肥东低角度韧性剪切带内岩石变形特征

马 涛， 宋传中， 任升莲， 李加好， 刘 欢， 由夏冰

（合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009）

肥东低角度韧性剪切带内岩石变形特征

马 涛， 宋传中， 任升莲， 李加好， 刘 欢， 由夏冰

（合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009）

肥东低角度韧性剪切带紧邻郯庐断裂带巨大的近直立的左行平移韧性剪切带发育，其岩石变质变形特征具有韧性剪切带的一般特征，即越靠近剪切带内侧，岩石变质变形程度越强，远离韧性剪切带，岩石变质变形强度越弱。低角度韧性剪切带内超糜棱岩变形强烈，变质相可达到角闪岩相，其变质变形程度与直立的郯庐断裂带内超糜棱变质变形程度类似，两者在形成环境和成因类型上统一，具有大陆岩石圈被高角度韧性剪切带切割并沿低角度韧性剪切带逆冲推覆的形成机制。

低角度韧性剪切带；郯庐断裂带；古应力差；应变速率；石英C轴组构

韧性剪切带近年来一直是构造地质学研究的重点之一，通过对韧性剪切带几何学、运动学以及显微构造特征的研究，可以了解其所反映的构造变形环境，进而探讨地球动力学机制。在位于安徽东部张八岭隆起的南部、浮槎山构造区东侧的西韦地区发现的低角度韧性剪切带在空间上与相邻的高角度郯庐断裂带中发育的超糜棱岩带相连，两者具有成因上的相关性和岩石变质变形特征上的相似性。

1 地质特征

1.1 区域地质背景

西韦地区出露的低角度韧性剪切带西侧紧邻近直立的大规模左行平移断裂带——郯庐断裂带，区域内构造线受郯庐断裂带影响，呈北北东走向，如图1所示（据中华人民共和国地质图H50E002015（烔阳河幅）及H50E001015（梁园镇幅）修改，1999年安徽省地质调查院测制）。区内主要出露古元古界肥东群变质杂岩，它是下扬子地区扬子板块上出露的最深变质的岩石［1－4］。

图1 区域地质简图

1.2 低角度韧性剪切带野外地质特征

低角度韧性剪切带发育于古元古界肥东群中，其野外照片如图2所示。韧性剪切带内及两侧岩石变质程度由浅到深依次有长英质初糜棱岩、糜棱岩和超糜棱岩，带内出露的超糜棱岩带露头长约90 m，厚0.5～1.0 m，东侧略向上扬起，西侧倾伏于地表之下并与郯庐断裂带高角度韧性剪切带相连。

野外露头的西侧为郯庐断裂带厚度在10 m以上的糜棱岩和超糜棱岩，其自西向东具代表性的糜 棱 岩 面 理 依 次 为 140°∠80°、136°∠65°、130°∠59°，显示为上部较陡立、下部渐平缓，西侧较陡立、东侧较平缓的连续的弧形形态（图2d），且不同位置糜棱面理上发育较为统一的矿物拉伸线理，具代表性的线理为194°∠20°。剪切带的弧形下部向东为人工采石堆所遮盖，沿该超糜棱岩带的延伸趋势，采石堆东侧露头见较为平直的低角度韧性剪切带，宽度为0.5～1.0 m，带内发育超糜棱岩，糜棱面理195°∠20°，超糜棱岩面理上发育的矿物拉伸线理为倾向线理，产状195°∠20°（图2a）。低角度韧性剪切带内岩石发生糜棱岩化（图2b），部分达到超糜棱岩，低角度韧性剪切带下方先期片麻岩面理为175°∠18°，被低角度韧性剪切带牵引（图2c）。剪切带上方发育有宽度最大达1 m的中酸性岩脉，拖尾向西，显示其具有向北东方向逆掩的运动学特征。

图2 低角度韧性剪切带野外照片

剪切带内以及其下部发育有具透入性构造特征的中酸性岩石，其形成的面理与剪切带内超糜棱岩面理构成S－C组构，超糜棱岩形成的C面理与中酸性岩石形成的S面理之间形成10°～30°夹角，指示该剪切带的运动学方向为由南西向北东的逆冲，剪切带内变形特征如图3所示。

图3 低角度韧性剪切带内变形特征

韧性剪切带产状与其形成的构造背景有关。有研究者根据大型韧性剪切带的产状将其划分为产状较陡的大型韧性平移剪切带和产状较缓的大型推覆型韧性剪切带，如果考虑韧性剪切带的产状和运动方式，韧性剪切带应分为3种类型：走滑（平移）型、推覆（逆冲）型和滑覆（正滑）型［5］。与北北东向郯庐断裂带（走滑型韧性剪切带）相伴生的西韦低角度韧性剪切带属低角度推覆型韧性剪切带。

逆冲推覆构造由于应力状态、运动学状态和流变学状态的差异，在逆冲方向上可分为根带、中带和锋带3个主变形带。具体特征上，根带、中带和锋带的产状依次变陡，变质变形程度依次减弱。西韦低角度韧性剪切带内的超糜棱岩带表现出较低的产状、变形性状上塑性增强，具备较高的应变状态，表明其在构造位置靠近逆冲推覆构造的根带。文献［6］在对本区域郯庐断裂带超糜棱岩的研究中指出，肥东韧性剪切带目前出露的为该断裂带的根部，具备典型的深层次左行走滑变形。

2 岩石特征及估温

2.1 岩石的镜下特征

显微镜下糜棱岩中矿物以斜长石、石英和角闪石为主，部分含少量云母和绿帘石。斜长石发生机械破碎、波状消光和机械双晶，石英发生鼓胀式重结晶、颗粒边界迁移动态重结晶和亚颗粒旋转动态重结晶等多种形式的动态重结晶，并具核幔构造。剪切带内岩石发生强烈糜棱岩化，表现为矿物颗粒强烈的细粒化和塑性变形。随着远离剪切带中心位置，岩石的糜棱岩化逐渐减弱，即表现为由超糜棱岩—糜棱岩—初糜棱岩化的变化。镜下岩石变形特征如图4所示。

图4 镜下岩石变形特征

图4a为剪切带内超糜棱岩，斜长石和石英发生十分强烈的细粒化，并发生强烈的塑性拉长，显示出强烈的应变状态；图4b为旋转的斜长石σ型斑晶，指示左旋的运动学状态；图4c中角闪石斑晶形成书斜构造，指示左旋运动；图4d中石英颗粒边缘发生动态重结晶。

由岩石的镜下特征可以判断，韧性剪切带内岩石发生强烈塑性变形，岩石的变质变形特征以及定向标本所反映的运动方向，和该韧性剪切带在宏观上的特征一样，指示出较强的应变状态和逆冲的运动学属性。

2.2 糜棱岩化过程中矿物变形温度的估计

岩石中的石英和斜长石具有明显的动态重结晶和变形特征，应用糜棱岩化过程中的矿物温度计对其显微镜下所反映的温度进行分析。

糜棱岩化过程中石英和长石的变形和重结晶主要受控于温度，因此可以通过石英和长石的动态重结晶形式对糜棱岩的形成温度进行估计。石英的重结晶开始于300℃下，从300～700℃过程中，分别经历鼓胀式重结晶（BLG）、颗粒边界迁移动态重结晶（SR）和亚颗粒旋转动态重结晶（GBM）。镜下岩石重结晶特征如图5所示。在300～380℃主要发生BLG重结晶（图5a），380～420℃，BLG向SR转变，420～480℃发生SR重结晶（图5b），500℃以上时GBM动态重结晶占主要地位（图5c）。长石也是糜棱岩中的主要变形矿物，糜棱岩化过程中，长石的变形与石英相似，也可分为鼓胀式重结晶、亚颗粒旋转重结晶和颗粒边界迁移重结晶3个阶段，但其变形温度高于石英，300～400℃时，长石主要变现为显微破裂，双晶纹弯曲、波状消光和机械双晶，400～500℃时长石塑性变形和显微破裂共存（图5d），500～650℃时长石颗粒表现为BLG动态重结晶，650～850℃时表现为SR动态重结晶为主，850℃以上时以独立的SR重结晶存在。据此可以通过镜下石英和长石的颗粒重结晶特征来估计其糜棱岩化过程中的温度［7－8］，西韦低角度韧性剪切带内岩石变形温度估计见表1所列。

图5 镜下岩石重结晶特征

表1 部分岩石标本镜下特征及估温

3 石英变形及分维值

由于低角度与高角度韧性剪切带存在空间的相连性，可通过分维分析和确定古应力差应变速率的方法，定量地探索低角度韧性剪切带内岩石的变质变形规律以及两剪切带之间岩石变质变形程度的关系。

3.1 分形维数

韧性变形岩石中动态重结晶的石英颗粒边界具有自相似性，表现出分形特征，动态重结晶的石英颗粒边界的分形维数随温度的升高而降低，随应变速率的增大而增大，可以作为韧性变形应变速率的标度计。不同温度范围的石英颗粒边缘的分形具有不同的分形维数，低绿片岩相变质岩中石英颗粒边界的分维数在1.23～1.31之间，高绿片岩相到低角闪岩相为1.14～1.23，麻粒岩相为1.05～1.14［9－10］。韧性变形岩石中的石英颗粒在重结晶过程中分维数随温度的升高而减小。

Takahashi通过大量实验，把分维数D、变形温度T和应变速率ε联系起来，通过最小二乘法线性拟合得到（1）式［11］：

其中，φ＝9.34×10－2；ρ＝6.44×102。

3.2 面积周长法

面积周长法是通过不规则复杂曲线的周长与具有相同面积的圆的直径比较来确定分维数的方法。

在待测岩石的显微照片上利用软件测定石英颗粒的周长P和面积A，计算出相同面积圆的直径d，将测量数据投在双对数图上，其最小二乘法拟合线的斜率即为分维值D，周长－粒径双对数图如图6所示。

图6 周长－粒径双对数图

3.3 古应力差和应变速率

Twiss提出的通过石英动态重结晶颗粒的粒径计算差异应力的公式为［12－16］：

其中，d为动态重结晶石英颗粒的粒径；Δσ为差异应力。利用（2）式计算出岩石变形的差异应力。

Parrish提出的的湿石英流变速率公式为：

其中，ε为应变速率；Δσ为差异应力。

选取 FW2－2、FW2－20 、FW2－21、FW2－23等岩石样品做石英颗粒变形分维分析，其中标本FW2－2为近直立郯庐断裂带内超糜棱岩，FW2－20为低角度韧性剪切带内超糜棱岩，FW2－21、FW2－23垂向上依次远离低角度韧性剪切带。从岩石镜下特征来看，标本FW2－20、FW2－21、FW2－23变质变形强度依次减弱，矿物变形估温依次降低，而高角度超糜棱岩带内岩石标本FW2－2的变质变形强度与FW2－20相类似。

显微镜下对每个标本选取不少于50个颗粒做分维分析，并计算其差异应力和应变速率，结果见表2所列。

表2 石英颗粒边界分形特征

从计算结果可以看出，所选取4个标本的分形维数为1.163～1.227，表明所选取标本的变质相应为高绿片岩相到低角闪岩相，随糜棱岩化程度的加深，石英颗粒的分维数逐渐升高、差异应力逐渐降低、应变速率逐渐降低。

低角度韧性剪切带中央超糜棱岩的各项计算结果与高角度郯庐断裂带内超糜棱岩相近，两者的古应力差、应变速率和分形维数相似，表明两剪切带在形成环境和变形变质条件上具有相似性。

4 石英C轴组构

矿物沿特定的滑移系发生位错蠕变可形成晶格优选定向，成为组构。通常用下半球等面积赤平投影的形式将光轴、双晶面极点等结晶学要素投影到平面上，做出等密度图来表示矿物晶体的优选定向，称为矿物组构图。石英是韧性剪切带中最重要的组成矿物之一，也是人们最早用以研究岩石组构的矿物之一，剪切带内岩石中石英C轴组构的特征可以给剪切带的变形机制和变形环境提供重要信息［17－18］。

石英的滑移系很多，大致可分为底面滑移、菱面滑移和柱面滑移。不同的滑移系在不同温度下起主导作用，而不同的滑移系在剪切作用下产生不同的石英晶格优选方位，导致不同的石英光轴排列。通过测量剪切带中石英C轴分布的极图，可推测剪切带的剪切温度和剪切指向。研究表明，石英的滑移系在400℃以下以底面滑移为主，400℃以上开始出现菱面滑移，且兼有底面滑移和柱面滑移，650℃以上表现为柱面滑移为主。石英滑移系在极图上的表现为点极密从边缘至中心的不同分布，从极图边缘至中心依次为底面滑移、菱面滑移和柱面滑移［19－21］。

利用EBSD技术可快速精准地获取矿物的晶格取向信息，其效率和精确度大大优于传统的光学方法。

本次实验于合肥工业大学分析测试中心完成，采用JSM－6490LV型扫描电镜和Channel5型EBSD仪，加速电压15 k V，工作距离12 mm。选取垂直面理、平行于线理的方向进行样品的切割，经过研磨、抛光、喷碳以后进行实验分析，得到的极图如图7所示。

图7 EBSD分析石英C轴组构极图

图7a～图7c 3个样品为低角度韧性剪切带内超糜棱岩。图7d～图7f 3个样品为代表郯庐断裂带的高角度韧性剪切带内岩石，图7d样品为变质变形程度最为强烈的超糜棱岩，采样位置上，图7e、图7f样品依次远离图7d样品，向片麻岩靠近。

图7a～图7c 3个样品的点集密分布在圆周向中心靠近的位置，表明其滑移系表现为菱面滑移为主，指示其变形温度集中为450～550℃，图7d～图7f 3个样品的点集密分布于圆周和中间位置，表明其滑移系为菱面滑移向底面滑移过渡的状态，推断其变形温度为400～500℃。因为图7d～图7f 3个样品依次远离韧性剪切带的强变形带，其点集密的变化趋势依次向圆周位置集中，表明其变形温度上呈现降低的趋势。据极图点集密的不对称性判断，所有样品在运动学上均具有左旋的运动学特征，这与野外观测和镜下观测的特征相符。

因此，据EBSD实验的分析结果，低角度韧性剪切带和高角度韧性剪切带在运动学属性上相同，宏观上表现为低角度韧性剪切带由南西向北东逆冲，而郯庐断裂带为左旋平移。形成温度上，低角度韧性剪切带内岩石的形成温度和高角度韧性剪切带内最强应变的岩石的形成温度相仿，表明其在形成温度上的一致性。

5 结 论

（1）野外观测的超糜棱岩带为一由南西向北东逆冲的低角度韧性剪切带，其在剖面上的延伸趋势和郯庐断裂带内超糜棱岩带相连，统一为同一条韧性剪切带。

（2）分维分析中，4个标本的分形维数为1.163～1.227，属高绿片岩相到低角闪岩相；应变速率为（7.96～23.18）×10－11s－1，属中应变速率。低角度韧性剪切带内靠近剪切带中央位置的岩石变质变形程度较深，石英颗粒的分形维数逐渐升高，应变速率逐渐减小，韧性剪切带中央形成温度等变形条件和变质强度均高于两侧岩石并向外表现出减小的趋势。

（3）剪切带内岩石的石英C轴组构具有相似性和渐变性，从点集密的分布状态看，其形成温度为400～550℃，均具有左旋的运动学属性。

（4）肥东低角度韧性剪切带与相邻的郯庐断裂带的几何形态表现为低角度逆冲和高角度直立剪切，并且呈相互过渡的弧形相连。这种相连在室内分析中同样可以得到支持，两剪切带内变形强烈的岩石在实验分析上也具有相似的显微构造特征、应变速率、古应力差、分形维数、石英C轴组构，这表明该剪切带在形成环境和运动机制上的统一性。

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Rock deformation characteristic of low－angle ductile shear zone of Feidong

MA Tao， SONG Chuan－zhong， REN Sheng－lian， LI Jia－hao， LIU Huan， YOU Xia－bing

（School of Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

The low－angle ductile shear zone of Feidong developed next to the huge suberect sinistral ductile shear zone of the Tan－Lu fault zone，its rock metamorphism and deformation characteristics corresponded with the general characteristics of the ductile shear zone，i.e.the closer it was to the shear zone inside，the stronger the rock metamorphism and deformation were，and the farther it was away from the ductile shear zone，the weaker the metamorphism and deformation strength were.Ultramylonite deformed greatly in low－angle ductile shear zone，the metamorphic facies reached to lower amphibolite facies，and the deformation and metamorphism degree were similar to those of ultramylonite in the erect Tan－Lu fault zone.Both were unified in the forming environment and genetic types，and the forming mechanism was that continental lithosphere was cut by high－angle ductile shear belt and thrust nappe formed along low－angle ductile shear zone.

low－angle ductile shear zone；Tan－Lu fault zone；paleo－stress difference；strain rate；quartz C axis fabric

P542.2

A

1003－5060（2015）03－0239－07

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.021

2014－02－20；

2014－04－18

国家自然科学基金资助项目（41072161；41272222）；中国地质调查局科研资助项目（1212011121114；201201044002）

马 涛（1988－），男，安徽临泉人，合肥工业大学硕士生；

宋传中（1955－），男，安徽阜阳人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师.

（责任编辑 张淑艳）