梯形香腸構造研究_香腸構造與流變學

第二節(jié)　梯形香腸構造研究

梯形香腸構造香腸體的形態(tài)反映出其由能干層經脆性破裂變形而成，屬于脆性香腸構造范疇。馬杏垣（1965）在北京西山首次報道該類石香腸構造，并做了幾何形態(tài)學及巖石學分析。本節(jié)以課題組在鄂東南鐵山地區(qū)新發(fā)現(xiàn)的成層分布、形態(tài)相似的梯形香腸構造為研究對象，利用慣量橢圓法測量其基質層有限應變，嘗試定量研究梯形香腸構造的形成機制，并探討其形成過程中的相關規(guī)律。

一、地質概況

鐵山區(qū)位于武漢市東南約60km，大冶市西約12km。地質上處于揚子地塊中段北側。由于燕山早期和晚期的復式巖體的侵入，在與圍巖的接觸帶上形成了著名的矽卡巖型礦床——鐵山鐵礦。在接觸帶外側的早三疊紀碳酸鹽巖和含泥質碳酸鹽巖的地層也相應地發(fā)生了熱接觸變質作用（圖2-2）。

在接觸帶外側為矽卡巖化大理巖，大理巖多呈條帶狀，主要由結晶好的方解石、白云石組成，矽卡巖化強烈，可見石榴石、透輝石、螢石等接觸-交代變質礦物。從內向外大理巖粒度逐漸變細，石榴石等變質礦物粒度從大到小，乃至最后消失。

圖2-2　大冶鐵礦東段地質圖（據(jù)石準立等，1982）

熱接觸變質帶小構造發(fā)育。在東采坑自巖體向圍巖，存在4個變形變質帶，變形依次減弱（圖2-3）。

（1）流變帶：主要發(fā)育熱流變小褶皺，如無根、勾形、“S”形等各種不協(xié)調性褶皺，其規(guī)模最大可達數(shù)十米。

（2）石香腸帶：東采坑寬幾十至上百米，西采坑不發(fā)育。組成巖石主要為大冶組第2～4段變質含泥質灰?guī)r。該帶石香腸由泥質角巖組成，定向分布在大理巖之中。石香腸線理傾伏向因地而異：在鐵山鎮(zhèn)東北部主要為NWW向，在東部主要為NE向。

（3）熱變質帶：石香腸帶外側各類小構造逐漸消失，以熱變質為特征，變質結果使灰?guī)r（白云巖）變?yōu)榇罄韼r。熱變質帶很寬，從流變帶、石香腸帶至未受熱變質邊界均屬此帶。

（4）正常圍巖帶：以未變質、發(fā)育軸面南傾的小褶皺為特點。

圖2-3　鐵山巖體東南緣小構造（據(jù)馬昌前等，1994，修改）

二、樣品

本節(jié)研究對象是采自大冶鐵山區(qū)尖山巖體與圍巖熱接觸動力變質帶上的一塊標本（圖2-2、圖2-4A），其相關形態(tài)學及巖石學參數(shù)見表2-2，研究區(qū)間能干層有梯形香腸層①②③與D₂層，均為綠簾石-方解石角巖層，前者褶皺變形明顯弱于其上下巖層，表明能干性相對較大；后者嚴重大理巖化，與相鄰大理巖層D₁、D₃形成協(xié)調褶皺，表明三者能干性相近（吳樹仁和金振民，1992），故將之劃入香腸層①②③的下基質層。

通過詳盡的幾何形態(tài)學與巖石學觀察分析（吳林波等，2012），認為在該梯形香腸構造發(fā)育的過程中，發(fā)育時間從早至晚順序為：能干層拉開區(qū)→a組脈體→b、c組斷層，熱液作用貫穿該香腸構造發(fā)育的始終，且在裂隙處相對富集。熱液對角巖層發(fā)生作用，萃取出其中鐵質形成富含鐵質的熱液，生成大理巖層M中的暗色硫化物礦物，而被作用的角巖區(qū)段發(fā)生大理巖化，能干性變弱，利于鄰近基質層物質楔入。巖層M可作為基質層U、D物質的分界，角巖層D₂阻隔其之下的大理巖層D₃、D₄及D₅向上流動，且大理巖層U、D₁厚度相差較大，導致楔入能干層拉開區(qū)的上基質層物質流動性更強，使得M層物質被擠至能干層拉開區(qū)下開口處（圖2-4）。

表2-2　梯形香腸構造形態(tài)學、巖石學相關參數(shù)

注：Cc為方解石，Ep為綠簾石。

三、有限應變測量

1.慣量橢圓法簡介

慣量橢圓法（Jain，1989；Muchrone和Choudhury，2004；李志勇等，2006）是巖石有限應變測量的一種重要方法。其利用慣量橢球理論，得到任意形態(tài)的礦物顆粒的慣量橢圓，并可通過測定顆粒的邊界形態(tài)和顆粒面積兩種途徑標準化其橢圓參數(shù)，而應用于不規(guī)則形態(tài)的顆粒時后者誤差更小（Muchrone和Choudhury，2004），因此我們利用每一顆粒面積標準化其橢圓參數(shù)，獲得每一礦物顆粒的等效橢圓。礦物顆粒的等效橢圓可較好地反映其變形特征及優(yōu)選方位，統(tǒng)計分析所得等效橢圓，運用橢圓的矩陣參數(shù)形式，可獲得巖石的有限應變橢圓。

圖2-4　梯形香腸構造標本（A）、梯形香腸構造薄片圖（B）和梯形香腸構造素描圖（C）

1.角巖層；2.大理巖層及其編號，圓圈示意其方解石粒徑相對大小；3.正斷層、未知性質的斷層及其編號；4.脈體及其編號；5.暗色硫化物；圖A、B、C中U、D、①、②、③相互對應；圖A中T為角巖層，白線框為有限應變測區(qū)；圖B中直角坐標系用以確定有限應變測量測點在測區(qū)的空間位置

在實踐中，巖石切片中的礦物顆粒平面形態(tài)可視為多邊形，運用格林公式以及積分運算可獲得礦物顆粒的截面面積及其重心坐標；以礦物顆粒重心位置為坐標原點建立局部坐標系，積分運算獲得礦物顆粒相對坐標軸的轉動慣量；再計算相應的轉動慣量得出與礦物顆粒截面等面積的慣量橢圓，即等效橢圓。每一個等效橢圓對應一個橢圓矩陣，在假設變形前礦物顆粒等效橢圓的初始形態(tài)與方位隨機分布的前提下，通過求解礦物顆粒等效橢圓矩陣的特征值與特征向量，可獲得他們應變橢圓的長、短主應變軸長度比R_s及主伸長軸的方位角α（李志勇等，2006）。

2.相關參數(shù)

采用參數(shù)真應變差（ε₁-ε₃）（曾佐勛和劉立林，1992a）、極摩爾圓特征向量縱坐標比（ξ1/ξ2）（儲玲林等，2006）、垂直剪切方向的厚度比（S）、運動學渦度（Wk）（張進江和鄭亞東，1995；儲玲林等，2006），能較好地表征巖石中有限應變場。

真應變差在巖石中的分布能較好地體現(xiàn)巖石不同部位的應變場，從而表征巖石中的應變分布。真應變差（ε₁-ε₃）的計算公式為（曾佐勛和劉立林，1992a）：

式中：R_s為應變橢圓的長、短主應變軸長度比，式中變量均為無量綱量。

根據(jù)應變橢圓的主軸長度比（1＋e₁和1＋e₃）和長軸與剪切方向的夾角α，可以繪制極摩爾圓（張進江和鄭亞東，1995）。具體做法如圖2-5所示：作直線段O-A-B，其中OA＝1，AB＝（1＋e₁）/（1＋e₃）；由B點作射線BC，與OB的夾角為α，并過A點作BC的垂線AC，垂足為C；由O點經C點作射線OC為極坐標的極軸；以AB為直徑畫圓，便可獲得極摩爾圓，通過幾何運算有（Simpson和Depoar，1993；儲玲林等，2006）：

解方程組，可以獲得極摩爾圓特征向量縱坐標比（ξ1/ξ2）與運動學渦度（Wk）：

式中：α為剪切帶剪切方向與有限應變橢圓長軸方向的夾角；ν為二維應變場中兩特征向量的夾角。

在圖2-5中過極摩爾圓圓心作極軸垂線并與之相交于（h，0），H0、H1分別為剪切帶的初始厚度和現(xiàn)厚度，則有（張進江和鄭亞東，1995）：

圖2-5　極摩爾圓的制作（據(jù)張進江等，1995，修改）

左圖為減薄的一般剪切；右圖為增厚的一般剪切；OA＝1；AB＝R_s

由圓的垂徑定理知：

再將式（2-3）、（2-6）代入式（2-5）可得：

式中：S為有限應變前后剪切帶垂直剪切方向的長度比，在此處即為巖層厚度比。

由式（2-6）可知，極摩爾圓特征向量縱坐標比值（ξ₁/ξ₂）大于1時，S值與其負相關，且小于1，即ξ₁/ξ₂值越大剪切帶相應部位減薄程度越大，相應一般剪切中純剪切組分最大主拉伸方向平行于剪切帶剪切方向；當ξ₁/ξ₂小于1且大于0時，S值與其負相關，且大于1，即表示ξ₁/ξ₂值越大則剪切帶相應部位增厚程度越小，相應一般剪切中純剪切組分最大主拉伸方向垂直于剪切帶剪切方向（張進江和鄭亞東，1995）。運動學渦度（W_k）是對物質遞進變形中非共軸性的一種度量（Mandal等，2007）。W_k＝0，相應物質層中剪切變形完全為純剪切；Wk在0與1之間時，相應物質層中剪切變形為一般剪切，即純剪切與簡單剪切組分以不同的比例復合作用，特別地，當W_k＝0.71（部分學者取0.75），相應一般剪切中簡單剪切與純剪切各占一半；W_k＝1，完全為簡單剪切（Simpson和Depoar，1993；王勇生和朱光，2004；鄭亞東等，2008）。

3.測量方法

將研究區(qū)間限定在約15mm×28mm的范圍內（圖2-4A、B）。香腸體的寬度a指示拉伸方向，厚度c指示壓縮方向，其應變過程可視為平面應變（Ramsay，1967）。切制平行香腸構造ac面的薄片用于有限應變測量，可將測量從三維簡化為二維，便于簡單而有效地研究石香腸構造基質層中的應變分布規(guī)律。

測區(qū)選在基質層相對較厚、附近沒有其他明顯相對大的構造干擾的區(qū)間，以保證得出的數(shù)據(jù)反映研究對象的實際情況。對梯形香腸體周邊基質做同步有限應變測量，將約364mm²的區(qū)域劃分為223個測點，每個測點面積約為1.3mm×1.3mm。

設定ac面中角巖層層面延展方向為剪切方向，采用Straindesk軟件（李志勇等，2006）測量有限應變。選取未經后期重結晶等作用影響的晶粒，該類晶粒一般為半自形或他形變晶結構，顆粒相對較大，易發(fā)育裂理、雙晶等（朱志澄，1992；路鳳香和桑隆康，2006）。為保證所得數(shù)據(jù)可較好地表征測區(qū)有限應變，我們對每個測點測定20～50個顆粒，各測點測量面積均為其總面積的一半以上。將直接測得的數(shù)據(jù)（吳林波等，2012，表2）按公式（2-2）、（2-4）、（2-7）處理，生成圖件（圖2-6～圖2-11）。

圖2-6　梯形香腸構造基質層應變相關參數(shù)值的分布圖

圖A為真應變差（ε₁-ε₃）等值線分布圖，等值線間隔單位為0.05，墨黑色線表示0.30的等值線，白色線表示0.15的等值線；圖B為垂直剪切方向的厚度比（S）值等值線分布圖，等值線間隔單位為0.1，白色虛線、白色實線、墨色線分別表示0.6、0.7及1的等值線；圖C為運動學渦度（Wk）等值線分布圖，等值線間隔單位為0.2，白色線表示0.71的等值線

四、測算成果分析

前述a組脈體和b、c組斷層晚于梯形香腸體①、②、③形成；b、c組斷層發(fā)育于后期脆性變形階段，對前期梯形香腸構造的韌性應變過程無影響；圖2-6及圖2-7表現(xiàn)出上下基質層相關參數(shù)總體具有一定的對稱性，卻未發(fā)現(xiàn)a組脈體及b、c組斷層在其能干層兩側相應基質層區(qū)段產生明顯對應的參數(shù)分布擾動，反映出由梯形香腸構造的發(fā)育控制的基質層應變參數(shù)分布未受到明顯的其他干擾，認為是因a組脈體及b、c組斷層規(guī)模明顯小于該石香腸構造導致的，即三者對基質層應變參數(shù)分布的干擾可忽略。

圖2-7　基質層有限應變橢圓主伸長軸（λ₁）分布圖

白色短線表示相應部位物質有限應變橢圓主伸長軸，其長度指示相應基質中的R_s相對大小

上下基質層在離能干層①②③等距離范圍內總體表現(xiàn)出一定程度的對稱性（圖2-6A），表明基質層應變分布受能干層影響。香腸體①、②、③間拉開區(qū)及相應上下基質層中真應變差（ε₁-ε₃）值相對其他基質層區(qū)段總體偏小，認為這反映應變過程中香腸體①、②、③間拉開區(qū)及相應上下基質層是相對其他區(qū)段的低壓區(qū)，宏觀上表現(xiàn)為基質層物質由作為高壓區(qū)的香腸體①、②、③連續(xù)處上下基質層向該處運移（圖2-4B），引起該處巖層減薄程度相對低，即基質層中真應變差（ε₁-ε₃）值與相應的巖層厚度比值具有負相關的趨勢（圖2-8）。另外，由于香腸體②、③間拉開區(qū)對應能干層T的拉開區(qū)，故其香腸體②、③間拉開區(qū)上基質層頂部及其附近也表現(xiàn)為相對低應變區(qū)，這與圖2-6B和C相對應。

圖2-6B反映出的基質層在垂直剪切方向即能干層①②③延展方向上的厚度變化與宏觀的厚度分布表現(xiàn)相吻合，即除能干層拉開區(qū)及其上下基質層主要表現(xiàn)為相對增厚乃至增厚外，其他區(qū)段減薄。

將測算所得數(shù)據(jù)（吳林波等，2012，表2）投在適于平面應變的對應不同運動學渦度值的有限應變橢圓長短軸比-有限應變橢圓長軸與剪切方向的銳夾角關系圖中（圖2-9），所得渦度值（W_k1）與式（2-4）計算出的渦度值（W_k2）（圖2-10）間誤差（︱W_k1-W_k2︱）均小于0.1，反映出公式（2-4）較可靠。圖2-6B和C及圖2-11均表明基質層中S值與Wk值相關：S小于1時，W_k與S正相關，與Xypolias和Koukouvelas（2001）測量分析Cheloms剪切帶運動學渦度時得出的認識相一致；S大于1時，W_k與S負相關。證明剪切帶垂直剪切方向的厚度變化

是由純剪切而非簡單剪切作用導致：基質層的減薄是由最大拉伸方向平行于剪切帶剪切方向即平行能干層巖層伸展方向的純剪切作用所致，相對增厚（圖2-4、圖2-6B）主要是由相應區(qū)間的一般剪切中純剪切所占比重小于其他區(qū)間所致，增厚則是由最大拉伸方向垂直于剪切方向即垂直巖層層面的純剪切作用所致。

圖2-8　梯形香腸構造基質層真應變差（lnR_s）值-垂直剪切方向的厚度比（S）值投點圖

圖2-9　梯形香腸構造基質層有限應變橢圓長短軸比（R_s）-有限應變橢圓長軸與剪切方向的銳夾角

（α₁）投點圖（據(jù)Tikoff和Fossen，1995）

2-10　梯形香腸構造基質層運動學渦度（Wk）值-有限應變橢圓長軸與剪切方向的銳夾角（α₁）投點圖圖

圖2-11　梯形石香腸構造基質層運動學渦度（Wk）值-垂直剪切方向的厚度比值（S）投點圖

圖2-6C表明梯形香腸構造基質層中有限應變過程中基質層以純剪切為主，簡單剪切為輔，簡單剪切主要集中發(fā)生在香腸體間拉開區(qū)及其上下基質層中。而λ₁的分布則較好地對應了真應變差（ε₁-ε₃）值和渦度（Wk1）值的分布（圖2-6、圖2-7）；λ₁的方位分布所表現(xiàn)出的沿巖層伸展方向較連續(xù)的波狀形態(tài)與基質層物質宏觀的褶皺形態(tài)相吻合（圖2-4），體現(xiàn)出應變過程中物質從能干層連續(xù)區(qū)段上下基質層向能干層拉開區(qū)及其上下基質層運移的趨勢。

五、討論與結論

綜上分析表明，本節(jié)梯形香腸構造屬于一種脆性石香腸構造（表2-1），其應變過程可分為以下四個階段。

（1）巖層在垂直層面的擠壓下，總體受純剪切作用發(fā)生平行層面的伸展減薄，大理巖層U、D₁厚度相差大導致前者物質流動性更強，引起能干層①②③形成向較厚大理巖層D開裂的楔形張裂隙。

（2）巖層受純剪切作用繼續(xù)伸展減薄，楔形張裂隙作為相對低壓區(qū)招致基質層物質受簡單剪切作用楔入其中，伴隨著熱液作用相對富集于此，熱液作用交代萃取張裂隙附近角巖層中的鐵質產生黃鐵礦、磁黃鐵礦等硫化物礦物，使角巖層大理巖化、能干性降低，從而成為基質層的一部分即大理巖層M的物質源，對應楔形張裂隙的下層基質層D物質也受簡單剪切作用趨向上層低壓區(qū)拱起形成楔形褶皺，促進能干層楔形張裂隙擴張直至拉開。

（3）巖層總體仍受純剪切作用持續(xù)伸展減薄，上基質層U物質受簡單剪切作用大量涌入，下基質層D由于大理巖化的角巖層D₂阻隔其之下的大理巖層物質直接涌入楔形張裂區(qū)而只能使角巖層①②③上拱褶皺，促使楔形張裂區(qū)進一步擴張，形成梯形香腸構造。

（4）巖層總體上繼續(xù)受純剪切作用持續(xù)伸展；受簡單剪切作用使上基質層U物質持續(xù)涌入香腸體拉開區(qū)，下基質層D持續(xù)上拱褶皺，綜合使得香腸體①、②、③相互遠離，大理巖層M的物質被擠壓至香腸體①、②、③間拉開區(qū)的中下部，且相繼發(fā)育a組楔形脈體和b、c組斷層（圖2-4C）。

上述觀點與馬杏垣（1965，2004）對北京西山同類香腸構造的認識基本一致，不同的是：熱液作用導致的楔形張裂處角巖層的大理巖化使得楔形張裂更易擴張，促進了上述梯形香腸構造的形成。

綜上所述，我們認為相對于其他種類的香腸構造，發(fā)育成層分布且形態(tài)相近的梯形香腸構造的特征性條件有：①能干層上下基質層厚度相差較大，這導致相對厚的基質層的物質具有相對強的流動性，從而引起能干層發(fā)育向厚基質層開裂的楔形張裂隙，圖2-4中a組楔形脈體即是這種作用的表現(xiàn)；②基質層中持續(xù)的平行層面的純剪切作用促使楔形裂隙持續(xù)擴張直至完全拉開，伴隨著相對集中于能干層楔形裂隙及其上下基質層中的簡單剪切作用，引起基質層物質楔入其中。可見成層分布且形態(tài)相近的梯形香腸構造是一種較好的巖石流變學標志。當然，至于其他因子，比如梯形香腸體上下基質層黏度差異，對其發(fā)育的影響尚待探討。

將梯形香腸構造基質層中的真應變差值、厚度比值及渦度值分布特征推廣到一般剪切帶的有限應變過程中，可認為垂直剪切方向的厚度比值與相應真應變差值有負相關的趨勢；當剪切帶處于減薄狀態(tài)時，其中運動學渦度值與厚度比值正相關；反之，則負相關。