北京云蒙山變質(zhì)核雜巖大水峪韌性剪切帶的應變特征及構(gòu)造意義*s

2021-09-24 05:41:58趙騰格侯泉林石夢巖丁林

巖石學報 2021年8期

關鍵詞：東段大水渦度

趙騰格侯泉林石夢巖丁林

1. 中國科學院青藏高原研究所大陸碰撞與高原隆升重點實驗室，北京 100101

2. 中國科學院大學地球與行星科學學院；中國科學院計算地球動力學重點實驗室，北京 100049

3. 中國科學院青藏高原地球科學卓越創(chuàng)新中心，北京 100101

4. 河南理工大學資源環(huán)境學院，焦作 454150

華北克拉通在中生代以來發(fā)生了強烈的破壞與巨量的減薄，并在地殼淺部發(fā)育了一系列的伸展構(gòu)造與變質(zhì)核雜巖。云蒙山變質(zhì)核雜巖位于華北克拉通北部，是我國最早發(fā)現(xiàn)的變質(zhì)核雜巖。20世紀80年代，王玉芳(1989)在云蒙山水峪地區(qū)發(fā)現(xiàn)了我國第一條低角度正斷層。隨后，Davis與鄭亞東等人的合作研究將其確立為我國第一個變質(zhì)核雜巖(Davisetal., 1996)。三十多年來，不同的學者對云蒙山變質(zhì)核雜巖進行了包括發(fā)育機制、巖石類型、地球化學以及年代學等多方面的研究工作，但仍存在一定的爭議與討論空間。

爭議的焦點之一是對云蒙山變質(zhì)核雜巖發(fā)育機制的認識，即是伸展作用主導還是巖漿作用主導？Zhengetal.(1988)首先提出了熱隆-滑覆-推覆的構(gòu)造模式，把河防口低角度正斷層與云蒙山北部逆沖斷層的形成歸因為云蒙山核部花崗巖基的熱力隆起，之后又將其修正為先發(fā)生南北向的縮短作用形成四合堂剪切帶，再發(fā)生地殼熔融致使花崗閃長巖隆起進而側(cè)向伸展形成大水峪韌性剪切帶。Davisetal.(1996)則認為云蒙山變質(zhì)核雜巖的發(fā)育機制是類似科迪勒拉型變質(zhì)核雜巖的簡單伸展模式。此模式假設北部的推覆作用較早發(fā)生，之后才發(fā)生了云蒙山巖體的隆升以及拆離斷層的發(fā)育，變質(zhì)核雜巖整體受伸展作用所控制。Passchieretal.(2005)通過研究云蒙山花崗閃長巖體侵入于周邊變閃長巖體中同構(gòu)造花崗巖脈體的運動學與地球化學特征，推斷巖漿熱隆作用是云蒙山變質(zhì)核雜巖形成的主要原因并將四合堂剪切帶與大水峪剪切帶解釋為同期的伸展剪切帶。陳印(2014)則認為云蒙山變質(zhì)核雜巖的形成更接近滾動樞紐模式，主張變質(zhì)核雜巖形成的主導因素不是云蒙山巖體的侵位而是區(qū)域性的拉張作用。云蒙山野外實地勘探的結(jié)果表明四合堂剪切帶的上盤是向南倒轉(zhuǎn)的大型背斜，并且存在大量的“褶疊帶”與地層重復現(xiàn)象，所以部分觀點將云蒙山地區(qū)解釋為簡單剪切成因有所不妥。此外，大水峪韌性剪切帶與其上覆的河防口低角度正斷層向NE延伸，并不環(huán)繞包圍云蒙山巖基，這與科迪勒拉型變質(zhì)核雜巖所具有的“斷層包圍的內(nèi)部變質(zhì)核”的特征不符。因此云蒙山變質(zhì)核雜巖的形成機制還有待進一步探討。

爭議的焦點之二是大水峪韌性剪切帶內(nèi)應變類型的變化及其與變質(zhì)核雜巖形成的關系。夏浩然(2011)認為伸展作用早期的韌性變形以純剪切為主，其后簡單剪切組分逐漸增加，在伸展變形后期過渡為簡單剪切。李建波(2012)認為大水峪韌性剪切帶的形成是地殼伸展與巖漿底辟聯(lián)合作用的產(chǎn)物。剪切帶在發(fā)育的早期經(jīng)歷了簡單剪切作用，晚期則逐漸過渡為以純剪切為主的變形。陳印(2014)對大水峪韌性剪切帶內(nèi)不同位置的5塊樣品進行了運動學渦度計算，推斷大水峪韌性剪切帶各處均發(fā)生以簡單剪切為主的變形。即便如此，這種數(shù)量的樣品數(shù)據(jù)似乎并不能很好地反應剪切帶內(nèi)的運動學渦度特征。

無論是云蒙山變質(zhì)核雜巖的形成機制還是大水峪韌性剪切帶內(nèi)的應變特征變化，其核心的問題在于云蒙山地區(qū)構(gòu)造演化過程中巖漿作用與伸展作用的主次關系。巖漿作用所造成侵位隆升為變形過程提供了純剪切組分，伸展作用所造成的韌性剪切為變形過程提供了簡單剪切組分。厘清大水峪韌性剪切帶形成過程中巖漿作用與伸展作用的關系，能更好地了解云蒙山地區(qū)的構(gòu)造演化過程。

通過對前人的研究方法與數(shù)據(jù)進行分析，覺得仍存在一些有待商榷的問題，比如大水峪韌性剪切帶內(nèi)部的運動學渦度值。渦度本身是一個瞬時概念，指變形過程中某一階段的剪切狀態(tài)。除非剪切過程是穩(wěn)定遞進變形，否則變形過程中的運動學渦度值并不恒定。在運動學渦度的研究過程中，有不同的學者提出了多個研究方法，不同的方法得到的計算結(jié)果存在些許差異。因為在實際操作中，研究者觀察到的是變形的最終產(chǎn)物，并未涉及到變形事件的全過程，所以不同方法所計算出的運動學渦度值屬于變形的不同時期。盡管如此，運動學渦度值的計算仍不失其意義，通過多種方法之間的對比我們還是能夠?qū)^(qū)域內(nèi)的變形事件有所了解。在大水峪韌性剪切帶中，夏浩然(2011)和李建波(2012)所測量的剖面與傾向以較大角度斜交，無法判斷其變化是沿剪切方向的變化還是沿走向的不均性變化。因此這樣測量出的結(jié)果難以代表大水峪韌性剪切帶內(nèi)的應變情況。陳印(2014)采用石英C軸組構(gòu)法測量得到河防口處的運動學渦度值為0.98。由最大有效力矩準則可知：最大主應力軸σ1與伸展褶劈理(C’)的夾角為55°，因此σ1與剪切帶法線的夾角ξ不會大于35°，在公式Wk=sin2ξ的限制下，運動學渦度Wk的最大值不會大于0.94。換言之，因巖石內(nèi)聚力的存在，在同一構(gòu)造應力場作用下，剪切帶必然遭受減薄，Wk<0.94。因此大水峪韌性剪切帶內(nèi)的應變特征還存在一定的討論空間。

本文以大水峪韌性剪切帶為研究對象，在剪切帶的不同部位沿傾向方向進行樣品采集。在鏡下對采集到的定向樣品進行有限應變測量，使用石英長石溫度計與EBSD石英組構(gòu)分析來確定剪切帶的變形溫度區(qū)間，采用極摩爾圓法、伸展褶劈理法以及Rs/θ法對剪切帶的運動學渦度進行計算。以此判斷巖漿作用與伸展作用在剪切帶發(fā)育過程中的影響，為云蒙山變質(zhì)核雜巖的構(gòu)造演化提供新的證據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

云蒙山位于華北克拉通北部，燕山構(gòu)造帶西段，地處北京北部的密云水庫以西(圖1)。研究區(qū)主要出露有太古代的變質(zhì)基底、中新元古界沉積巖蓋層以及侵入其中的云蒙山花崗巖基以及石城閃長巖體(張慧等, 2018)。

圖1 云蒙山地質(zhì)簡圖(據(jù)陳印等, 2014修改)Fig.1 Geological sketch map of Yunmengshan (modified after Chen et al., 2014)

區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造主體為NE-SW向的云蒙山背形。背形的北緣為四合堂韌性剪切帶，東南緣為大水峪韌性剪切帶，北西側(cè)為崎峰茶高角度正斷層，南東側(cè)為河防口低角度正斷層(圖1)。云蒙山背形、大水峪韌性剪切帶和河防口低角度正斷層共同組成了云蒙山變質(zhì)核雜巖。

云蒙山背形長約60km，寬約15km。其主要組成部分為晚侏羅-早白堊世的云蒙山花崗巖基以及兩翼的元古界、寒武系和中侏羅世的未變形的火山碎屑巖。云蒙山巖基出露面積約300km2，以中、細粒二長花崗巖為主(姬廣義等, 2004)。巖基南側(cè)與長園巖體相接，東側(cè)為密云閃長巖和沙坨子花崗巖。云蒙山巖基在大水峪剪切帶的形成過程中發(fā)育了不同程度的韌性與脆性變形構(gòu)造，由巖基向外逐漸由片麻巖過渡到糜棱巖，再由糜棱巖過渡到斷層角礫巖和斷層泥。巖體中的脈體與面理呈不同角度相交。前人的研究資料表明，云蒙山巖體侵位的時間為146～137Ma(Davisetal., 1998; Shietal., 2009; Wangetal., 2012; 劉翠等, 2004; 陳印等, 2014)。

大水峪韌性剪切帶位于云蒙山變質(zhì)核雜巖的東南緣。巖石組成主要為片麻狀與糜棱狀的花崗巖和閃長巖，普遍發(fā)育有旋轉(zhuǎn)碎斑、S-C組構(gòu)、伸展褶劈理、里德爾破裂等韌性與脆性變形構(gòu)造且普遍具有清晰的透入性面理和線理。這些現(xiàn)象均指示著上盤向SE的剪切作用。剪切帶的走向在梨樹溝附近由NE變?yōu)镹NE，因此本文將大水峪韌性剪切帶分為北東段和南西段兩個部分進行研究。北東段韌性剪切帶走向NNE，沿梨樹溝-石城一線展布，長約10km，寬約為1km，傾角20°～45°，上盤向SE運動。南西段韌性剪切帶走向NE，沿河防口-白道峪-梨樹溝一線展布，長約15km，寬約3km，傾角20°～50°，上盤向SE運動。在石城附近，剪切帶切穿云蒙山花崗巖基與石城閃長巖體。帶內(nèi)可見多期次的花崗巖侵入脈體，受變形作用影響與面理呈不同角度相交。年代學研究表明大水峪剪切帶的活動時間為135～114Ma(Davisetal., 1996; Shietal., 2009; Wangetal., 2012; Zhuetal., 2015)。

河防口低角度正斷層疊加在大水峪韌性剪切帶之上，總長約60km，走向NE-NNE，傾向SE，傾角15°～45°。關于河防口低角度正斷層的成因，目前尚存在一定的爭議，陳印(2014)認為斷層和大水峪韌性剪切帶都受控于同樣的伸展機制，與云蒙山巖體侵位無關，是135～100Ma地殼隆升過程中由塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔训慕Y(jié)果。Zhuetal.(2015)認為河防口低角度正斷層是受到均衡回彈影響而發(fā)育的地殼淺層次伸展構(gòu)造，持續(xù)時間從114Ma到早白堊世末期。

2 大水峪韌性剪切帶的變形特征

2.1 宏觀變形特征

大水峪韌性剪切帶的南西段切穿長園花崗巖體，北東段穿過云蒙山花崗巖基與石城閃長巖體。剪切帶的上盤為侏羅系、元古宇以及太古宇的碎裂和角礫狀巖石，下盤為角礫狀太古宇片麻巖及侵入其中的花崗質(zhì)片麻巖。

大水峪韌性剪切帶的不同部位發(fā)育有不同變形程度的構(gòu)造巖，由巖基向斷層方向依次出露片麻巖、糜棱巖、初糜棱巖以及斷層角礫巖，剪切帶南西段的青龍峽附近可見下寒武統(tǒng)君山組豹皮灰?guī)r向南逆沖推覆在中侏羅統(tǒng)的火山碎屑巖之上，斷層面北傾，傾角約15°，上盤為一系列高角度的正斷層(圖2a)。在白道峪村村口，可見花崗質(zhì)糜棱巖的露頭，其上發(fā)育有良好的眼球狀旋轉(zhuǎn)碎斑和S-C組構(gòu)，指示向SE的剪切作用(圖2b)。剪切帶北東段的云蒙峽剖面內(nèi)可見同樣指示SE方向剪切作用的伸展褶劈理(圖2c)。此外，剖面內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了鞘褶皺的存在(圖2d)，這指示著云蒙山早期南北向的構(gòu)造運動。鞘褶皺的形成有多種方式。當剪應變大于10時，直接形成沿剪切方向的拉長不對稱褶皺；當剪應變較小時，鞘褶皺的形成有兩種可能：一是先期褶皺在剪切作用下樞紐被彎曲，形成翼間角很小的刀鞘狀褶皺，這是疊加變形的結(jié)果；二是先期褶皺中存在原始層厚度不等或褶皺的原始層面與剪切方向斜交以及其他的局部不均一性，在遞進的剪切作用下發(fā)育為鞘褶皺(張逸鵬等, 2012)。有限應變測量結(jié)果顯示大水峪韌性剪切帶內(nèi)的剪應變均不大于5，屬于剪應變較小的情況。前人的研究結(jié)果表明云蒙山地區(qū)早先存在過一次由北向南的逆沖推覆，因此鞘褶皺可能是在這個階段初步發(fā)育，之后在經(jīng)歷了東西向的剪切作用后形成的。另一方面，鞘褶皺的發(fā)育說明剪切帶在形成過程中發(fā)生了韌性減薄。

2.2 顯微構(gòu)造特征

鏡下觀察可以發(fā)現(xiàn)，大水峪韌性剪切帶中同樣保留了不同特征的韌性與脆性變形構(gòu)造。在靠近河防口斷層的部位，韌性變形的S-C組構(gòu)(圖3a)與脆性變形的多米諾構(gòu)造(圖3b)均指示向SE的剪切。此外，大水峪韌性剪切帶不同位置的石英與長石的重結(jié)晶機制存在差異。在靠近巖基的部位，通常為花崗質(zhì)片麻巖或花崗質(zhì)糜棱巖，鏡下觀察可見長石膨凸重結(jié)晶與亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶現(xiàn)象共存(圖3c)，斜長石的邊部發(fā)育明顯的蠕英結(jié)構(gòu)(圖3d)，石英則均為顆粒邊界遷移重結(jié)晶(圖3e)。在剪切帶中間部位，北東段因為云蒙山巖基與石城閃長巖體侵入接觸，主要為花崗質(zhì)初糜棱巖與閃長質(zhì)初糜棱巖互層。長石的重結(jié)晶機制變?yōu)榕蛲怪亟Y(jié)晶(圖3f)，蠕英結(jié)構(gòu)的數(shù)量減少，石英則過渡為顆粒邊界遷移重結(jié)晶與亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶共存(圖3g)。南西段主要為花崗質(zhì)與花崗閃長質(zhì)的初糜棱巖，石英與長石重結(jié)晶機制基本保持不變。在靠近河防口斷層的部位，北東段位于石城閃長巖體內(nèi)，長石顆粒均為膨凸重結(jié)晶，石英多為亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶(圖3h)，但個別樣品中的石英仍可觀察到顆粒邊界遷移重結(jié)晶現(xiàn)象。南西段的長石顆粒同樣為膨凸重結(jié)晶，石英則過渡為亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶。

圖3 大水峪韌性剪切帶鏡下顯微構(gòu)造(a)長石的S-C組構(gòu)；(b)斜長石的多米諾構(gòu)造；(c)鉀長石的亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶現(xiàn)象；(d)斜長石內(nèi)部的蠕英結(jié)構(gòu)；(e)石英的顆粒邊界遷移重結(jié)晶；(f)長石的膨凸重結(jié)晶；(g)石英的亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶(SGR)與顆粒邊界遷移重結(jié)晶(GBM)共存；(h)石英的亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶.Pl-斜長石；Kfs-鉀長石；Qtz-石英；Hbl-角閃石；Mus-白云母；Bt-黑云母；SGR-亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶；GBM-顆粒邊界遷移重結(jié)晶Fig.3 Microstructures of rocks of the Dashuiyu ductile shear zone(a) S-C fabric of feldspar; (b) domino structure of plagioclase; (c) subgrain rotational recrystallization of K-feldspar; (d) myrmekitic texture within plagioclase; (e) grain boundary migration recrystallization of quartz; (f) bulging recrystallization of feldspar; (g) coexistence of subgrain rotation recrystallization (SGR) and grain boundary migration recrystallization (GBM) in quartz; (h) grain boundary migration recrystallization of quartz. Pl-plagioclase; Kfs-potash feldspar; Qtz-quartz; Hbl-amphibole; Mus-muscovite; Bt-biotite; SGR-subgrain rotational recrystallization; GBM-grain boundary migration recrystallization

前人的研究結(jié)果表明，石英與長石在不同的溫度區(qū)間內(nèi)存在著不同的重結(jié)晶樣式(向必偉等, 2007)。通過觀察長石與石英在顯微鏡下的動態(tài)重結(jié)晶形式，可以限定大水峪韌性剪切帶的變形溫度區(qū)間。因此，初步推斷大水峪韌性剪切帶的構(gòu)造巖相在高綠片巖相與低角閃巖相之間變化。變形溫度區(qū)間為480～650℃(大部分樣品的變形溫度低于600℃)。這與張慧等(2018)對云蒙峽剖面使用二長石溫度計估算的結(jié)果(450～630℃)基本吻合。

3 有限應變測量與運動學渦度估算

3.1 有限應變測量

發(fā)生過構(gòu)造運動的區(qū)域，其間的巖石會在一定程度上發(fā)生變形，產(chǎn)生應變。通過測量巖石中某些標志物體(礫石、構(gòu)造角礫、化石、鮞粒、氣孔以及枕狀熔巖等)的應變狀態(tài)，可以了解巖石的變形現(xiàn)象，從而進一步了解研究區(qū)的構(gòu)造屬性與經(jīng)歷的構(gòu)造事件。這種定量分析研究區(qū)域應變狀況的手段稱為“有限應變測量”。

有限應變測量首先要確定所測量的應變標志體。對所采集的樣品進行了鏡下觀察研究發(fā)現(xiàn)，剪切帶內(nèi)的石英多數(shù)發(fā)生不同程度的重結(jié)晶作用，如亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶以及顆粒邊界遷移重結(jié)晶，不適合作為有限應變測量的標志體。剪切帶內(nèi)的長石多發(fā)生脆性破裂和低溫膨凸重結(jié)晶。即使在出現(xiàn)長石亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶的樣品中，也可觀察到部分膨凸重結(jié)晶的長石顆粒。因此可將長石在變形過程中的變化視為剛體旋轉(zhuǎn)。長石在不同的變質(zhì)條件下具有不同的變形現(xiàn)象：在低級變質(zhì)條件(<400℃)下主要為脆性破裂，在中低級變質(zhì)條件(400～500℃)和中級變質(zhì)條件下(450～600℃)出現(xiàn)位錯攀移與亞顆粒旋轉(zhuǎn)動態(tài)重結(jié)晶作用，在高級變質(zhì)條件(>600℃)下則以亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶為主(胡玲等, 2009)。由前文可知，大水峪韌性剪切帶的變形溫度區(qū)間為480～650℃，且大多數(shù)樣品位于中低級和中級變質(zhì)條件下。Bailey and Eyster (2003)的研究結(jié)果表明：在中低級韌性變形過程中，長石顆粒間的滑動較少，近于剛體旋轉(zhuǎn)。此外，大水峪韌性剪切帶內(nèi)主要發(fā)育糜棱巖和初糜棱巖，基質(zhì)含量約在50%左右。鏡下觀察也可發(fā)現(xiàn)長石顆粒較多而石英多為裂隙充填。綜合以上原因，本研究選取鏡下較為完整的長石顆粒作為應變測量標志體。

有限應變測量的基礎是要將變形巖石中標志體的變形狀態(tài)與變形前進行比較。通過測量應變標志體的主應變軸的方位和大小等變形數(shù)據(jù)，算出研究區(qū)域內(nèi)各樣點的應變狀態(tài)，求取各點應變橢球體主軸的方位、長短軸比以及Flinn指數(shù)(k)等參數(shù)，進而推算研究區(qū)域的減薄量和韌性位移量等數(shù)據(jù)。

因此，應變測量的首要任務是要確定主應變軸的方位及其大小。一般情況下，主應變軸的方位由糜棱巖中的面理和拉伸線理的方位來確定。規(guī)定拉伸線理方向為X軸，平行面理垂直線理方向為Y軸，垂直面理方向為Z軸。XYZ三個軸共同組成了應變分析所需要的XY面(最大壓扁面)、XZ面和YZ面。通過測量三個面中任意兩個面上的長短軸比，將其標準化到體積為4π/3的橢圓上，即可得到XYZ三個軸上的應變參數(shù)。

本次研究在大水峪韌性剪切帶的5條剖面內(nèi)共采集41塊定向樣品進行研究。平行于XZ和YZ面切制定向薄片。使用Straindesk軟件對鏡下照片中的長石顆粒輪廓進行勾勒，即可得到長石顆粒的長短軸比以及長軸與剪切帶邊界夾角等應變測量數(shù)據(jù)(李志勇和曾佐勛, 2006)。每個樣品采集30個以上的長石顆粒數(shù)據(jù)，并對測量得到的應變數(shù)據(jù)計算調(diào)和平均值來減少誤差。詳細測量結(jié)果見表1。

表1 大水峪韌性剪切帶有限應變測量、運動學渦度分析數(shù)據(jù)表Table 1 Data table for finite strain measurement and kinematic vorticity analysis of the Dashuiyu ductile shear zone

3.2 應變特征分析

許氏圖解和Flinn圖解是分析地質(zhì)體應變類型的常用方法。通過將應變測量得到的數(shù)據(jù)投影到圖上可以直觀地表達應變橢球的形態(tài)以及其所代表的應變類型。

剪切帶北東段的Flinn圖解投圖結(jié)果顯示云蒙峽剖面和南石城剖面的點位較為分散，北石城剖面內(nèi)的點則較為集中，但Flinn指數(shù)k的平均值相差不大，分別為0.23、0.28和0.24，均指示壓扁應變(圖4a)。許氏圖解中三條剖面的Lode參數(shù)ν均位于0到1之間，結(jié)果與Flinn圖解的結(jié)果相同，仍指示壓扁變形的橢球(圖4b)。剪切帶南西段的Flinn圖解中白道峪剖面與小水峪剖面的投點位置更靠近k=0.1的軸，k的平均值分別為0.13和0.15，這指示著南西段的應變狀態(tài)接近軸對稱壓縮(圖4c)。許氏圖解的Lode參數(shù)ν同樣位于0到1之間，指示壓扁應變(圖4d)。

圖4 大水峪韌性剪切帶的Flinn圖解與許氏圖解Fig.4 Flinn and Hsǖ diagram of the Dashuiyu ductile shear zone

綜合分析表明大水峪韌性剪切帶在形成過程中的主要應變類型為壓扁應變，其由巖漿作用所主導的巖基侵位隆升所提供，且南西段的壓扁作用要大于北東段。此外，應變測量結(jié)果顯示南西段與北東段的X軸與Y軸均發(fā)生了拉長。剪切帶南西段的寬度(2～3km)大于北東段(1km)。前人研究表明，云蒙山東北部巖體(馮家峪巖體、西白蓮峪巖體和大東溝巖體)中未觀察到明顯的構(gòu)造變形現(xiàn)象(陳印, 2014)。因此，推測大水峪韌性剪切帶的北東段的伸展拆離過程受到云蒙山東北部巖體(西白蓮峪巖體、馮家峪巖體和大東溝巖體)的阻擋，進而沿剪切帶走向方向發(fā)生了一定程度上的擠壓作用。綜合上述討論，可知剪切帶在發(fā)育過程受巖漿作用所主導的純剪切的影響較大，伸展拆離作用所提供的簡單剪切作用于剪切帶形成晚期。

3.3 韌性位移量與減薄率計算

表2 大水峪韌性剪切帶中各剖面的韌性位移量Table 2 Ductile displacement of each section in the Dashuiyu ductile shear zone

剪切帶在形成過程中受到垂直和水平方向的力，必然會出現(xiàn)一定程度上的體積變化，韌性的減薄與增厚不可避免。Simpson and De Paor (1993)提出韌性剪切帶在形成過程中受到次簡單剪切作用影響而發(fā)生厚度變化，剪切帶在其長度增加、體積變小和第三位方向伸展的情況下可發(fā)生韌性減薄。Wallis (1995)認為垂直剪切帶邊界方向的減薄率(減薄量與原厚度的比值)與運動學渦度Wk以及XZ面的軸比Rs

分別采用公式法和極摩爾圓圖解法對云蒙峽剖面和小水峪剖面的XZ面和YZ面上的減薄率進行計算(表3)，發(fā)現(xiàn)XZ面的減薄率高達60%～90%，YZ面的減薄率也在60%以上。這同樣指示著大水峪韌性剪切帶的形成過程中受壓扁作用的影響較大，與Flinn圖解與許氏圖解的投圖結(jié)果一致。

表3 大水峪韌性剪切帶的韌性減薄率Table 3 Ductile thinning rate of the Dashuiyu ductile shear zone

4 運動學渦度

渦度(vorticity)原本是流體力學中描述流體旋轉(zhuǎn)程度的概念，地質(zhì)學上把它作為描述巖石變形過程中內(nèi)部旋轉(zhuǎn)程度的向量。為了度量簡單剪切與純剪切各組分在變形過程中所占的比例，地質(zhì)學家又引入了運動學渦度(Wk)的概念。運動學渦度可以更加清晰地度量剪切帶中簡單剪切與純剪切各組分在變形過程中所占的比例，進而更好地解釋剪切帶的運動學性質(zhì)。當0

Bobyarchick(1986)把運動學渦度(Wk)的表達式簡化為Wk=cosα。式中，α為兩特征方向間的夾角。純剪切的運動學渦度值為0，簡單剪切的運動學渦度值為1，一般剪切的運動學渦度值介于0和1之間(鄭亞東等, 2008)。

運動學渦度的研究與使用迄今已有40年，計算運動學渦度的方法也在不斷完善和進步。目前，估算運動學渦度的主流方法有極摩爾圓法(Zhang and Zheng, 1997)、伸展褶劈理法(鄭亞東等, 2007)以及Rs/θ圖解法(Tikoff and Fossen, 1993)。本文結(jié)合上述三種方法對大水峪韌性剪切帶的運動學渦度值(Wk)進行估算。

4.1 極摩爾圓法

Simpson and De Paor (1993)最先提出了極摩爾圓的構(gòu)建方法。Zhang and Zheng (1997)對其進行了改進，提出了更為實用的利用極摩爾圓計算運動學渦度的方法。本文采用這個方法，對大水峪韌性剪切帶內(nèi)5條剖面上的定向樣品進行運動學渦度的計算。利用有限應變測量得到的XZ面長短軸比RS-XZ以及其長軸與剪切帶邊界的夾角θ來構(gòu)建極摩爾圓，從而得到兩特征向量的夾角α，再利用公式Wk=cosα計算運動學渦度(表1)。將計算得到的運動學渦度值結(jié)合采樣位置投影在剖面圖上，可以得到大水峪韌性剪切帶走向方向的渦度變化趨勢。

剪切帶北東段的運動學渦度值變化幅度較大。云蒙峽剖面的運動學渦度為0.08～0.84，平均值為0.42；南石城剖面的運動學渦度為0.06～0.5，平均值為0.25；北石城剖面的運動學渦度為0.11～0.65，平均值為0.44(表1)。結(jié)合剖面在地質(zhì)圖上的位置(圖1)分析得到大水峪剪切帶北東段的運動學渦度變化趨勢由巖基向斷層方向先減小后增大，剪切類型總體仍為純剪切(圖5)。

圖5 大水峪韌性剪切帶北東段采樣剖面與運動學渦度值變化Fig.5 Sampling locations and kinematic vorticity variations in the northeast section of the Dashuiyu ductile shear zone

剪切帶南西段的渦度變化范圍較小。白道峪剖面的渦度為0.44～0.66，平均值為0.54；小水峪剖面的渦度為0.60～0.85，平均值為0.77。結(jié)合剖面地理位置分析得到大水峪剪切帶南西段由北向南運動學渦度值逐漸增大，純剪切組分減少，剪切類型逐漸由純剪切過渡到簡單剪切(圖6)。

圖6 大水峪韌性剪切帶南西段采樣剖面及運動學渦度值變化Fig.6 Sampling locations and kinematic vorticity variations in the southwest section of the Dashuiyu ductile shear zone

4.2 伸展褶劈理(C’)法

伸展褶劈理(C’)形成于剪切帶晚期的低溫階段，代表的是剪切帶形成晚期的運動學渦度(鄭亞東等, 2008)。鄭亞東(1999)提出的“最大有效力矩準則”可用于伸展褶劈理發(fā)育時運動學渦度的計算。C′面理與C面理間的夾角為0°～35°，C′與最大主應力(σ1)間的夾角為55°。測量糜棱巖中形成的伸展褶劈理(C’)與剪切帶面理(C)的夾角，可得最大主應力軸(σ1)與剪切帶法線的夾角(ξ)，通過公式可以計算得到運動學渦度Wk(鄭亞東等, 2008)。

本文針對白道峪、云蒙峽、南石城和北石城4條剖面中選取能觀察到伸展褶劈理發(fā)育的XZ面薄片進行測量計算。為了減小誤差，每張薄片測量30組數(shù)據(jù)以上并計算調(diào)和平均值(表1)。白道峪剖面的運動學渦度值為0.27～0.47，平均值為0.39。云蒙峽剖面的運動學渦度值為0.10～0.59，平均值為0.40；南石城剖面的運動學渦度值為0.15～0.42，平均值為0.30；北石城剖面的運動學渦度值為0.22～0.62，平均值為0.44。四條剖面的伸展褶劈理法計算結(jié)果均指示純剪切為主的變形作用。結(jié)合極摩爾圓法計算得到的運動學渦度數(shù)據(jù)與剖面采樣位置(圖5、圖6)分析，說明剪切帶形成的后期純剪切組分占比較高且北東段的運動學渦度存在由巖基向外先減小后增大的趨勢。

4.3 RS/θ曲線法

在某些剪切帶中，有限應變橢球體可以由垂直于剪切帶和平行于剪切方向的截面中的變形標志體計算。Fossen and Tikoff (1993)的研究表明如果應變橢圓的軸率RS和應變橢圓長軸與高應變帶邊界夾角θ已知，則可通過關系圖解估算運動學渦度值的范圍與地質(zhì)體所經(jīng)歷的擠壓或拉張作用。劉江等(2012)基于前人的研究，繪制了平均運動學渦度Wm關于RS與θ的等值線圖。本文主要通過測量S面理與C面理間的夾角來獲得θ的值，結(jié)合特征向量間的夾角α以及長短軸比RS進行投圖(圖7)。結(jié)果顯示，剪切帶北東段與南西段均發(fā)生減薄的一般剪切作用，且北東段內(nèi)的渦度變化范圍要大于南西段。

圖7 大水峪韌性剪切帶RS/θ法圖解Fig.7 RS/θ diagrams of the Dashuiyu ductile shear zone

此外，Tikoff and Fossen (1993)還提出了轉(zhuǎn)換擠壓和轉(zhuǎn)換拉張下運動學渦度(Wk)分別與θ和α的關系圖。將θ和α投影在圖上，發(fā)現(xiàn)大水峪韌性剪切帶的南西段和北東段均為以純剪切為主的變形(圖8a, b)，且均指示以純剪切為主的轉(zhuǎn)換擠壓作用(圖8c, d)。白道峪剖面的純剪切組分多于小水峪剖面，這與極摩爾圓法測得的結(jié)果一致。盡管剪切帶北東段剖面的長度要小于剪切帶南西段剖面的長度，但北東段剖面內(nèi)的渦度變化范圍要大于南西段剖面的渦度變化范圍。結(jié)合云蒙山地區(qū)的地質(zhì)背景，這說明大水峪韌性剪切帶的北東段的相較南西段發(fā)生了更為復雜的構(gòu)造演化事件。

圖8 轉(zhuǎn)換擠壓和轉(zhuǎn)換拉張下運動學渦度(Wk)分別與θ和α的關系Fig.8 The relationship between kinematic vorticity (Wk) and θ and α, under transpression and transtension

5 EBSD石英組構(gòu)分析

在構(gòu)造地質(zhì)學研究中，巖石組構(gòu)分析是研究巖石物理性質(zhì)、變形機制以及運動學規(guī)律的重要方向和手段。僅在露頭尺度上對巖石的變形現(xiàn)象進行研究不僅不精確而且難以定量分析。因此，在巖石組構(gòu)的研究中常常需要借助一些技術手段。

電子背散射衍射(Electron backscatter diffraction，簡稱EBSD)技術是一種近年來在地質(zhì)領域很流行的技術。其原理是結(jié)合波譜和能譜成分分析等設備使用高分辨率的掃描電子顯微鏡來確定晶體的粒度、邊界、取向差、物相鑒定與應變等信息(黃學猛等, 2016)。通過EBSD技術分析能夠把掃描得到的晶體參數(shù)以不同的圖件表示，其中就包括礦物的CPO樣式。

樣片表面晶體的優(yōu)選方向稱為CPO(crystal preferred orientation)。不同的CPO樣式可以指示不同的運動方向、確定變形溫度區(qū)間和度量應變大小。CPO樣式在共軸變形與非共軸變形中呈現(xiàn)不同的對稱關系，前者為對稱關系，后者為單斜對稱關系(Langilleetal., 2010)。此外，CPO樣式也能指示不同的變形溫度區(qū)間。以石英為例，變形溫度由低到高依次為底面滑移、菱面滑移、柱面滑移和柱面滑移。

本研究采用石英作為研究載體，實驗在中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所大陸動力學實驗室完成，測試方法及流程見文獻(劉俊來等, 2008)。根據(jù)所測試的5個樣品呈現(xiàn)出不同的CPO樣式，并將其結(jié)合采樣位置繪制在地質(zhì)圖上(圖9)。由圖9可知，5塊樣品的石英C軸組構(gòu)圖均指示向SE的剪切作用，但環(huán)帶類型和極密位置存在差異。剪切帶兩端靠近巖基的樣品(YMX19554)和靠近斷層的樣品(YMX121401和SC694)呈現(xiàn)為靠近Y軸極密的柱面滑移，指示高溫變形。剪切帶中間部位的樣品(DX682和SC692)則為Z軸與YZ軸之間的極密，為指示中低溫變形的菱面滑移和底面滑移。這說明剪切帶中間部位存在不同溫度巖片疊加的現(xiàn)象并且變形溫度由巖基向外呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢。