復(fù)合香腸構(gòu)造研究_香腸構(gòu)造與流變學(xué)

第七節(jié)　復(fù)合香腸構(gòu)造研究

吳樹(shù)仁和金振民（1992）對(duì)復(fù)合石香腸所下的定義是：?jiǎn)蝹€(gè)石香腸內(nèi)包裹著幾個(gè)香腸塊，整體呈藕節(jié)狀；而內(nèi)部的小香腸塊可能是矩形、菱形；外部包裹弧一般較薄，且與介質(zhì)變形相協(xié)調(diào)，表現(xiàn)為韌性。而Ghosh和Sengupta（1999）認(rèn)為，復(fù)合石香腸發(fā)育于具有不同次序（期次）石香腸的能干層中，在剖面形態(tài)上表現(xiàn)為單層小石香腸體包裹在“袋狀”香腸構(gòu)造里。從這兩者所下的定義來(lái)看，他們從石香腸構(gòu)造的形態(tài)加以限定，即為藕節(jié)狀或袋狀的外形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包裹著矩形、菱形等小香腸體。后者對(duì)復(fù)合石香腸下定義時(shí)，提及了不同期次的成因。本書認(rèn)為，復(fù)合香腸構(gòu)造是具有兩期或兩期以上香腸化作用的香腸構(gòu)造。在野外工作時(shí)，我們不僅發(fā)現(xiàn)了前人所提及過(guò)的類型，還發(fā)現(xiàn)了一些新類型的復(fù)合石香腸。本節(jié)擬主要以湖北大冶鐵山和北京西山廣泛發(fā)育的石香腸為研究對(duì)象，結(jié)合國(guó)外的其他研究實(shí)例，詳細(xì)描述復(fù)合石香腸，探討其成因，并作分類。

一、復(fù)合香腸構(gòu)造的分類

對(duì)于復(fù)合石香腸的分類，可以參考前人對(duì)石香腸的分類方法：第一種是按香腸橫斷面形態(tài)區(qū)分（馬杏垣，1965）；第二種是按成因分類（徐開(kāi)禮與朱志澄，1989）。此外，吳樹(shù)仁等（1992）還探討了另一種分類方法，按石香腸的組合分類。在這里，我們從石香腸橫斷面形態(tài)對(duì)復(fù)合石香腸分類。

如圖2-37所示，結(jié)合鐵山、西山地區(qū)及國(guó)外的研究實(shí)例，本節(jié)將復(fù)合石香腸分為四類：腫縮-斷裂復(fù)合石香腸（Ⅰ類）、斷裂復(fù)合石香腸（Ⅱ類）、骨節(jié)狀石香腸（Ⅲ類）以及酒桶狀石香腸（Ⅳ類）。其中，腫縮-斷裂復(fù)合石香腸可進(jìn)一步分為三種亞類：Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc型。骨節(jié)狀石香腸也可以細(xì)分為三種：Ⅲa、Ⅲb、Ⅲc型。而Ⅱ型斷裂復(fù)合石香腸只有一種。Ⅰ類的三種亞類型從整體來(lái)看呈腫縮石香腸狀，Ⅰa、Ⅰb型有次能干層（能干性介于能干層與基質(zhì)之間）作外弧包裹著。其中Ⅰa型內(nèi)包裹單層或多層斷裂石香腸；Ⅰb型內(nèi)包裹兩個(gè)以上的Ⅰa型復(fù)合石香腸，故可稱為多重腫縮-斷裂復(fù)合石香腸；Ⅰc型和Ⅰa型相比沒(méi)有次能干層包裹，只是由多層斷裂石香腸組成，整體呈腫縮石香腸狀；Ⅱ類為較大的斷裂石香腸內(nèi)含單層或多層小的斷裂石香腸，整體呈斷裂石香腸形狀。Ⅲ類骨節(jié)狀石香腸的香腸體都呈骨節(jié)狀，其中，Ⅲa型的骨節(jié)縫結(jié)晶充填脈向一個(gè)方向傾斜；Ⅲb型的結(jié)晶充填脈沒(méi)有發(fā)生側(cè)列傾斜，這兩亞類骨節(jié)狀香腸構(gòu)造中結(jié)晶充填脈的能干性均大于能干層；Ⅲc型無(wú)結(jié)晶充填脈，香腸體間隙由基質(zhì)充填。這三亞類復(fù)合石香腸都可以形成火焰狀形態(tài)，其中又以Ⅲc型火焰狀香腸構(gòu)造的最為典型（圖2-20）。另外，Ⅲb和Ⅲc型香腸體是對(duì)稱的，Ⅲa型香腸體則是不對(duì)稱的。Ⅳ類酒桶狀石香腸中，顧名思義，香腸體類似于酒桶狀，其在形態(tài)學(xué)上常與A型魚嘴狀石香腸（圖3-7）略為相似，甚至部分學(xué)者就將魚嘴構(gòu)造發(fā)育的初始階段的石香腸稱為“酒桶狀石香腸”（Goscombe等，2004），但是酒桶狀香腸體上下層面的外凸程度一般遠(yuǎn)大于A型魚嘴構(gòu)造，最值得注意的一點(diǎn)區(qū)別是，該類香腸體間隙的結(jié)晶充填脈體的能干性強(qiáng)于能干層，而魚嘴構(gòu)造的香腸體間隙主要由基質(zhì)充填。

圖2-37　復(fù)合石香腸分類示意圖

（據(jù)劉富、曾佐勛，2002，補(bǔ)充）

實(shí)際上，在絕大多數(shù)情況下，“巧克力方盤”香腸構(gòu)造也屬于本書定義的復(fù)合香腸構(gòu)造的范疇，雖然在橫斷面上它一般以簡(jiǎn)單石香腸形式呈現(xiàn)，但多表現(xiàn)為兩期不同應(yīng)力場(chǎng)疊加作用的結(jié)果。關(guān)于這類香腸構(gòu)造的具體闡述詳見(jiàn)本章第八節(jié)。

二、復(fù)合香腸構(gòu)造成因分析

鐵山地區(qū)發(fā)育熱接觸動(dòng)力變質(zhì)帶，該區(qū)的巖體侵位和構(gòu)造變形作用的疊加，為復(fù)合石香腸構(gòu)造的發(fā)育提供了充分的變形條件；使得周圍薄層的灰?guī)r和泥巖互層變質(zhì)形成的大理巖和角巖互層，兩者之間存在較大的能干性差異，這又為石香腸構(gòu)造的形成準(zhǔn)備了必要的物質(zhì)條件；巖體侵位和構(gòu)造變形作用則提供動(dòng)力條件。北京西山地區(qū)也經(jīng)歷了多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，而且灰?guī)r與白云巖之間存在著黏度差，這對(duì)復(fù)合石香腸的形成都是有利的條件。

Ⅰa型復(fù)合石香腸（圖2-38A、B）內(nèi)常包裹有多層香腸體，各層的厚度有些是相近的，有些則相差較大；香腸體的長(zhǎng)短也是不均一的。包裹層在香腸體裂隙部位也會(huì)出現(xiàn)一些斷裂。當(dāng)巖層受到垂直層面的壓力時(shí)，能干層有時(shí)是作為一個(gè)整體發(fā)育的；有時(shí)則是能干性強(qiáng)的、厚度大的能干層先發(fā)生斷裂，起主導(dǎo)作用；隨著進(jìn)一步的應(yīng)力作用，另一層則受這層的影響發(fā)育。這取決于它們相互之間的厚度比，若厚度相差不大且相距較近的，則作為一個(gè)整體發(fā)育。否則，則相對(duì)能干性強(qiáng)的、層厚大的起主導(dǎo)作用。香腸體的間隙增大，形成一個(gè)低壓區(qū)，這樣基質(zhì)的物質(zhì)必然向這里流入。在基質(zhì)流入香腸體間隙的同時(shí)，相鄰能干性較差的薄層次能干層也向這個(gè)裂隙楔入。有時(shí)還能在這個(gè)部位斷裂成小塊的香腸體，這是因?yàn)楸拥哪芨蓪釉诖怂艿膽?yīng)變伸長(zhǎng)大于整體的延長(zhǎng)。在進(jìn)一步的變形過(guò)程中，腫脹部位里面的香腸體會(huì)再次斷裂，形成更短的香腸體，但它們之間的間距要比第一次斷裂的香腸體間距小。

對(duì)于Ⅰb型復(fù)合石香腸（圖2-38B），大體上和Ⅰa型差不多。它只是在更大范圍內(nèi)的復(fù)合石香腸。之所以把它分出來(lái)說(shuō)明，是因?yàn)槠涑梢蛳鄬?duì)Ⅰa型較復(fù)雜些。它內(nèi)部的Ⅰa型復(fù)合石香腸之間的占位是一種相容性的特征，但至今還未見(jiàn)研究。

Ⅰc型復(fù)合石香腸（圖2-38C和圖2-39A），不像Ⅰa和Ⅰb型那樣有明顯的包裹層，而是各能干層組合在一起，整體上表現(xiàn)為腫縮狀；同時(shí)各個(gè)能干層的斷裂又不是完全一致的。在初始變形時(shí)，各層能干層在應(yīng)力的作用下形成斷裂石香腸，各層能干層是相互獨(dú)立發(fā)育的；在進(jìn)一步的變形過(guò)程中，各層能干層又是互相影響的。在基質(zhì)的流動(dòng)作用下，其表現(xiàn)出整體性，形成了腫縮石香腸。這類復(fù)合石香腸的發(fā)育有時(shí)表現(xiàn)出的整體性很強(qiáng)（圖2-39B），每一段藕節(jié)的中間斷裂方向一致。其香腸體中間的斷裂是在形成腫縮狀斷裂石香腸之后，腫縮狀香腸體再次斷開(kāi)的結(jié)果。

Ⅱ類復(fù)合石香腸（圖2-39C），整體上表現(xiàn)為斷裂形狀，而單個(gè)香腸體則略具藕節(jié)狀或袋狀的外形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包裹著矩形、菱形等小香腸塊。其形成過(guò)程如圖2-40所示：巖層在應(yīng)力作用下，包含層（點(diǎn)層）作為基質(zhì)，內(nèi)含層薄的（黑色層）能干層先發(fā)生斷裂，其斷裂的位置會(huì)影響外層的斷裂。隨著進(jìn)一步的變形，包含層沿著已斷裂位置發(fā)生斷裂；同時(shí)，內(nèi)層的石香腸也會(huì)進(jìn)一步發(fā)生斷裂，直到形成更短的石香腸為止（Lloyd應(yīng)力轉(zhuǎn)換模式，詳見(jiàn)第二章第一節(jié)）。這種類型的復(fù)合石香腸的發(fā)育前提是存在三種不同黏度的巖層：基質(zhì)層、能干性最強(qiáng)層（內(nèi)層斷裂石香腸）和能干性中等層（相對(duì)較大的斷裂石香腸）。

至于Ⅲ類復(fù)合石香腸（圖2-37），本章第三、四節(jié)對(duì)湖北鐵山、北京西山地區(qū)骨節(jié)狀石香腸構(gòu)造的產(chǎn)出地質(zhì)背景、物質(zhì)組成、成因機(jī)制等方面均有較詳細(xì)的理論研究，第三章第四節(jié)和第五章第三節(jié)還將分別闡述有該類復(fù)合香腸構(gòu)造的應(yīng)用研究和實(shí)驗(yàn)研究。故在此不予以贅述。

最后，我們來(lái)討論Ⅳ類酒桶狀石香腸，這是最早報(bào)道的一類香腸構(gòu)造（Lohest等，1908），發(fā)現(xiàn)地點(diǎn)在比利時(shí)巴斯托尼地區(qū)，在國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)報(bào)道。戲劇性的是，近一個(gè)世紀(jì)后，Kenis等（2002）和Kenis（2004）提出該地區(qū)所謂的“酒桶狀香腸構(gòu)造”與現(xiàn)在普遍認(rèn)為的香腸構(gòu)造的動(dòng)力機(jī)制是有明顯區(qū)別的：其能干層中垂直層面的石英脈是由局部水力壓裂形成縫隙后流體充填結(jié)晶而成，而非巖層受總體上的順層伸展破裂而成；脈體形成后，巖層再受順層擠壓形成現(xiàn)今形態(tài)，故更應(yīng)該稱之為“窗棱構(gòu)造”而非“香腸構(gòu)造”。雖然如此，我們觀察到Kenis等（2002，2005）給出的該地區(qū)這種構(gòu)造現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)模型中，在垂直層面的裂隙形成階段的最大主應(yīng)力方位是垂向的，且最小主應(yīng)力方位是順層且垂直于裂隙走向的，雖然他們多次強(qiáng)調(diào)垂向主應(yīng)力在該階段變形過(guò)程中不起主導(dǎo)作用（Kenis等，2002，2005；Kenis和Sintubin，2007），但其受到的應(yīng)力狀態(tài)仍是與發(fā)育香腸構(gòu)造所需的基本一致，且第一階段變形的結(jié)果也類似于斷裂香腸構(gòu)造，故本書認(rèn)為巴斯托尼地區(qū)這類構(gòu)造仍可稱為酒桶狀香腸構(gòu)造。根據(jù)前人對(duì)該類復(fù)合香腸的野外觀察（Goscombe等，2004）和數(shù)值模擬研究（Kenis等，2004），可知酒桶狀石香腸構(gòu)造所需的物質(zhì)基礎(chǔ)類似于Ⅲa、Ⅲb型骨節(jié)狀石香腸，均表現(xiàn)為香腸體間縫隙充填脈體、能干層和基質(zhì)層三者的能干性依次減弱；動(dòng)力學(xué)成因機(jī)制為先期受最大主應(yīng)力（σ₁）、最小主應(yīng)力（σ₃）分別垂直層面和平行層面的應(yīng)力場(chǎng)作用形成斷裂石香腸，香腸體間縫隙充填礦物形成能干性強(qiáng)于香腸體的脈體后，再受順層擠壓作用形成酒桶狀石香腸（圖2-41），可見(jiàn)屬于脆韌性復(fù)合式香腸構(gòu)造（表2-1）。實(shí)際上，Quirke（1923）早就通過(guò)野外觀察分析意識(shí)到Ⅳ類石香腸發(fā)育過(guò)程中受到順層擠壓動(dòng)力的作用，但由于沒(méi)考慮到其多期動(dòng)力疊加的特點(diǎn)，而不為當(dāng)時(shí)主流觀點(diǎn)所接受。

圖2-38　湖北鐵山復(fù)合石香腸野外照片（劉富和曾佐勛，2002）
圖A為Ia型復(fù)合香腸構(gòu)造；圖B為Ia、Ib型復(fù)合香腸構(gòu)造；圖C為Ic型復(fù)合香腸構(gòu)造

圖2-39　復(fù)合石香腸素描圖（劉富和曾佐勛，2002）
除了E見(jiàn)于北京西山外，其他類型都見(jiàn)于湖北鐵山。圖A和B為Ⅰc型腫縮-斷裂復(fù)合石香腸，
圖B的藕節(jié)中間斷裂方向一致；圖C為Ⅱ類斷裂復(fù)合石香腸

圖2-40　Ⅱ類斷裂復(fù)合石香腸形成模式（劉富和曾佐勛，2002）

圖A為未變形階段；圖B為變形的第一階段，能干性最強(qiáng)的巖層（黑色層）先斷裂；圖C為變形的第二階段，
能干性次強(qiáng)的巖層（點(diǎn)號(hào)層）沿黑色層已斷裂位置發(fā)生斷裂，同時(shí)黑色層也會(huì)進(jìn)一步斷裂

通過(guò)以上討論，我們認(rèn)識(shí)到不同類型的復(fù)合石香腸的成因機(jī)制是不同的，故它們所包含的地質(zhì)信息也是不相同的。利用復(fù)合石香腸，我們可以確定構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的方向，區(qū)分構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的期次，并研究其巖石流變學(xué)。如Ⅲa、Ⅲb、Ⅲc型分別對(duì)應(yīng)的三種不同動(dòng)力學(xué)作用機(jī)制（詳見(jiàn)第二章第三、四節(jié)）；Ⅳ類復(fù)合石香腸的動(dòng)力學(xué)成因機(jī)制類似于Ⅲc型，早期受順層伸展作用發(fā)育斷裂石香腸，晚期疊加順層擠壓作用。

圖2-41?、纛惥仆盃钕隳c構(gòu)造成因模式XZ面示意圖

圖中σ₁、σ₃分別為最大與最小主應(yīng)力；1.基質(zhì)層；2.能干層；3.香腸體間縫隙充填結(jié)晶脈體

三、討論與結(jié)論

鐵山地區(qū)的石香腸是由燕山期巖體侵入和構(gòu)造變形疊加作用形成的。燕山早期NWW-SEE向壓應(yīng)力把NWW向壓性斷裂改造成張性斷裂后，中細(xì)粒含石英閃長(zhǎng)巖和正長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖巖漿沿NWW張性斷裂侵入形成巖體。因?yàn)檫@時(shí)的斷裂是張性的，空間比較大，較好地容納了巖體，所以早期的巖體侵入是被動(dòng)侵入，對(duì)圍巖主要是熱接觸變質(zhì)作用，沒(méi)有產(chǎn)生大的擠壓變形。這期巖漿作用使得灰?guī)r和泥巖互層的圍巖變質(zhì)為大理巖和角巖互層，但沒(méi)有形成石香腸。在燕山中期，形成一系列NNE向的隆起、凹陷和褶皺（章增風(fēng)，1992；張國(guó)勝，1998）。斑狀含石英閃長(zhǎng)巖巖漿沿燕山早期產(chǎn)生的橫張斷裂上侵。巖體的侵入也由被動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)，對(duì)圍巖的推擠作用較強(qiáng)。同時(shí)，在角巖和大理巖互層的巖層中形成第一期石香腸，其中角巖為香腸體，大理巖為基質(zhì)。后期的巖體侵入和構(gòu)造應(yīng)力疊加使不同部位的石香腸進(jìn)一步復(fù)雜化，因此，該地區(qū)還有待于更細(xì)致的深入研究。

本節(jié)所討論的復(fù)合石香腸包含著多期構(gòu)造變形和演化的信息，這對(duì)于研究巖石流變歷史很有幫助。但了解清楚復(fù)合石香腸的形成過(guò)程是其中關(guān)鍵的問(wèn)題。在分析成因的時(shí)候，我們不僅要考慮不同巖石的能干性組合，還要結(jié)合區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)背景合理分析；此外，巖層的厚度、層間距，石香腸的幾何形態(tài)、裂隙和斷裂方向也會(huì)對(duì)石香腸的變形有一定的影響。如果能結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)做進(jìn)一步的分析，我們就會(huì)更加清晰地了解復(fù)合石香腸的發(fā)育過(guò)程，并對(duì)其中主要的影響因子及動(dòng)力學(xué)成因機(jī)制進(jìn)行更合理的判定，這也是復(fù)合石香腸構(gòu)造研究重要的發(fā)展方向之一。

在前人工作的基礎(chǔ)上，本節(jié)對(duì)復(fù)合石香腸作了進(jìn)一步的研究，獲得了以下進(jìn)展和認(rèn)識(shí)。

（1）對(duì)復(fù)合石香腸分類，分為五類九型（包括“巧克力方盤”石香腸），這是結(jié)合復(fù)合石香腸的形態(tài)和組合特征分類的。并詳細(xì)描述了每一種類型的特點(diǎn)，有利于野外的識(shí)別。

（2）分析了每一種復(fù)合石香腸的成因機(jī)制，闡述了它們之間的異同點(diǎn)，為野外研究提供了一些重要的指導(dǎo)與建議。

（3）從復(fù)合石香腸的形態(tài)特征可以判斷能干層相對(duì)能干性的大小及形成香腸體的先后次序關(guān)系。香腸體厚度和寬度大的，能干性更強(qiáng)，先形成；香腸體間隙寬的石香腸先形成，相對(duì)能干性也更大。