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    内蒙古大青山高级变质岩韧性剪切带及其流变机制

    刘正宏 潘博文 李鹏川 朱凯 董晓杰

    引用本文:
    Citation:

    内蒙古大青山高级变质岩韧性剪切带及其流变机制

      作者简介: 刘正宏(1960-), 男, 教授, 主要从事构造地质学与区域地质调查研究.
    • 基金项目:

      国家自然科学基金 41272223

      国家自然科学基金 41772212

      国家自然科学基金 41230206

    • 中图分类号: P588.3;P551

    Ductile Shear Zone in High-Grade Metamorphic Rocks and Its Rheomorphic Mechanism in the Daqing Mountain Area, Inner Mongolia

    • 摘要: 大青山高级变质岩不仅记录华北克拉通早期大陆形成演化历史,也保留了中下部地壳岩石流变信息,它们经历了下部地壳构造层次高角闪岩相-麻粒岩相条件变质变形、深熔作用改造,形成了复杂构造样式和构造要素组合.韧性剪切带是高级变质岩中主要构造形迹,控制着早前寒武纪高级变质岩主体构造格架.依据野外地质产状、变形特征与构造要素叠加改造关系,韧性剪切带划分为早期近水平顺层伸展型和晚期陡倾韧性剪切带.近水平顺层伸展韧性剪切带呈残留状保留在后期变形改造较弱部位上,主要沿着不同地质单元或者岩性层界面上发育,是在伸展变形体制下形成的.晚期陡倾韧性剪切带呈近东西方向展布,规模较大,叠加和改造早期构造形迹,形成于晚期造山挤压构造环境中,以左行滑移为主.这两种韧性剪切带都形成于地壳中深部构造层次高角闪岩相-麻粒岩相条件下,变形机制主要为熔体增强颗粒边界扩散和颗粒流动,使岩石发生大规模的塑性流动.在宏观上形成了不对称流动组构、条纹条带构造、熔融线理、层内流动褶皱等构造形迹,在微观上矿物晶体没有发生明显塑性变形,均匀消光,晶体为三边平衡结构,与静态变质结构相似,形成了地壳深部构造层次上变质构造岩-构造片麻岩.
    • 图 1  大青山地区前寒武纪地质构造图

      Figure 1.  Structural geology of Precambrian at Daqingshan

      1.海西期-印支期花岗岩;2.古元古代钾长花岗岩;3.古元古代含紫苏石英闪长岩;4.新太古代TTG岩系;5.石榴石花岗质片麻岩;6.似斑状花岗质片麻岩;7.中粗粒紫苏石英闪长片麻岩;8.中粗粒紫苏花岗质片麻岩;9.古元古界美岱召岩群;10.新太古代色尔腾山岩群;11.孔兹岩系;12.黑云角闪片麻岩;13.麻粒岩;14.韧脆性变形带;15.地壳深部韧性变形带;K.白垩系;J.侏罗系;Pz.古生界

      图 2  昆对沟一带早期近水平顺层伸展韧性剪切带带产出地质特征

      Figure 2.  The geological characteristics of early subhorizontal bedding extensional ductile shear belt at Kunduigou

      1.孔兹岩系榴云片麻岩岩组;2.黑云片麻岩和黑云长英片麻岩组合;3.黑云角闪片麻岩和斜长角闪岩组合;4.麻粒岩系;5.紫苏石英二长-正长岩;6.眼球状花岗质片麻岩;7.顺层伸展韧性变形带

      图 3  沙湾子-大庙东西向陡顷韧性变形带剖面图

      Figure 3.  Geological section of steep dipping ductile shear zone from Shawanzi to Damiao

      1.侏罗系;2.孔兹岩;3.黑云角闪片麻岩;4.暗色麻粒岩;5.紫苏花岗质片麻岩;6.韧性变形带

      图 4  韧性剪切带中宏观叶理与线理构造

      Figure 4.  Macroscopic foliation and lineation structures in the ductile shear zone

      a.长英质构造片麻岩中条纹与条带构造;b.角山斜长片麻岩中分异条带构造;c.黑云长英片麻岩中置换条带;d.斜长角闪岩中拉伸线理

      图 5  韧性剪切带中不同类型褶皱构造

      Figure 5.  Different types folds of ductile shear belt

      a, b.黑云角闪斜长片麻岩中浅色长英质条带构成层间不规则状流动褶皱;c.长英质片麻岩中A型褶皱;d.榴云片麻岩中不规则状层内褶皱

      图 6  构造片麻岩标本与显微组构照片

      Figure 6.  Tectonic gneiss samples and microfabric photos

      a, b.石榴石黑云母构造片麻岩XZYZ切面手标本照片;b, c.在YZ切面上单偏光与正交偏光显微照片; fels.长英质矿物;Gr.石榴石;Bit.黑云母

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    出版历程
    • 收稿日期:  2017-05-30
    • 刊出日期:  2017-12-01

    内蒙古大青山高级变质岩韧性剪切带及其流变机制

      作者简介: 刘正宏(1960-), 男, 教授, 主要从事构造地质学与区域地质调查研究
    • 吉林大学地球科学学院, 吉林长春 130061
    基金项目:  国家自然科学基金 41272223国家自然科学基金 41772212国家自然科学基金 41230206

    摘要: 大青山高级变质岩不仅记录华北克拉通早期大陆形成演化历史,也保留了中下部地壳岩石流变信息,它们经历了下部地壳构造层次高角闪岩相-麻粒岩相条件变质变形、深熔作用改造,形成了复杂构造样式和构造要素组合.韧性剪切带是高级变质岩中主要构造形迹,控制着早前寒武纪高级变质岩主体构造格架.依据野外地质产状、变形特征与构造要素叠加改造关系,韧性剪切带划分为早期近水平顺层伸展型和晚期陡倾韧性剪切带.近水平顺层伸展韧性剪切带呈残留状保留在后期变形改造较弱部位上,主要沿着不同地质单元或者岩性层界面上发育,是在伸展变形体制下形成的.晚期陡倾韧性剪切带呈近东西方向展布,规模较大,叠加和改造早期构造形迹,形成于晚期造山挤压构造环境中,以左行滑移为主.这两种韧性剪切带都形成于地壳中深部构造层次高角闪岩相-麻粒岩相条件下,变形机制主要为熔体增强颗粒边界扩散和颗粒流动,使岩石发生大规模的塑性流动.在宏观上形成了不对称流动组构、条纹条带构造、熔融线理、层内流动褶皱等构造形迹,在微观上矿物晶体没有发生明显塑性变形,均匀消光,晶体为三边平衡结构,与静态变质结构相似,形成了地壳深部构造层次上变质构造岩-构造片麻岩.

    English Abstract

      • 作为观察中下地壳的窗口,前寒武纪高级变质地体保存了大量中下地壳构造变形形迹,也保存了多次构造热事件和多种剥蚀途径,尤其是提供了中下地壳岩石构造样式和流变机制的信息(Santosh,2003).因此,对其变形机制和变形特征研究不仅可以探索高级变质地体的形成和演化,而且可以直观地了解下地壳的深部构造过程.

        韧性剪切带作为岩石圈深部构造的主要类型之一(Brown and Solar, 1998; Fountain et al., 1994),自上世纪70年代以来一直是构造地质学研究的主要内容,并取得了丰富的成果和认识,突出表现在:构造岩的多样性,韧性剪切带内的构造岩并不都是糜棱岩,还有构造片岩、构造片麻岩(朱大岗和刘迅,1995刘正宏等,2007杨振升等,2008)或高温糜棱岩(刘喜山,1994)等;岩石圈流变的分层性,目前的研究表明:中上地壳以低温弹-脆性和弹-塑性流变占主导地位,下地壳则以塑-粘性为特征(张新钰等,2006);测试技术和研究方法明显提高,尤其运动学涡度理论和测量方法的发展为准确判断剪切带方向、估算剪切带的减薄或增厚量、确定剪切带的类型提供了理论和方法的支撑(张进江和郑亚东,1995王勇生和朱光,2004郑亚东等,2008; 梁琛岳等,2015; 孟元库等,2016).

        目前学术界对发育在高级变质地体中的深层次韧性剪切带的研究还处于探索阶段,有关该类韧性剪切带的报道也相对稀少,即使有所报道,对韧性剪切带的识别也是依据岩石中面状构造和线状构造或线性地质体在区域上呈线形带并切割两盘地质体及其构造线而确定的,如华北克拉通中部带的龙泉关韧性剪切带(许荣华等,1995裴利庭等,2001赵兰等,2006)、冀东金厂峪-太平寨麻粒岩地体中的深构相韧性剪切带(孙忠实和杨振升,1990)、印度南部麻粒岩地体和北部达瓦(Dharwar)克拉通之间的Moyar-Bhavani-Metter韧性剪切带(Santosh,2003)等.导致这种现象产生的可能因素有:对下地壳流变的认识仍固定在固态流变的思维中,对有深熔作用发生,固相和液相混合状态下剪切变形的构造过程和构造特征认识不够充分(刘正宏等,2008);下地壳剪切流变的规模大,具有极强的透入性,韧性剪切带的边界难于确定,尤其是下地壳低角度或近水平的流变构造(Park, 1981; Reston, 1990; Dirks and Jelsma, 1998; Sandiford, 1989a, 1989b).

        内蒙古大青山高级变质杂岩区经过多期变质变形作用改造,发育许多规模不等深层次韧性剪切带,形成于高角闪岩相-麻粒岩相条件下,变形同时伴随强烈变质作用和深熔作用,其变形机制和地质特征明显不同于中浅部构造层次上韧性剪切带.对于这些地壳深部构造层次上韧性变形带,地质学家对其变形机制以及变形条件等方面开展研究,取得许多不同认识.依据变形环境、显微组构和构造岩特征,认为这些韧性变形带为地壳深部构造层次的高温糜棱岩带,其构造岩为糜棱片麻岩(李树勋等,1994).部分学者认为不同类型韧性变形带形成与演化与地壳深部高级变质杂岩在隆升过程中塑性变形有关(于海峰和孙德育,1996).但是,针对这些韧性剪切带变形特征、流变机制、构造要素组合和识别标志,以及区域地壳构造演化之间关系等方面仍然没有得到解决.

        本文是在野外地质调查基础上,结合显微组构分析,对这些发育在大青山高级变质岩中,代表深部地壳构造层次上韧性剪切带的构造样式、构造要素征、变形机制、构造岩特征和形成环境进行系统研究,为研究中下地壳岩石流变机制、深部构造过程提供新资料和新思路.

      • 大青山地区位于华北克拉通北缘,北部为太古代色尔腾山地块,南部为大青山古元古代造山带(Zhao et al., 2005).色尔腾山地块为太古代花岗一绿岩带,主要由新太古代绿岩带(色尔腾山岩群)和TTG组成,同时在南缘(固阳一武川断裂带以北)叠加有新太古代一古元古代岛弧花岗岩.南部为近东西向大青山古元古代造山带,除了南部发育少量绿片岩相美岱召岩群之外(徐仲元等,2003),主要由一套早前寒武纪高级变质地层和深熔片麻岩组成,遭受强烈变质变形作用改造,构造平行化强烈,深部构造层次韧性剪切带十分发育(图 1).

        图  1  大青山地区前寒武纪地质构造图

        Figure 1.  Structural geology of Precambrian at Daqingshan

        高级变质地层主要由麻粒岩系、片麻岩系和孔兹岩系组成(徐仲元等, 2001, 2007杨振升等, 2003, 2006).麻粒岩系主要分布于大青山地区中部,以无根钩状或者透镜状产出,呈近东西方向展布.其岩貌呈灰绿色或灰褐色,主要为中性麻粒岩,夹酸性麻粒岩、基性麻粒岩和条带状磁铁石英岩.原岩为一套中基性火山沉积建造夹含铁建造(董晓杰等,2012刘平华等,2013).近期的高精度同位素测年数据表明,麻粒岩系不仅记录了1 950~1 850 Ma高级变质事件,同时还保留2 500~2 450 Ma高级变质热事件(Ma et al., 2012),表明区内麻粒岩系经历多期高级变质变形事件改造.

        片麻岩系主要分布在研究区中部,在空间上与麻粒岩系密切共生在一起,岩性组合比较复杂.片麻岩系下部主要由斜长角闪岩、角闪斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩组成,原岩为一套中基性火山岩建造,夹有中酸性火山岩和少量硅铁质建造.上部主要以黑云碱长长英片麻岩、黑云二长长英片麻岩、角闪长英片麻岩和黑云二长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩、二长片麻岩和斜长角闪岩,总体岩貌浅灰色-浅肉红色,原岩建造应是一套火山沉积和碎屑沉积交替产出的沉积建造.这套片麻岩系既有新太古代变质麻粒岩相热事件记录(王惠初等,2001宋海峰等,2005徐仲元等,2015),同时也遭受了古元古代热事件改造(张维杰等,2000刘建辉等,2013张琳等,2016).

        孔兹岩系,主要岩性为榴云片麻岩、透辉片麻岩、大理岩(杨振升等,2000徐仲元等, 2002, 2005).最近同位素定年分析数据表明,孔兹岩系原岩形成时代在2 000~1 950 Ma之间,变形变质时间在1 950~1 850 Ma之间(吴昌华等, 1998, 2006Xia et al., 2006; Wan et al., 2009; 董春艳等, 2009, 2012; Dong et al., 2012; 蔡佳等,2015).但是,南部哈德门沟一带孔兹岩系也记录新太古代变质事件年龄,所以区内除了古元古代孔兹岩系外,是否存在新太古代孔兹岩系一直没有得到很好解决.

        除上述3套高级变质地层之外,发育许多不同类型原地或半原地深熔片麻岩(图 1),主要有紫苏花岗质-紫苏花岗闪长质-紫苏斜长花岗质-紫苏石英闪长质片麻岩、眼球状花岗质片麻岩、石榴花岗质片麻岩、花岗质-花岗闪长质片麻岩,它们在空间上与相应的变质地层紧密共生,分布在不同韧性变形带或穹形构造核部,它们是变质地层发生部分熔融作用形成的.这套深熔片麻岩锆石U-Pb同位素年龄为2 540~2 500 Ma之间,表明这些深熔片麻岩形成于新太古代.

        这些高级变质岩石不仅遭受角闪岩相-麻粒岩相变质作用改造(金巍等,1991金巍和李树勋,1994李树勋等,1994卢良兆等,1996),其温压条件为840~860 ℃,P=10.0~10.5 kbar(蔡佳等,2013),同时也遭受了多期变形作用改造,形成了样式各异的构造行迹.依据构造要素之间叠加改造关系,以及伴随深熔作用和变质作用特征,将中深部构造层次上变形事件划分为两期:早期为近水平顺层滑脱伸展韧性变形,主要构造形迹为近水平顺层伸展型韧性剪切带、熔融流动线理、顺层片麻理及层间不对称流动褶皱;晚期为南北向的挤压变形作用,发育近东西向的陡倾韧性剪切带,切割与改造了早期构造形迹.所以在这套高级变质岩系形成演化不同阶段,形成许多规模大小不一、各种类型的韧性剪切带,不仅控制高级变质岩构造格架和变质地层结构,其内保留大量深部构造层次流变机制与深部构造过程信息.

      • 依据韧性剪切带产状、性质及其相互切割关系,将研究区高级变质岩中韧性剪切带划分为陡倾挤压型和近水平顺层伸展型两种不同特征韧性剪切带.近水平伸展韧性剪切带形成于造山前地壳早期伸展变形阶段,呈透镜状保留在晚期变质变形改造较弱变形域中,规模大小不一(图 2),发育在麻粒岩与孔兹岩系接触带和不同地质体界面上,或者在能干性较弱的岩层中,韧性剪切带产状与其围岩产状近于一致,受近水平构造界面或岩性界面控制(图 2).韧性剪切带与围岩接触界面明显截然,多数边界是继承了早期构造界面或岩性结构面.在韧性剪切带发育L型构造岩和LS构造岩,在应变分析图解上主要落在伸展变形区域,表明这期变形作用主要是以伸展体制为主.

        图  2  昆对沟一带早期近水平顺层伸展韧性剪切带带产出地质特征

        Figure 2.  The geological characteristics of early subhorizontal bedding extensional ductile shear belt at Kunduigou

        根据同构造矿物组合、构造样式和构造要素切割关系,近水平伸展型韧性剪切带是在造山前期地壳伸展变形过程中形成的,形成于地壳中深部构造层次麻粒岩相条件下,与区内早期麻粒岩相变质作用同时发生,并伴随强烈深熔作用,所以深熔片麻岩分布及其空间产状受近水平伸展韧性剪切带控制.

        陡倾挤压型韧性剪切带是高级变质岩中主要构造形迹(孔庆波等,2009),构成了研究区早前寒武纪高级变质岩系主体构造格架(图 2).陡倾型韧性剪切带呈近东西向展布,在空间上呈线状平行间隔排列,规模大小不一,小的只有几米宽,延伸上百米,最大露宽度可达2 000 m,东西向延伸可达上百公里(图 1图 3).规模较大的韧性剪切带发育在不同地质体之间接触带上,边界形态规则,空间上延伸稳定.小型陡倾韧性剪切带发育在不同类型地质体的内部,边界形态不规则,呈透镜状、网状或分叉状.韧性剪切带内各种类型高级变质岩均遭受强烈塑性变形改造,发育密集条带状构造、“a”褶皱、叶理鱼和不对称膨缩构造.陡倾挤压型韧性剪切带主要发育LS构造岩和S构造岩,线理主要有矿物定向生长和浅色长英质条带构成,其倾伏角较小,依据不对称变形组构判定,这些陡倾韧性剪切带为左行滑移,其受到近东西向的单剪作用.

        图  3  沙湾子-大庙东西向陡顷韧性变形带剖面图

        Figure 3.  Geological section of steep dipping ductile shear zone from Shawanzi to Damiao

        陡倾挤压型韧性剪切带形成于古元古代近南北挤压造山过程中,结合年代学资料及当时的大地构造环境,认为其是阴山陆块与鄂尔多斯陆块斜向水平会聚导致应变分解的产物.同构造矿物组合表明,形成于高角闪岩相-麻粒岩相条件下,切割改造了早期近水平伸展型韧性剪切带.

      • 这些韧性变形带形成于地壳深部构造层次上角闪岩相-麻粒岩相条件下,变形作用、变质作用和深熔作用同时发生,岩石塑性流动和分异作用强烈,形成了密集岩石条带、条纹构造,以及不对称流动褶皱、深熔线理、不对称石香肠构造等构造要素.

        岩石条带构造是韧性剪切带常见的构造要素,由浅色矿物条带与暗色矿物条带相间排列构成,密集发育,所以一些学者将其称为强直片麻岩带(图 4a~4c).依据其成因机制,将其划分为构造置换条带和变形变质分异条带.构造置换条带是由早期岩性层(包括原始层理、叶理、脉体)在塑性递进变形作用中,被强烈置换形成的一种次生条带构造(图 4c),其主要特点为:条带成分和结构复杂,规模变化较大,边界截然,沿走向逐渐尖灭;岩石成条带成分从浅色的长英质条带到暗色基性岩石条带都有;在弱变形域内条带之间经常出现叶内无根勾状褶皱,不对称流动褶皱.分异条带主要特征是:条带宽度一般在1~2 mm之间,浅色矿物条带和暗色矿物条带相间分布,但是浅色条带出露宽度大于暗色条带;二者之间呈渐变过渡关系,或者是截然突变;分异条带的宽窄与应变增强,在强变形域内条带的密度变大,在10 cm内发育30个到40条岩性条带.Passchier et al.(1991)认为分异条带是由均匀块状岩石在变形-变质作用中由于构造热的升温导致浅色物质的重熔,在应力作用下沿构造面聚集形成的,也可由变斑晶的变形和分异作用形成.

        图  4  韧性剪切带中宏观叶理与线理构造

        Figure 4.  Macroscopic foliation and lineation structures in the ductile shear zone

        叶理与线理,叶理由矿物和矿物集合体定向拉长和定向生长形成的面状构造,叶理面密集平直(图 4a),在许多韧性变形较强部位上S叶理与C叶理同时发育,构成了典型的S-C组构.在麻粒岩中叶理是由紫苏辉石、透辉石强烈定向拉长形成的辉石链和浅色长英质矿物条带构成,表明变形作用是发生在高温高压条件下.在一些部位上的变形叶理之间发育有暗色矿物透镜体,具有不对称浅色长英质尾,表明韧性变形期间岩石发生部分熔融作用,所形成的长英质熔体在应力驱动下迁移到低应变部位,上述特征反映了下地壳高温递进塑性流变变形的特征.

        线理发育有矿物生长线理和流动线理(也称熔融线理):矿物生长线理是在差应力作用下,新生的矿物沿着应变椭球体的X轴方向定向生长构成了典型的生长线理,表明变形作用与区域变质作用是同时发生的;流动线理发育在熔融程度相对较高的深熔片麻岩中,由部分熔融浅色长英质物质沿着X轴方向流动形成(刘正宏等,2011).岩石中如果熔体组分含量较少时,熔融组分只能在孔隙中流动,形成长的透镜状集合体,构成了流动线理构造(图 4d).在熔融程度较高的深熔片麻岩中,固体矿物(残晶或岩块)在熔体中被动定向排列构成线理.所以研究区内近水平顺层伸展型韧性剪切带中线理比叶理发育,L>S,或者只发育L构造,形成典型L构造岩,表明这些韧性变形带形成于伸展构造环境中.

        褶皱构造,韧性剪切带广泛发育“a”型褶皱和叶内不对称流动褶皱,“a”型褶皱是在递进变形过程中,褶皱趋于紧闭、压扁并向剪切面旋转,枢纽被递进地旋转到有限应变最大的拉伸方向上,与矿物拉伸线理平行(图 5),如果应变强度增大,褶皱枢纽弯曲形成了典型鞘褶皱.在XZ切面上表现为不对称的无根钩状片内流动褶皱,表明这期变形作用是以顺层剪切滑移为主.

        图  5  韧性剪切带中不同类型褶皱构造

        Figure 5.  Different types folds of ductile shear belt

        层间不规则状流动褶皱主要由浅色熔融脉体构成,在高级变质岩韧性剪切带发育十分普遍,规模较小,在空间上主要出现在强流变层内部.在XZ断面上,褶皱轴面倾斜,与流动褶皱层两侧岩层呈斜交,其锐交角方向指向对面层的流动方向.褶皱在XZ断面上其形态呈不规则三角形,其顶部转折端岩性层弯曲率比较大,从转折端向核部方向,变形岩层弯曲率逐渐变小,逐渐变为平行岩层的平直条带(图 5).

      • 但是随着对地壳不同构造层次上韧性剪切带的调查研究,地壳深构造层次上构造岩与糜棱岩在组构和变形特征、流变机制等方面明显不同,不发育残斑与基质,矿物晶体多呈三边平衡结构,晶体内部消光均匀.所以,不同地质学家将这些特殊类型变质构造岩分别称为变晶糜棱岩、高温糜棱岩、强直片麻岩、塑变岩和构造片麻岩.目前,大多数地质学家认为构造片麻岩为地壳深部构造层次上的构造岩,由塑性流变、部分熔融作用、变质作用形成的动力变质构造岩,宏观上具有明显的强塑性变形流变特征,呈带状分布,发育片麻状构造或者条带-条纹状构造、不对称流动褶皱、S-C组构、熔体线理、膨缩构造等构造要素,而微观矿物晶体颗粒没有塑性变形,没有残斑与基质之分,为边界平直变质重结晶结构(图 6).

        图  6  构造片麻岩标本与显微组构照片

        Figure 6.  Tectonic gneiss samples and microfabric photos

        构造片麻岩不仅遭受强烈变质变形作用改造,同时伴随有强烈部分熔融作用,新生矿物与熔体比较发育,造成了其矿物组合复杂性.依据矿物形成世代、矿物变形特征和相互关系,构造片麻岩由变形前残留矿物、同构造新生矿物和熔体组成.残留矿物是变形前原岩组成矿物,多为刚性较强暗色辉石类和角闪石类,呈被动变形,定向排列,构成典型辉石链结构(图 6a, 6b),但是其在构造片麻岩中占很少一部分;同构造新生矿物,沿着叶理面和线理方向定向生长,其组合不仅与原岩物质成分有关,同时还受到变形时的温压条件控制,记录了变形演化不同阶段温压条件、变形演化历史等重要的信息.熔体是构造片麻岩中一个重要组成部分,呈透镜状、条纹状或条带状定向分布,熔体的形成主要受变形时温度、压力相差应力等因素控制,其含量与应变强度呈正比,熔体主要分布在强应变构造带中.

      • 这些中深地壳构造层次上韧性剪切带,其构造岩及组构特征、构造样式和构造要素组合与中浅部构造层次上韧性剪切带明显不同,是什么样流变机制控制岩石流变,是目前构造地质学家探索的问题.一般情况下,岩石的塑性流动主要由以下几种变形机制造成的:位错蠕变、高温扩散蠕变和颗粒流动(刘正宏等,2008).位错蠕变是由于矿物晶体内部位错运动引起晶体的形态发生改变、晶体内部结构改变和颗粒变细的一种流变机制,是地壳中浅部层次上岩石固态流变过程中重要变形机制,也是糜棱岩化过程中起主导作用的变形机制.高温扩散蠕变是一种通过物质扩散的转移而达到颗粒形态和矿物晶体空间排列方位方向发生改变的一种流变作用,包括晶内扩散蠕变(Nabarro-Herring蠕变)和颗粒边界扩散蠕变(Coble蠕变)两种不同扩散机制,通过颗粒边界和颗粒内部质点调整为主,造成宏观上强烈流变,但微观颗粒形态和内部结构不变,在此过程中往往出现颗粒增大现象.颗粒流动是固相颗粒与液相熔体共存条件下一种变形机制,通过颗粒边界滑移或颗粒之间相对运动,或者颗粒在熔体相流动造成的应变机制.颗粒流动能够使岩石产生巨大应变,而岩石矿物晶体粒形态没有改变,且不发育晶内变形组构,颗粒的形态与应变量大小无关.在深部构造层次上高温高压条件下,韧性剪切带内流变机制不仅受到温度、压力、差应力的影响,而且液相熔体存在也是控制岩石流变重要因素.液相熔体的出现能够使变形机制从位错蠕变转变为熔体增强颗粒边界扩散、颗粒内部扩散、颗粒边界滑移和颗粒流动等高温流变机制,导致岩石在宏观上大规模的塑性流动变形,但是在微观上矿物晶体形态没有改变,晶内变形组构不发育,表现为三边平衡结构,与静态变质结晶组构相似.

        由于受应变强度影响,地壳深部构造层次上韧性剪切带中岩石部分熔融程度差别较大,熔体可以从少量颗粒间熔体到到孤立晶体悬浮的完全液态岩浆,所以熔体的含量是控制固液双相系统流变行为的重要因素.在熔体含量较高体系中,固体矿物晶体悬浮在熔体中,机械行为主要受液相流体粘度控制,可以将其视为稀释悬浮变形机制,完全以颗粒流动变形机制为主,主要出现在高度熔融的深熔片麻岩体系中,但是熔体静压力超过岩石强度时候,往往出现脆性水压致裂、隐爆等脆性变形机制,所以在高级变质岩中角砾状混合岩、部分石香肠构造都是深部脆性变形结果.在中等熔体比例体系中,固体矿物颗粒形成集合体,流变行为是颗粒流动和颗粒边界滑移.在低流体比例体系中,固体颗粒形成相互连接支撑构成了承重格架,系统力学性质被固相流动的流变所控制,主体变形为扩散或位错蠕变,造成晶体形态及内部结构改变.

        高级变质岩中韧性剪切带不仅是一个高应变带,同时也是发生强烈深熔作用,构造片麻岩中熔体比例在10%以上,部分地段甚至超过了50%,变形机制主要是颗粒流动与扩散蠕变机制为主.随着浅色部分熔融组分含量增加,在差应力作用下浅色熔体发生迁移、聚集和沉淀,形成了形态不一、规模不等的浅色熔融图块、脉体或条纹条带构造.浅色熔体空间分布主要受韧性剪切带构造要素控制,沿着剪切叶理、刚性石香肠两端、剪切条带和最大有限应变轴分布,沿着这些构造形迹易于形成低压扩展空间,熔体沿着这些空间聚集沉淀.在野外最为常见的是熔体沿着S叶理面和C叶理面分布,形成平行剪切叶理和糜棱叶理的密集条带和条纹状构造(图 4).在伸展变形体制下,浅色熔体沿着应变椭球体拉伸长轴分布聚集,形成浅色线状集合体,构成熔融流动线理,形成顺层伸展韧性变形带中特有的L构造岩(图 4d).

      • 大青山高级变质区是由不同时代、不同原岩建造高级变质地层,以及深熔片麻岩和变质深成岩组成,岩石类型十分复杂,并遭受了多期变形变质作用、深熔作用和岩浆活动改造,形成十分复杂岩貌和构造样式.后期古元古代晚期强烈造山作用,又将这些不同时代、不同成因类型岩石单元混杂在一起,并遭受了强烈韧性剪切变形改造,构造平行化形成了似层状构造,对这套高级变质地层形成时代、地层层序确定带来一定困难.最新同位素测年结果表明,区内麻粒岩系、片麻岩系和深熔片麻岩中都明显记录了2 500~2 450 Ma、1 950~1 850 Ma两次高级变质事件,大多数孔兹岩系只记录1 950~1 850 Ma高级变质事件,但是局部也保留新太古代高级变质信息,说明区内大多高级变质岩经历两次高级变质热事件改造.与两次变质热事件相伴发生是近水平伸展变形作用和近南北向挤压造山变形作用.早期伸展变形作用与区内早期变质、深熔热事件相伴生,形成近水平顺层伸展型韧性剪切带.晚期近南北向加压变形作用形成区内规模巨大近直立韧性剪切带,不仅改造早期构造要素,也形成区内高级变质岩主体构造格架.但是,这两期变形作用都是发生在地壳深部构造层次上高角闪岩相-麻粒岩相条件下,变形作用与变质作用、深熔作用同时存在,它们相互制约相互影响,造成了地壳深部构造层次上韧性剪切带特殊性与复杂性.通过上述大青山高级变质岩中韧性剪切带变形特征、构造样式和流变机制分析,得出以下结论:

        (1) 大青山高级变质岩中韧性剪切带形成于地壳深部构造层次角闪岩相-麻粒岩相条件下,变形变质作用与部分熔融作用共存,相互影响和相互制约,变形变质引起岩石部分熔融,熔体相控制和促进岩石流变.

        (2) 韧性剪切带变形机制是以熔体增强扩散蠕变、颗粒边界滑移和颗粒流动为主,位错蠕变为辅,使岩石发生规模巨大的塑性流变,宏观变形表现为强应变而微观矿物晶体没有形态改变和晶内变形组构出现.

        (3) 构造片麻岩是地壳深部构造层次上变质构造岩,是在高级变质条件下岩石塑性流变产物.

    参考文献 (103)

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