桂北地區(qū)龍勝韌性剪切帶的應(yīng)變特征及構(gòu)造意義

范天一,秦 亞,馮佐海,鄭桂青,白玉明,胡喬帆,吳 杰

(1.桂林理工大學(xué) a.廣西有色隱伏金屬礦產(chǎn)勘查與新材料開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心;b.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541006;2.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東 青島 266100;3.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西 桂林 541006)

桂北龍勝地區(qū)位處揚(yáng)子和華夏陸塊拼貼造山帶的西南端,其上元古界廣泛發(fā)育鎂鐵-超鎂鐵巖［1-5］。由于缺乏典型的蛇綠巖和高壓變質(zhì)巖,桂北地區(qū)廣泛出露的鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖成為研究華南大陸早期構(gòu)造演化的關(guān)鍵［5-10］。早期部分學(xué)者認(rèn)為桂北龍勝地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖與圍巖呈構(gòu)造成因的“冷接觸”,進(jìn)而提出龍勝蛇綠巖的認(rèn)識(shí)［11-14］。但一些學(xué)者認(rèn)為,桂北龍勝地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖與圍巖并非構(gòu)造成因的“冷接觸”,進(jìn)而對(duì)龍勝蛇綠巖提出質(zhì)疑［15-19］。張桂林等［15-16］認(rèn)為桂北龍勝地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖是順層侵位的巖席在變形分解下殘留在弱變形域中的構(gòu)造透鏡體,而周圍強(qiáng)變形域?yàn)檫吘夗g性剪切帶;張成龍等［18］亦認(rèn)為桂北龍勝地區(qū)吊竹山輝綠巖體北東側(cè)發(fā)生了明顯的變形和片理化,并發(fā)育糜棱結(jié)構(gòu);秦亞等［19］認(rèn)為桂北龍勝地區(qū)上朗變鎂鐵巖的西側(cè)呈現(xiàn)透入性片理,具有S-C組構(gòu)、旋轉(zhuǎn)碎斑和拉伸線理等糜棱結(jié)構(gòu)。

盡管桂北龍勝地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖周緣發(fā)育韌性剪切構(gòu)造的認(rèn)識(shí)在20世紀(jì)已經(jīng)提出,但相關(guān)的研究多集中在鎂鐵質(zhì)糜棱巖的幾何學(xué)和糜棱結(jié)構(gòu),韌性剪切構(gòu)造與金礦的成礦關(guān)系等方面［18-21］。桂北龍勝地區(qū)韌性剪切構(gòu)造的應(yīng)變特征、流變學(xué)、年代學(xué)和動(dòng)力學(xué)背景等研究則甚少。近年來,本文作者及其所在團(tuán)隊(duì)在桂北龍勝地區(qū)開展系統(tǒng)的野外地質(zhì)調(diào)查,利用宏-微觀構(gòu)造、磁組構(gòu)和流變學(xué)等方法,探討龍勝韌性剪切帶的應(yīng)變特征和動(dòng)力學(xué)背景,約束區(qū)域構(gòu)造演化。

1 地質(zhì)特征

揚(yáng)子和華夏陸塊于新元古代初期拼貼造山形成統(tǒng)一的古華南大陸,碰撞拼貼帶被稱為江南造山帶［22-23］。其后,隨著全球Rodinia超大陸的裂陷,統(tǒng)一的古華南大陸開始裂解［24-26］。裂解之后的揚(yáng)子和華夏陸塊于早古生代再次造山而形成現(xiàn)今統(tǒng)一的構(gòu)造格局［2-4］。本文所討論的龍勝韌性剪切帶處于揚(yáng)子和華夏陸塊拼貼造山帶南西端的桂北地區(qū)［27］(圖1-A)。

圖1 華南大地構(gòu)造簡(jiǎn)圖及桂北地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Tectonic map of the South China and sketch map of northern Guangxi province(A)圖據(jù)周雪瑤等［27］修改;(B)據(jù)廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局［33］修改。圖中:F1.摩天嶺韌性剪切帶,F2.四堡韌性剪切帶,F3.元寶山韌性剪切帶,F4.三江韌性剪切帶,F5.壽城-三門韌性剪切帶,F6.龍勝韌性剪切帶

桂北地區(qū)出露的最老地層為上元古界四堡群,自下而上分為九小組、文通組和魚西組,為一套變質(zhì)變形的火山-碎屑巖系。不整合于四堡群之上的是具有裂谷充填性質(zhì)的上元古界丹洲群［28-29］,自下而上分為白竹組、合桐組(三門街組)和拱洞組,為1套淺變質(zhì)的火山-碎屑巖系。丹洲群之上為冰期沉積的南華系,南華系與下伏丹洲群的接觸關(guān)系在黔東南—桂北地區(qū)往NW方向逐漸由整合接觸漸變?yōu)槠叫胁徽匣蛭⒔嵌炔徽辖佑|［29-32］。南華系之上為震旦系,下古生界寒武系和奧陶系,上古生界泥盆系和二疊系。中生界僅在龍勝南部的兩江地區(qū)局部出露［33］(圖1-B)。

研究區(qū)出露多期巖漿巖,包括新元古代、早古生代和中生代巖漿巖。新元古代巖漿事件最為強(qiáng)烈,花崗巖和鎂鐵-超鎂鐵巖均廣泛出露。新元古代花崗巖主體出露于桂北摩天嶺、元寶山和四堡等地,主體巖性為二長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖。新元古代鎂鐵-超鎂鐵巖主要圍繞摩天嶺和元寶山巖體分布于四堡群,以及呈NNE向出露于丹洲群。早古生代巖體主要分布于桂北龍勝地區(qū),如龍勝巖體［34］。近年來,桂北地區(qū)還存在中生代燕山期鎂鐵-超鎂鐵巖的報(bào)道［35］。

桂北地區(qū)具有復(fù)雜的構(gòu)造形跡,褶皺和斷裂構(gòu)造均十分發(fā)育。四堡期褶皺總體呈近EW向展布的緊閉褶皺;而早古生代褶皺則總體呈現(xiàn)NNE向,自W向E分別出露摩天嶺復(fù)式背斜、元寶山復(fù)式背斜、三門復(fù)式背斜、龍勝?gòu)?fù)式背斜和馬海復(fù)式背斜等(圖1-B)。NNE向斷裂構(gòu)造亦十分發(fā)育,且具韌性變形的宏-微觀構(gòu)造特征;自W向E展布有摩天嶺韌性剪切帶、四堡韌性剪切帶、元寶山韌性剪切帶、三江韌性剪切帶、壽城-三門韌性剪切帶和龍勝韌性剪切構(gòu)造等［18-19,21］。除NNE向韌性剪切構(gòu)造外,NW、EW和SN構(gòu)造亦相對(duì)發(fā)育(圖1-B)。

2 宏觀構(gòu)造特征

龍勝韌性剪切帶具有典型的宏觀韌性變形構(gòu)造,卷入韌性變形的地質(zhì)體包括上元古界丹洲群、南華系和震旦系,以及丹洲群中的鎂鐵-超鎂鐵巖(圖1-B)。

桂北龍勝地區(qū)上元古界丹洲群和震旦系因韌性變形而產(chǎn)生強(qiáng)烈片理化(圖2-A),并發(fā)育不對(duì)稱的眼球體(圖2-A)、大型拉伸線理(圖2-B)和A型褶皺等(圖2-C)。先存石英脈多被剪切拉伸形成石英構(gòu)造透鏡體(圖2-D),或發(fā)生揉皺彎曲形成不對(duì)稱褶皺(圖2-E)。上述宏觀構(gòu)造指示左旋逆沖剪切的運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)。

圖2 龍勝韌性剪切帶的宏觀構(gòu)造特征Fig.2 The outcrop structural features of Longsheng ductile shear zone(A)丹洲群巖石發(fā)生強(qiáng)烈的片理化并產(chǎn)生不對(duì)稱眼球體(龍勝縣 和平);(B)丹洲群中的拉伸線理(龍勝縣 黃家);(C)丹洲群中的A型褶皺(龍勝縣 泗水);(D)石英眼球體指示逆沖剪切(龍勝縣 現(xiàn)坪);(E)石英脈發(fā)生揉皺彎曲形成不對(duì)稱褶皺(龍勝縣 泗水);(F)韌性剪切帶內(nèi)變輝綠巖中的透入性片理構(gòu)造(龍勝縣 金結(jié));(G)鎂鐵質(zhì)糜棱巖中的σ殘斑和S-C組構(gòu),指示左旋剪切(平面)(龍勝縣 金結(jié));(H)鎂鐵質(zhì)糜棱巖中同構(gòu)造方解石眼球體指示逆沖剪切(龍勝縣 金結(jié));(I)鎂鐵質(zhì)糜棱巖中的拉伸線理(龍勝縣 金結(jié))

鎂鐵-超鎂鐵巖的中部常呈塊狀構(gòu)造,其周緣常形成強(qiáng)烈的透入性片理(圖2-F),并發(fā)育糜棱巖、旋轉(zhuǎn)碎斑、S-C組構(gòu)和拉伸線理等構(gòu)造。龍勝縣金結(jié)變輝綠巖邊緣韌性剪切變形帶內(nèi),殘斑礦物主要是蝕變礦物方解石,呈不對(duì)稱的眼球體(圖2-G、H),其長(zhǎng)軸優(yōu)選方位所顯示的剪切帶內(nèi)面理與細(xì)?；姆浇馐⒕G泥石和綠簾石等基質(zhì)定向排列所顯示的新生面理共同構(gòu)成S-C組構(gòu)(圖2-G)。拉伸線理中的礦物主要是帶狀分布的方解石和綠泥石等(圖2-I)。宏觀構(gòu)造研究表明,研究區(qū)可能存在多期構(gòu)造變形,不同部位保留不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì),既有左旋逆沖剪切,又有右旋正滑剪切。

3 微觀構(gòu)造特征

本文對(duì)鎂鐵-超鎂鐵巖和卷入韌性變形的沉積地層開展顯微構(gòu)造研究,討論桂北地區(qū)龍勝韌性剪切帶的微觀構(gòu)造特征。

超鎂鐵質(zhì)糜棱巖具有典型的糜棱結(jié)構(gòu)(圖3-A)。殘斑礦物主要為長(zhǎng)柱狀的陽(yáng)起石、透閃石、方解石和黃鐵礦等;基質(zhì)礦物主要為針狀或纖維狀陽(yáng)起石或透閃石,次要礦物為纖維狀的綠泥石和綠簾石等。陽(yáng)起石或透閃石殘斑受韌性剪切變形而發(fā)生位移、旋轉(zhuǎn)和細(xì)?；?并形成眼球狀構(gòu)造。眼球體呈“S”形彎曲,其長(zhǎng)軸優(yōu)選方位構(gòu)成剪切帶內(nèi)面理(S面理)。陽(yáng)起石和綠泥石等纖維狀基質(zhì)圍繞眼球體定向排列,指示固態(tài)流變的特點(diǎn),并形成剪切帶面理(C面理)。殘斑礦物和基質(zhì)共同構(gòu)成S-C組構(gòu),指示左旋剪切(圖3-A)。眼球體殘斑的兩端常見纖維狀的陽(yáng)起石或綠泥石拖尾,殘斑礦物的長(zhǎng)軸優(yōu)選方位與拖尾構(gòu)造形成剪切帶內(nèi)面理,與剪切帶面理構(gòu)成S-C組構(gòu),指示右旋剪切(圖3-B)。方解石殘斑在超鎂鐵質(zhì)糜棱巖中呈不均勻分布,呈橢圓狀,其長(zhǎng)軸方向與剪切帶的面理方向一致,且內(nèi)部發(fā)育機(jī)械雙晶(圖3-C)。黃鐵礦殘斑與綠泥石、少量的滑石和方解石等影中礦物共同構(gòu)成不對(duì)稱的壓力影構(gòu)造,指示右旋剪切(圖3-D)。

圖3 龍勝韌性剪切帶的典型顯微構(gòu)造變形特征Fig.3 Typical microstructural characteristics of Longsheng ductile shear zone(A)陽(yáng)起透閃石糜棱巖中的糜棱結(jié)構(gòu),殘斑礦物與基質(zhì)構(gòu)成S-C組構(gòu),指示左旋剪切(龍勝縣 和平鄉(xiāng))(+);(B)陽(yáng)起透閃石糜棱巖中的基質(zhì)圍繞殘斑礦物構(gòu)成S-C組構(gòu),指示右旋剪切(龍勝縣 和平鄉(xiāng))(+);(C)陽(yáng)起透閃石糜棱巖中方解石殘斑和機(jī)械雙晶(龍勝縣 和平鄉(xiāng))(+);(D)陽(yáng)起透閃石糜棱巖中黃鐵礦殘斑及不對(duì)稱壓力影構(gòu)造(龍勝縣 和平鄉(xiāng))(+);(E)鎂鐵質(zhì)糜棱巖中的S-C組構(gòu),指示左旋剪切(龍勝縣 金結(jié))(+);(F)變泥質(zhì)巖中的石英動(dòng)態(tài)重結(jié)晶顆粒,指示膨凸式重結(jié)晶的型式(龍勝縣 和平鄉(xiāng))(+) 。礦物代號(hào):Qz.石英;Act.陽(yáng)起石;Cal.方解石;Ser.絹云母;Py.黃鐵礦

鎂鐵質(zhì)糜棱巖具顯微糜棱結(jié)構(gòu)。殘斑礦物主要是黃鐵礦和方解石,基質(zhì)為細(xì)?；姆浇馐?、石英、絹云母和綠泥石等。眼球狀方解石殘斑的優(yōu)選方位所指示的剪切帶內(nèi)面理與基質(zhì)礦物定向排列所組成的剪切帶面理共同構(gòu)成S-C組構(gòu),指示左旋剪切(圖3-E)。方解石殘斑因剪切滑動(dòng)形成的顯微書斜構(gòu)造,亦指示左旋剪切(圖3-E)。

片理化的沉積地層主要巖性為凝灰質(zhì)片巖和云母片巖。石英殘斑以集合體形式存在,主要為動(dòng)態(tài)重結(jié)晶顆粒,粒徑較小(20～50 μm);基質(zhì)主要為細(xì)?；氖?、絹云母及綠泥石等。石英殘斑顯示波狀消光,重結(jié)晶石英顆粒充填在石英殘斑礦物的顆粒邊界,顯示膨凸式重結(jié)晶(BLG)的型式,指示變形溫度較低(300 ℃～400 ℃)(圖3-F)。

綜合宏-微觀構(gòu)造特征,桂北地區(qū)龍勝韌性剪切帶具有多期構(gòu)造變形的特征,不同部位呈現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì),部分地帶顯示左旋逆沖剪切,部分地帶顯示右旋正滑剪切。

4 應(yīng)變特征

因龍勝韌性剪切帶缺乏明顯的宏觀應(yīng)變標(biāo)志體,本文利用磁橢球體來代替應(yīng)變橢球體,采用磁組構(gòu)特征來討論韌性剪切帶的規(guī)模、產(chǎn)狀、應(yīng)變特征和剪切性質(zhì)等。

首先野外采集未風(fēng)化、新鮮的定向樣品;然后在實(shí)驗(yàn)室將其切割成立方體樣品(2 cm×2 cm×2 cm);最后開展磁組構(gòu)測(cè)量。磁組構(gòu)樣品的分析測(cè)試工作在桂林理工大學(xué)廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用MFK1-A/CS-4型卡帕橋旋轉(zhuǎn)型單頻磁化率儀完成。測(cè)量場(chǎng)300 A/m,工作頻率875 Hz,環(huán)境溫度20 ℃,靈敏度2×10-8SI,精度0.1%［36-37］。通過測(cè)量定向巖心的15個(gè)不同方向的磁化率大小,求得單個(gè)巖芯樣品的3個(gè)磁化率主軸Kmax、Kint、Kmin大小和方位,同時(shí)利用Anisoft軟件將多個(gè)巖心樣品的分析數(shù)據(jù)擬合出該采樣點(diǎn)的磁化率橢球體的形態(tài)和方位,并求出樣品的磁組構(gòu)參數(shù),如磁化率各向異性度(P值),磁面理(F值),磁線理(L值)和磁化率橢球體扁率(E值)等。

4.1 規(guī)模和產(chǎn)狀

論文實(shí)測(cè)與區(qū)域構(gòu)造線呈大角度相交的3條磁組構(gòu)剖面(圖4),由N向S依次為棉花坪—泗水剖面(A-A’)、翁家—荔枝溝剖面(B-B’)和高石山—現(xiàn)坪剖面(C-C’)(圖4)。共采取磁組構(gòu)樣品42件,其中棉花坪—泗水剖面共10件,翁家—荔枝溝剖面共13件,高石山—現(xiàn)坪剖面共19件,分析結(jié)果見表1。

表1 桂北地區(qū)龍勝韌性剪切帶的磁組構(gòu)參數(shù)Table 1 The magnetic fabric parameters along Longsheng area of northern Guangxi

圖4 龍勝韌性剪切帶分布圖及剖面圖Fig.4 Distribution map and magnetic fabric profile of Longsheng ductile shear zone1.泥盆系;2.奧陶系;3.寒武系邊溪組;4.寒武系清溪組;5.震旦系老堡組;6.震旦系陡山沱組;7.南華系南沱組;8.南華系富祿組;9.南華系長(zhǎng)安組;10.丹洲群拱洞組;11.丹洲群合桐組;12.鎂鐵-超鎂鐵巖;13.砂巖;14.含礫砂巖;15.變質(zhì)砂巖;16.千枚巖;17.板巖;18.鎂鐵-超鎂鐵巖的巖性花紋;19.斷層;20.角度不整合;21.地質(zhì)界線;22.強(qiáng)韌性變形域;23.弱韌性變形域;24.韌性剪切帶;25.剖面線方位;26.磁組構(gòu)P值;27.P值=1.05線;28.P值=1.10線;29.磁組構(gòu)樣品采樣位置及編號(hào);30.磁組構(gòu)剖面;31.標(biāo)注線;32.城鎮(zhèn)

眾多磁組構(gòu)參數(shù)中,磁化率各向異性度(P值)可衡量巖石的變形程度［38］。當(dāng)P值<1.05時(shí),巖石為非構(gòu)造成因的變形;當(dāng)1.05≤P值<1.10時(shí),巖石為構(gòu)造成因的弱韌性變形;當(dāng)P值≥1.10時(shí),巖石為構(gòu)造成因的強(qiáng)韌性變形［36,39-40］。首先,將帶有GPS坐標(biāo)的采樣點(diǎn)置于平面地質(zhì)圖,然后根據(jù)各個(gè)采樣點(diǎn)的磁組構(gòu)測(cè)量結(jié)果,利用P值≥1.05的采樣點(diǎn)圈出龍勝韌性剪切帶的分布范圍(圖4);并根據(jù)各個(gè)剖面的P值大小繪制磁各向異性度折線圖(圖4);同時(shí)結(jié)合地質(zhì)剖面圖,由P值≥1.10和1.10>P值≥1.05的采樣點(diǎn)圈出強(qiáng)、弱韌性變形帶(圖4)。

棉花坪—泗水剖面(A-A’):該剖面位于研究區(qū)北部,自棉花坪一帶沿111°延伸至泗水一帶。該剖面切割南華系長(zhǎng)安組含礫砂巖,丹洲群拱洞組砂質(zhì)板巖、千枚巖,合桐組千枚巖、變質(zhì)砂巖和板巖,以及丹洲群合桐組中的鎂鐵-超鎂鐵巖。10件磁組構(gòu)樣品P值介于1.02～1.35,其中,2件樣品P值<1.05;2件樣品P值介于1.05～1.10;其余樣品P值>1.10(圖4)。該剖面所控制的韌性變形帶寬度8 km。

翁家—荔枝溝剖面(B-B’):該剖面位于研究區(qū)中部,自翁家一帶沿95°延伸至荔枝溝一帶。該剖面切割丹洲群拱洞組、合桐組,以及合桐組中的鎂鐵-超鎂鐵巖。13件磁組構(gòu)樣品P值介于1.05～2.18,其中2件樣品P值介于1.05～1.10,其余樣品P值>1.10。該剖面相對(duì)較短,未能完全控制韌性剪切帶的寬度(圖4)。

高石山—現(xiàn)坪剖面(C-C’):該剖面位于研究區(qū)的南部,自高石山一帶沿122°過金車后延伸至現(xiàn)坪一帶。該剖面切割丹洲群拱洞組和合桐組,以及合桐組中的鎂鐵-超鎂鐵巖。19件磁組構(gòu)樣品P值介于1.04～2.40,其中1件樣品P值<1.05,其余18件樣品P值>1.05。盡管該剖面未能控制其東側(cè)邊界,但其控制的韌性變形寬度超過6 km。

根據(jù)39件P值≥1.05磁組構(gòu)樣品的分布,在地質(zhì)圖上圈出龍勝韌性剪切帶的分布范圍和方位,并以P值=1.10為界劃分強(qiáng)弱變形帶(圖4)。磁組構(gòu)測(cè)量結(jié)果顯示,龍勝韌性剪切帶沿NNE向延伸超過20 km,寬6～8 km,并沿走向延伸進(jìn)入湖南與鄰區(qū)斷裂相接。龍勝韌性剪切帶的強(qiáng)韌性變形域多集中于鎂鐵-超鎂鐵巖的周緣(圖4)。

27組實(shí)測(cè)糜棱C面理(表2)的極射赤平投影顯示,龍勝韌性剪切帶呈NNE向延伸,傾向164°～318°,傾角25°～87°,極密點(diǎn)產(chǎn)狀294°∠56°(圖5-A、B)。39組P值≥1.05磁面理(表2)的極射赤平投影顯示,龍勝韌性剪切帶傾向NWW,傾角33°～89°,極密點(diǎn)產(chǎn)狀280°∠50°(圖5-C、D)。

表2 龍勝韌性剪切帶糜棱C面理和磁面理產(chǎn)狀Table 2 C foliation and magnetic foliation of the Longsheng ductile shear zone

圖5 龍勝韌性剪切帶面理產(chǎn)狀的極射赤平投影和極點(diǎn)等密度圖Fig.5 The stereographic projection and pole figures for the Longsheng ductile shear zone foliation(A)(B)分別為野外實(shí)測(cè)糜棱C面理的極射赤平投影和極點(diǎn)等密度圖;(C)(D)分別為磁面理的極射赤平投影和極點(diǎn)等密度圖

4.2 應(yīng)變特征

因磁橢球體與應(yīng)變橢球體之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系,故常用磁組構(gòu)參數(shù)來衡量巖石的應(yīng)變特征。磁化率橢球體扁率(E=F/L)常用來衡量磁橢球體的應(yīng)變特征,故可利用其進(jìn)行巖石應(yīng)變特征分析。當(dāng)E=1時(shí),代表平面應(yīng)變;當(dāng)1

本文利用龍勝韌性剪切帶39件樣品(P值≥1.05)的磁面理(F值)和磁線理(L值)數(shù)據(jù)繪制L-F圖解(圖6)。L-F圖解中,棉花坪—泗水剖面的8件樣品中,5件樣品落入壓扁型應(yīng)變區(qū),3件樣品落入拉伸應(yīng)變區(qū)(圖6);翁家—荔枝溝剖面的13件樣品中,7件樣品落入壓扁應(yīng)變區(qū),6件樣品落入拉伸應(yīng)變區(qū)(圖6);高石山—現(xiàn)坪剖面的18件樣品中,8件樣品落入壓扁應(yīng)變區(qū),10件樣品落入拉伸應(yīng)變區(qū)(圖6)。上述磁化率橢球體扁率(E)表明,龍勝韌性剪切帶具有多期變形,變形巖石中既保留有壓扁型應(yīng)變,也保留有拉伸型應(yīng)變。

圖6 龍勝韌性剪切帶的F-L圖解Fig.6 F-L diagram for the Longsheng ductile shear zone

4.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度

運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度是定量表征剪切帶中純剪切和簡(jiǎn)單剪切的相對(duì)比重,亦是定量檢驗(yàn)應(yīng)力類型和運(yùn)動(dòng)方式的重要參數(shù)。A.R.Bobyarchick［41］將運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度定義為變形面內(nèi),兩非旋轉(zhuǎn)軸間夾角的余弦(Wk=cosα)。純剪切為共軸變形,其夾角為90°,運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度為0;簡(jiǎn)單剪切為非共軸變形,其運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度為1;一般剪切為簡(jiǎn)單剪切和純剪切的結(jié)合,其運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度介于0～1。在一般剪切中,簡(jiǎn)單剪切和純剪切所占比重相同時(shí),運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度值介于0.71～0.75。當(dāng)純剪切占主導(dǎo)時(shí),運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度值介于0～0.71;當(dāng)簡(jiǎn)單剪切占主導(dǎo)時(shí),運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度值介于0.75～1［42］。

運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度的估算方法較多,如最大主應(yīng)力方位法、雙曲線法、σ型旋轉(zhuǎn)碎斑穩(wěn)定法、極摩爾圓法和有限應(yīng)變法等。本文根據(jù)巖石磁組構(gòu)測(cè)量的結(jié)果,采用最大主應(yīng)力軸(σ1)方位法［43］對(duì)龍勝韌性剪切帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度估算,估算結(jié)果見表3。

表3 龍勝韌性剪切帶運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度計(jì)算結(jié)果Table 3 Kinematic vorticity calculation results for the Longsheng ductile shear zone

龍勝韌性剪切帶的運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度值(Wk)介于0.25～0.99。20個(gè)測(cè)量點(diǎn)中,10個(gè)測(cè)量點(diǎn)的Wk<0.71, 10個(gè)測(cè)量點(diǎn)的Wk>0.75。運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度估算結(jié)果表明,龍勝韌性剪切帶亦顯示多期變形的特征,不同的變形巖石保留有不同的剪切性質(zhì),既保留有簡(jiǎn)單剪切,也保留有純剪切。

5 流變學(xué)特征

本文通過變形溫度、古差異應(yīng)力和應(yīng)變速率等方面來討論龍勝韌性剪切帶的流變學(xué)特征。

5.1 變形溫度

龍勝韌性剪切帶的變形巖石主要為鎂鐵質(zhì)糜棱巖、鈣硅質(zhì)片巖和綠泥絹云片巖等。鎂鐵質(zhì)糜棱巖的主要礦物組合為綠泥石+綠簾石+方解石+斜長(zhǎng)石;鈣硅質(zhì)片巖的主要礦物組合為絹云母+白云母+方解石+石英;綠泥絹云片巖的主要礦物組合為綠泥石+絹云母+石英。上述各類變形巖石的礦物組合均屬于中綠片巖相,推測(cè)龍勝韌性剪切帶的變形溫度介于300 ℃～500 ℃。

5.2 古差異應(yīng)力

古差異應(yīng)力是指最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值,能反映糜棱質(zhì)巖石的形成環(huán)境和動(dòng)力大小。韌性剪切帶內(nèi),重結(jié)晶石英顆粒的大小與差異應(yīng)力存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系［44-48］。本文采用R.J.Twiss［44］提出的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶石英顆粒計(jì)算古差異應(yīng)力的方法。

巖石韌性變形過程中,重結(jié)晶石英顆粒的粒徑大小與古差異應(yīng)力之間存在如下函數(shù)關(guān)系式:

σ1-σ3=(d/b)1/R

(1)

式中:σ1-σ3為最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值,單位為MPa;d為動(dòng)態(tài)重結(jié)晶石英顆粒的平均粒徑,單位為μm;b和R為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

本文選擇龍勝韌性剪切帶內(nèi)動(dòng)態(tài)重結(jié)晶石英顆粒含量較高的8件樣品進(jìn)行古差異應(yīng)力估算。采用M.Stipp等［48］給出的古差異應(yīng)力估算參數(shù)(實(shí)驗(yàn)參數(shù)R和b分別為-1.26和0.36×104)。首先,在顯微鏡下采用截線法測(cè)量動(dòng)態(tài)重結(jié)晶石英顆粒的粒徑;然后,將粒徑代入古差異應(yīng)力計(jì)算公式(1),即可獲得相應(yīng)的古差異應(yīng)力值(表4)。計(jì)算結(jié)果表明,龍勝韌性剪切帶具有相對(duì)較小的古差異應(yīng)力,介于18.03～30.64 MPa。

表4 龍勝韌性剪切帶古差異應(yīng)力和應(yīng)變速率估算結(jié)果Table 4 Calculation of paleo-differential stress and strain rates for the Longsheng ductile shear zone

5.3 應(yīng)變速率

當(dāng)古差異應(yīng)力和變形溫度確定后,即可估算變形巖石的應(yīng)變速率［49-50］。本文采用D.K.Parrish等［51］提出的濕石英流變速率公式和G.C.Gleason等［52］提出的石英應(yīng)變速率計(jì)算公式來確定韌性剪切帶的應(yīng)變速率［53］,并分別用ε1和ε2表示。具體公式分別為:

ε1=4.4×10-2σ2.6exp(-27778/T)

(2)

ε2=1.1×10-4σ2.6exp(-223000/(8.314T))

(3)

式(2)和式(3)中:ε為應(yīng)變速率,單位為s-1;σ為古差異應(yīng)力,單位取MPa;T為應(yīng)變溫度(熱力學(xué)溫度),單位取K。

將上文所求的變形溫度和古差異應(yīng)力分別代入公式(2)和(3),即可獲得相應(yīng)的應(yīng)變速率ε1和ε2。估算結(jié)果表明,龍勝韌性剪切帶具有相對(duì)較低的應(yīng)變速率,2種方法獲得應(yīng)變速率分別為(0.20～0.80)×10-13s-1和(0.10～0.83)×10-13s-1(表4)。

6 應(yīng)變特征及構(gòu)造意義

6.1 巖石應(yīng)變特征

龍勝韌性剪切帶具有典型的宏-微觀韌性變形結(jié)構(gòu),發(fā)育S-C組構(gòu)、拉伸線理、A型褶皺、旋轉(zhuǎn)碎斑、透入性片理、不對(duì)稱壓力影和石英的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶等(圖2和圖3)。宏-微觀構(gòu)造和磁組構(gòu)表明,龍勝韌性剪切帶主體發(fā)育于桂北龍勝縣金車—泗水一線,NNE向延伸超20 km,寬6～8 km,屬于區(qū)域性永?！垊佟遣綌嗔褞У闹卸?圖4)。糜棱C面理的極密點(diǎn)產(chǎn)狀294°∠56°(圖5-A、B),磁面理的極密點(diǎn)產(chǎn)狀280°∠50°(圖6-C、D)。

前人研究表明,糜棱C面理與磁面理的夾角可以判斷剪切帶的運(yùn)動(dòng)學(xué)方向;相對(duì)于實(shí)測(cè)糜棱C面理而言,磁面理位于其銳角順時(shí)針方向,則表明發(fā)生了左旋剪切;反之,磁面理位于其銳角逆時(shí)針方向,則表明發(fā)生了右旋剪切［54］。龍勝韌性剪切帶磁面理的極密點(diǎn)產(chǎn)狀(280°∠50°)相對(duì)于糜棱C面理的極密點(diǎn)產(chǎn)狀(294°∠56°)而言,發(fā)生了逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn),表明龍勝韌性剪切帶具有右旋剪切的性質(zhì)。運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度、應(yīng)變特征和宏-微觀構(gòu)造表明,龍勝韌性剪切帶具有多期變形的特征,整體顯示早期左旋逆沖剪切,晚期右旋正滑剪切的運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)。

應(yīng)變分析表明,龍勝韌性剪切帶具有多期韌性變形的特征,總體顯示早期壓扁型應(yīng)變,晚期拉伸型應(yīng)變的特征。運(yùn)動(dòng)學(xué)渦度亦分析表明,龍勝韌性剪切帶呈現(xiàn)多期變形,不同的巖石保留不同的剪切性質(zhì),既保留有簡(jiǎn)單剪切,也保留有純剪切。根據(jù)龍勝韌性剪切帶具有中綠片巖相的變形礦物組合,暗示其變形溫度介于300 ℃～500 ℃。龍勝韌性剪切帶具有相對(duì)較低的古差異應(yīng)力(18.03～30.64 MPa)和應(yīng)變速率((0.10～0.83)×10-13s-1)。

卷入龍勝韌性剪切帶變形的地質(zhì)體主要為上元古界和下古生界,以及上元古界丹洲群中的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵巖,上古生界未發(fā)生明顯的韌性變形(圖1),暗示龍勝韌性剪切帶形成于早古生代。前人對(duì)龍勝韌性剪切帶變形時(shí)代的研究相對(duì)較少,僅張成龍等［18］和秦亞等［19］利用熱液鋯石U-Pb年齡限定其形成于早古生代的～440 Ma B.P.。但龍勝韌性剪切帶具有多期活動(dòng)的特征,且前人研究成果未能明確左旋逆沖剪切、右旋正滑剪切以及逆沖剪切和正滑剪切轉(zhuǎn)換的時(shí)代。綜上所述,龍勝韌性剪切帶多期構(gòu)造變形的精細(xì)年代學(xué)刻畫仍需進(jìn)一步的工作。

6.2 構(gòu)造意義

前已述及,桂北龍勝地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖與圍巖的接觸關(guān)系對(duì)約束華南大陸早期構(gòu)造演化具有重要意義。宏-微觀構(gòu)造和磁組構(gòu)研究表明,桂北龍勝地區(qū)鎂鐵-超鎂鐵巖周緣強(qiáng)片理化帶為韌性剪切帶,而非構(gòu)造成因的“冷接觸”,故不支持龍勝蛇綠巖的認(rèn)識(shí)。本文研究?jī)?nèi)容表明,桂北龍勝韌性剪切帶形成于早古生代,其形成可能與早古生代揚(yáng)子和華夏陸塊的造山事件有成因聯(lián)系。

大型韌性剪切帶是大陸構(gòu)造變形過程中地殼較深層次的構(gòu)造形跡,也是碰撞造山作用或陸內(nèi)變形的主要表現(xiàn)形式之一,多是陸塊碰撞拼貼帶及地體增生拼合帶的重要組成部分,常出現(xiàn)在活動(dòng)板塊或地塊的邊界及其附近［55］。桂北地區(qū)處于揚(yáng)子和華夏陸塊拼貼造山帶的南西段,發(fā)育一系列近NNE向的韌性剪切帶。已有的研究表明,桂北地區(qū)一系列NNE向的韌性剪切帶形成于早古生代,且多是前人建議過的早古生代揚(yáng)子和華夏陸塊的西南段邊界斷裂［18,36,40,56-62］。因此,對(duì)桂北地區(qū)韌性剪切帶的厘定有助于揭示華南大陸早古生代揚(yáng)子和華夏陸塊造山作用的方式和過程。

大型韌性剪切帶常與造山過程密切相關(guān),逆沖型韌性剪切帶一般在大洋俯沖增生及弧陸—陸陸碰撞造山過程的中下地殼收縮階段;伸展型韌性剪切帶主要形成于地殼伸展減薄的后造山階段;而走滑型韌性剪切帶常與地體之間的斜向匯聚和碰撞有關(guān)［63-64］。綜合研究表明,龍勝韌性剪切帶的早期左旋逆沖剪切和壓扁型應(yīng)變應(yīng)形成于早古生代揚(yáng)子和華夏陸塊擠壓造山背景;而晚期右旋正滑剪切和拉伸型應(yīng)變應(yīng)形成于造山后伸展背景。

揚(yáng)子和華夏陸塊早古生代造山事件的動(dòng)力來源長(zhǎng)期存在不同的認(rèn)識(shí)。鄭桂青［21］認(rèn)為龍勝韌性剪切帶的形成與早古生代揚(yáng)子和華夏陸塊匯聚事件相關(guān)。區(qū)域上,張雪鋒［40］認(rèn)為桂北地區(qū)四堡韌性剪切帶是華南早古生代華夏地塊自SE向NW做低角度斜沖到揚(yáng)子地塊的產(chǎn)物;馬筱［61］研究表明,揚(yáng)子?xùn)|南緣的前泥盆系構(gòu)造變形具有SE向NW逐漸變?nèi)醯内厔?shì),亦支持華南大陸早古生代構(gòu)造事件的驅(qū)動(dòng)力來自SE側(cè)。龍勝韌性剪切帶傾向NW,似乎很難用來自SE側(cè)的驅(qū)動(dòng)力來解釋NW傾向的構(gòu)造;金寵［60］則在研究雪峰陸內(nèi)構(gòu)造系統(tǒng)時(shí)認(rèn)為,來自SE側(cè)的擠壓力由于受到黔中隆起的影響,在靖縣—溆浦?jǐn)嗔迅浇a(chǎn)生強(qiáng)大的反沖作用。向東的反沖作用在黔陽(yáng)、溆浦一帶的前泥盆紀(jì)地層中的褶皺軸面普遍東倒西傾中也可以得到體現(xiàn)。綜上所述,本文所述的龍勝韌性剪切帶呈傾向NW,其形成于華夏陸塊自SE向揚(yáng)子陸塊擠壓受阻后而產(chǎn)生反沖作用的構(gòu)造背景下。

龍勝韌性剪切帶的產(chǎn)狀、規(guī)模、應(yīng)變特征、流變學(xué)及動(dòng)力背景等的厘定,對(duì)明確揚(yáng)子和華夏陸塊早古生代造山事件的方式、時(shí)限和動(dòng)力來源等具有重要的啟示意義,為深化華南大地構(gòu)造演化研究提供了新的資料。

7 結(jié) 論

a.宏-微觀構(gòu)造和磁組構(gòu)表明,桂北地區(qū)龍勝韌性剪切帶呈NNE向延伸20 km,寬6～8 km。糜棱C面理的極密點(diǎn)產(chǎn)狀294°∠56°,磁面理的極密點(diǎn)產(chǎn)狀280°∠50°。

b.龍勝韌性剪切帶具有多期變形,整體顯示早期左旋逆沖剪切和壓扁型應(yīng)變,晚期右旋正滑剪切和拉伸型應(yīng)變。

c.龍勝韌性剪切帶具有較低的古差異應(yīng)力(18.03～30.64 MPa)和應(yīng)變速率((0.10～0.83)×10-13s-1)。

d.龍勝韌性剪切帶形成于華南大陸早古生代華夏陸塊自SE向揚(yáng)子陸塊擠壓受阻而產(chǎn)生反沖作用的構(gòu)造背景下。早期擠壓背景下,產(chǎn)生壓扁型應(yīng)變和左旋逆沖剪切;晚期造山后伸展背景下,產(chǎn)生拉伸型應(yīng)變和右旋正滑剪切。

非常感謝桂林理工大學(xué)廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在磁組構(gòu)測(cè)試過程中提供的幫助。