的研究, 認為塘洞韌性剪切帶為逆沖兼左行走滑的運動學特征, 但所述S-C組構實則顯示為右行走滑。舒良樹等[60]對剪切帶內(nèi)不對稱長石碎斑的研究, 亦認為該剪切帶具左行走滑運動學方向, 然而, 其指向判斷所依據(jù)的碎斑系具有較大的長寬比, 易受剪切過程中純剪組分的影響而發(fā)生反向旋轉, 不能作為獨立的剪切指向標志[61]。筆者通過系統(tǒng)的野外地質調查發(fā)現(xiàn), 該韌性剪切帶以壓扁變形為主, 兼具右行走滑運動學特征, 證據(jù)有: ①面理面上線理欠發(fā)育, 表明帶內(nèi)巖石以壓扁變形為主; ②少量線理發(fā)育地段, 石英顆粒在XZ面(垂直面理、 平行線理)和YZ面上(垂直面理與線理)的延伸相差較小; ③A-A′剖面(圖2a)上初糜棱巖帶中發(fā)育一較局限的糜棱巖帶, 該帶走向與面理總體走向約呈10°相交(圖2b), 這一糜棱巖帶可能是主帶右行剪切所引起的局部應變強化; ④C-C′剖面(圖2d)上韌性剪切帶以碎裂石英帶為界, 南東側(初)糜棱巖中和北西側面理化石英脈中面理分別以高角度傾向北西(圖4a、 b)和南東(圖4c), 二者構成共軛關系, 但其夾角大于鄭亞東等[62]提出的韌性變形域共軛剪切帶夾角, 兩組面理面上正壓力為主, 剪應力較弱; ⑤剪切帶內(nèi)S-C組構(圖3f, 圖4e)、 等形旋轉碎斑(圖3g, 圖4f)顯示了非常清晰的右行走滑運動學指向; ⑥糜棱巖中還發(fā)育一組間隔的、 近平行的小型剪切帶(圖4g、 h), 即伸展褶劈理 C′, 是在同一遞進變形過程中較晚的增量應變期間形成的[63]。利用伸展褶劈理法(C′法)計算瞬時運動學渦度, 根據(jù)式Wk=sin(70°～2ε)[64], 求得Wk=0.34, 說明晚期遞進變形以純剪為主。

圖2 塘洞韌性剪切帶聯(lián)合剖面圖(位置見圖1)

圖3 塘洞韌性剪切帶B-B′剖面野外露頭構造特征(位置見圖2c)

圖4 塘洞韌性剪切帶C-C′剖面野外露頭構造特征(位置見圖2d)

2.2 塘洞韌性剪切帶顯微變形特征

等形旋轉碎斑、 S-C組構等指向標志的運動學方向與露頭尺度觀察結果一致(圖5a、 b), 證實了塘洞韌性剪切帶為右行走滑。利用石英條帶重結晶斜列顆粒長軸方位與剪切方向(C面理)的夾角即θ, 根據(jù)式Wk=sin 2θ[65-66], 計算得到該剪切帶的渦度值為0.67(<0.71[67]), 進一步說明該剪切帶應變方式以純剪切作用即壓扁作用為主。顯微觀察揭示出, 長石在未變形花崗巖、 初糜棱巖和糜棱巖中的含量依次降低, 而石英和絹云母含量依次增加, 指示變形帶中發(fā)生了高強度的長石向低強度的含水礦物絹云母和石英轉變的吸水變質反應(圖5)。長石在剪切過程中呈現(xiàn)脆性變形特征, 大量微破裂、 裂隙切割長石顆粒, 根據(jù)這些微裂隙的發(fā)育程度可分為孤立型、 連接型和貫通型, 反映微破裂的遞進式發(fā)育過程。長石的微裂隙作用始于顆粒邊界(圖5d), 尤其集中在顆粒的三節(jié)點處。變形微弱時, 沿著顆粒邊界或者三節(jié)點分布的微裂隙在巖石(礦物)中互不連通, 孤立存在, 并且隨機分布(圖5d、 e、 f)。隨著應變作用的增強, 相鄰的微破裂連接在一起, 形成較大規(guī)模的破裂(圖5f、 g、 h)。隨著應變作用的進一步加強, 破裂作用的擴展沿著應力集中的強變形帶出現(xiàn), 造成長石呈殘斑狀或“云影”狀產(chǎn)出(圖5i)。這些顆粒邊界亦或強變形帶, 也正是流體活動所在的場所。無論是孤立的顆粒邊界破裂、 三節(jié)點破裂、 亦或強變形破裂帶, 它們普遍構成巖石中流體通道, 因而于其中形成新生礦物相(新一世代的石英和絹云母)。

圖5 塘洞韌性剪切帶顯微變形特征(+)

2.3 流體作用與巖石流變?nèi)趸?/h3>

塘洞韌性剪切帶宏觀變形特征顯示流體相對變形巖石流變強度的弱化。一方面, 在橫向上, 塘洞韌性剪切帶結構存在明顯的不對稱性, 而這一現(xiàn)象與石英脈的發(fā)育有很好的耦合關系, 體現(xiàn)在: 空間同位——在B-B′(圖2c)和C-C′(圖2d)剖面上, 剪切帶由中心向南東側以糜棱巖帶向初糜棱巖帶的轉變向未變形花崗巖過渡, 而北西側缺少初糜棱巖帶, 強變形糜棱巖帶與面理化石英脈帶直接接觸(圖3a、 b), 表明流體相對巖石起到了流變?nèi)趸饔? 加強塑性變形; 變形同步——兩剖面上石英脈發(fā)育糜棱巖面理, 其中B-B′剖面石英面理產(chǎn)狀與(初)糜棱巖帶中一致(圖3c、 d),C-C′剖面石英面理產(chǎn)狀則與(初)糜棱巖帶中面理產(chǎn)狀呈共軛關系; 蝕變增強——靠近面理化石英脈一側, 糜棱巖中白云母(絹云母)、 綠泥石含量明顯增高, 表明流體的參與激發(fā)了強烈的水巖反應, 導致長石向流變強度較低的含水礦物相的轉變。一般來說, 花崗質巖石可視為均質地質體, 在不存在先期構造擾動的情況下, 發(fā)育其中的構造變形應呈現(xiàn)對稱式結構。同時, 塘洞韌性剪切帶為一高角度的、 以壓扁為主兼具右行走滑的變形帶, 理應具有對稱的結構樣式。因此, 該韌性剪切帶所展現(xiàn)出來的橫向不對稱性應該是流體作用的結果。另一方面, 在走向上,A-A′剖面相對B-B′剖面和C-C′剖面而言, 在其北西側缺少大量石英脈發(fā)育, 而與之相應的是A-A′剖面上糜棱巖帶與初糜棱巖呈強弱相間產(chǎn)出, 顯示出變形的不均一性特點, 且糜棱巖發(fā)育寬度僅數(shù)米, 遠小于其他兩條剖面, 即巖石的韌性變形強度相對較弱。這一現(xiàn)象進一步說明流體相的介入可能是巖石弱化而易于發(fā)生韌性變形的重要因素。

顯微觀察亦揭示塘洞韌性剪切帶中流體相作用與水巖反應。長石中微破裂、 裂隙普遍發(fā)育, 各條微破裂可以孤立地出現(xiàn), 亦可以彼此相連、 互相貫通, 并為流體活動提供適合的通道, 使得流體相能夠彌散于高應變帶及高應變晶體內(nèi)。微破裂的發(fā)育加速了長石的吸水變質反應而向低強度的石英和絹云母組合的轉變, 原巖中能干性強相組分減少, 使得巖石整體具有較低的強度而相對更易于發(fā)生韌性變形, 稱為反應弱化[33]。此外, 新形成的含水礦物相具有較低的流變強度, 引起濕的和干的巖石之間出現(xiàn)顯著的流變性差異, 造成應變局部化[68]。

3 討 論

3.1 流體作用促進塘洞剪切帶韌性變形的機制探討

塘洞韌性剪切帶北西側大量石英脈的發(fā)育、 顯微尺度上微破裂及其間新生絹云母和石英的存在, 是富硅質流體作用的最直接證據(jù)。盡管部分石英脈和絹云母可能是韌性剪切變形之前或之后出現(xiàn)的, 但它們與韌性變形強度具有明顯的正相關性, 因此其主體應該是與韌性剪切變形同步形成。那么, 一個重要的問題是這些富硅質流體在增加塑性變形中起到什么樣的作用?或者說通過什么機制導致巖石流變?nèi)趸晚g性變形的加強?一個至關重要的弱化機制是反應弱化。在韌性剪切變形過程中, 長石一方面作為殘碎斑晶表現(xiàn)出脆性破碎; 另一方面則是變形導致長石分解, 形成石英和絹云母, 造成糜棱巖中高強度的長石含量減少而低強度的石英和絹云母含量增加, 從而降低了巖石整體的流變強度, 使之更易于發(fā)生韌性變形。

目前， 糜棱巖及糜棱巖化過程中化學成分、 礦物成分變化的研究已經(jīng)非常深入[69-71], 其中化學成分的變形使Si及Ca、 Na等組分被帶出, 但由于長石分解形成石英和絹云母, 因而SiO2雖有較多帶出、 總量減少, 但石英相對含量是增加的[72]。在韌性變形過程中, 富硅質流體從糜棱巖中遷出, 并在密度差的驅動下, 其運移方向為由深部向淺部、 由中心向邊部, 最后在傾向北西的塘洞韌性剪切帶北西側(相對上部)析出結晶形成石英脈。這些來源于深部的流體相溫度高于其就位圍巖溫度, 因此, 流體攜帶熱量可能造成巖石的升溫效應而使之韌性變形得以加強。

值得指出的是, 前人通過大量的對“干”和“濕”條件下的巖石、 礦物的對比實驗研究表明, 水或流體的介入影響巖石、 礦物變形行為, 使得巖石、 礦物力學強度降低, 易于形成位錯而引起塑性變形, 水解弱化是引起巖石、 礦物流變?nèi)趸闹匾獧C制[51, 54, 57]。對于塘洞韌性剪切帶中巖石的這一微觀變形機理, 難以用對比實驗進行驗證, 但不排除水解弱化效應這一重要的微觀弱化機制是流體相作用的方式之一。

3.2 同構造脈體的判別與地質年代學制約

對于韌性變形年代學的研究, 前人多采用同構造云母40Ar/39Ar法測年[73-75]。近年來, 一些學者嘗試用同構造脈體年齡限制變形時代。任升蓮等[76]對洛欒斷裂帶糜棱巖中的同構造期石英脈進行了ESR測年, 獲得了372.9±30.0 Ma的變質流體形成年齡, 與宋傳中等[77]獲得的云母40Ar/39Ar年齡372 Ma一致, 反映了這一期強糜棱巖化變形時代。孟元庫等[78]對藏南曲水韌性剪切帶內(nèi)同構造剪切長英質脈體的LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年, 較好地限制了剪切帶的形成時限。唐淵等[79]對滇西崇山韌性剪切帶內(nèi)深熔作用形成的同剪切電氣石花崗巖脈進行了LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年, 限定了該剪切帶南段左行剪切作用的起始時間。

采用此類方法限定韌性變形時間最關鍵的問題是如何確定脈體與剪切活動的先后關系, 即如何區(qū)分剪切前、 剪切后及同剪切脈體。其中剪切后脈體一般可根據(jù)其與韌性剪切帶的交切關系、 不發(fā)育韌性剪切變形等特征進行判定, 而剪切前和同剪切構造脈變形行為較為相似, 因而較難辨別。前人為此提出了諸多判別準則[80-85], 歸納起來, 同剪切脈體主要有以下特征: (1)局限在韌性剪切帶內(nèi)分布, 帶外幾乎不發(fā)育同類型脈體; (2)平行剪切面理發(fā)育, 出露規(guī)模和寬度不一; (3)不發(fā)育明顯的烘烤邊或者冷凝邊; (4)同構造長英質脈巖中長石往往平行面理呈拉長狀, 其內(nèi)雙晶面平行于面理; (5)往往形成于剪切作用初期, 與圍巖遭受相同強度的變形, 如果形成于剪切作用末期, 則脈體內(nèi)部構造變形相對較弱; (6)同剪切長英質脈體中鋯石形態(tài)為半自形—自形, CL圖像往往呈現(xiàn)暗灰色, 無分帶、 弱分帶、 斑雜狀分帶或海綿狀分帶, 常常具有骨架狀結構, Th/U值相對較低, 具有變質鋯石的特征。

除上述判定標準外, 流體作用導致巖石的流變?nèi)趸矐橇黧w來源于同構造析出的重要證據(jù)。塘洞韌性剪切帶北西側石英脈發(fā)生同構造韌性變形, 說明石英脈形成于韌性變形同期或早于韌性變形, 結合流體的弱化效應造成韌性變形橫向上的不對稱性推斷, 石英脈所代表的流體介入應與韌性變形同期, 為同構造分泌結晶脈。筆者對面理化石英脈進行了包裹體Rb-Sr年代學研究(筆者未發(fā)表資料), 獲得了155.8±3.9 Ma(MSWD=0.95)的等時線年齡, 表明該韌性剪切帶形成于早燕山期, 該年齡與區(qū)域上巖漿活動、 變質事件時間和同構造云母40Ar/39Ar年齡一致[86], 表明同構造脈體形成時代一定程度上可對構造活動時限進行約束。

4 結 論

(1)流體相的介入可以較大程度地改變變形過程中巖石的流變學行為, 使巖石發(fā)生應變?nèi)趸子谒苄宰冃? 流體作用導致的巖石弱化機制主要有水解弱化、 反應弱化和升溫效應。

(2)發(fā)育在印支期花崗巖中的高角度的、 以壓扁為主兼具右行走滑特征的塘洞韌性剪切帶, 所展現(xiàn)出的西強東弱、 南強北弱的宏觀變形特點, 是以大量富硅流體貫入為標志的流體作用, 通過反應弱化(長石向石英、 絹云母轉化)、 升溫效應和(或)水解弱化等機制塑造。

(3)流體作用導致巖石的流變?nèi)趸勺鳛榱黧w來源于同構造析出的重要證據(jù)。塘洞韌性剪切帶內(nèi)北西側大量發(fā)育的面理化石英脈為韌性剪切變形同構造分泌結晶脈, 對同構造石英的年代學分析將塘洞韌性剪切帶活動時代限定在早燕山期。