西秦岭硅岩中动态重结晶石英颗粒的形变过程研究

2019-07-11马占武李红中

中国锰业 2019年3期

马占武，李红中

(1. 北方民族大学土木工程学院，宁夏银川 750021； 2. 中山大学地球环境与地球资源研究中心，广东广州 510275)

硅质岩广泛分布于造山带内[1]，其成分简单并因高地球化学稳定性而被运用于环境示踪[2]。矿物的结晶度和有序度都会随着时间的推移而增高[3]，硅质岩的形成温度仍可以通过氧同位素地质温度计予以揭示[4-5]。造山带内的构造运动、流体及重结晶作用等导致成岩后期处于地球化学非平衡体系[6]，致使硅质岩后期遭受的变质改造过程及相应的温度、压力等指标的量化一直为人们所困惑。

分形几何在地质学领域逐步得到应用[6-7]。由于，分形地质学是非线性地质学的主要组成部分之一，且被广泛应用于地质学各个研究领域[8-9]。显微构造及实验构造地质学方面研究发现，动态重结晶石英晶体颗粒边界很多呈不规则的形状，在晶体表面表现为缝合线结构或锯齿状结构，也是地质现象分形自相似性和标度不变性的反映，并具有特定的分形维数[10-11]。前人在研究岩石变形的形变温度、压力和应变速率等方面取得了较好的结果[8，11]。本文尝试着利用基于石英颗粒动态重结晶的分形地质温度计和分形应变速率计方法对西秦岭的风太和西成两地区的硅质岩动力重结晶样品进行研究，旨在探究硅质岩的成岩过程的演化信息及地质指示意义。

1 样品及分析

本文样品采陕西省凤太盆地的八方山—二里河地区及甘肃省西成盆地的厂坝地区。研究区内硅质岩有沉积成因和交代成因两种类型，本研究重点讨论呈层状或似层状发育的沉积成因硅质岩。

实验样品的预处理在中山大学地球科学与工程学院实验室中心完成，实验选取新鲜岩石包括硅质岩、含炭硅质岩、硅化灰岩及用以对比观察的脉石英、灰岩、千枚岩及白云岩等。硅质岩致密坚硬，主要为灰—黑色(图1a)，石英呈短柱状细晶、微晶与他形微晶状交织构造，总体为块状构造，我国华南地区与藏南地区快速的热水同生沉积硅质岩较相似，主要组成矿物多为细微晶石英，含有少量铁绢云母、方解石、白云石和炭质。受造山带演化过程的改造，硅质岩在镜下可见微褶皱和微裂隙及矿物的定向性(图1b)。本文研究挑选了具有明显动力重结晶的样品进行了分形维数研究，石英颗粒面积和周长的测量利用Auto-CAD软件完成。

图1 硅质岩样品野外及显微镜照片

分维数的计算方法较多[7,9]，适合动态石英颗粒重结晶边界分维数的计算方法有封闭折线法和面积—周长法。本次实验采用面积—周长算法，将硅质岩显微照片导入AutoCAD绘图软件中，对动态重结晶石英颗粒边界逐个矢量化。

2 结果分析及讨论

分形维数在分形几何学中是一个重要参数[8]，也是数量化表征自相似性随机形态及现象的基本量[6]，这对动态重结晶颗粒的定性和定量研究具有重要的意义[8]。根据样品的测量结果，计算出石英颗粒的粒径及分维数见表1。

从表1可以看出，西秦岭硅质岩中动力重结晶石英颗粒的分维数(D)介于1.211～1.266满足1

表1 西秦岭硅质岩中动力重结晶石英颗粒的分形特征

2.1 变质相

前人研究显示，据统计不同的变质岩和花岗岩中石英颗粒缝合线边界在光学显微尺度上具有1～2个数量级以上的自相似性，且随着温度的升高石英颗粒边界的分维数减小[12]，即：低绿片岩相变质岩中低角闪岩相的分维数为1.14～1.23、石英颗粒边界的分维数在1.23～1.31，从低绿片岩相到麻粒岩相以及同构造花岗岩中的分维数一般为1.05～1.14。本文测得硅质岩中的动力重结晶石英颗粒的维数介于1.211～1.266，将分维值在Kruhl分形维与变形温度关系图的投点大致对应于角闪岩相，对应变质温度约为350～450℃。硅质岩采样区的变质程度多数为片岩相及少量片麻岩相变质[7]，这与本研究的结果有偏差，这即可能归因于硅质岩本身具有的高稳定型和高抗改造能力，也可能与研究区局部发育的小规模岩浆活动等因素有关。因此，该变质相投点结果明显不符合实际情况，研究区实际的大规模度上限可能仅达绿岩相。

2.2 应变速率和差异应力

研究显示，重结晶石英颗粒形状具统计学上的自相似性，而且随着分维数变形条件而发生系统性变化[6-7]，通过最小二乘法线性拟合得到以下公式：

差异应力Δσ(Δσ=σ1-σ3)与物体的形变紧密相联系，是引起物体发生形变的重要的因素。根据差异应力Δσ= (d/b)1/R[13]公式(式中b为实验参数，d为动态重结晶石英颗粒直径)，利用硅质岩中动力重结晶石英颗粒的粒径(见表1)对西秦岭硅质岩中动力重结晶过程的应力差进行了计算，结果见表2。尽管Koch[13]给出了“重结晶颗粒粒径压力计”公式的不同实验参数，各参数的变化范围介于-1.47～-0.59，据此计算出的应力差最大值和最小值相差近2个数量级。Koch的实验参数b=4.9×102、R=-0.59因考虑了石英的干、湿度而被认为更接近实际[1,14]，故本文也以此为准。研究表明：西秦岭的八方山—二里河地区和厂坝地区应力差近似一致，总体介于54.09～331.60 Mpa。

2.3 讨论

硅质岩受应力作用会发生低温下的脆性破碎和高温塑韧性变形，对高温塑韧性变形来讲，在宏观上表现为形成褶皱和扭曲等，在微观上则表现为矿物颗粒的动力重结晶[15]。天然条件下，石英开始显示塑性形变行为的温度约为300℃，并对应了0～10-13s-1的应变速率[16]，该状态对应了地壳中的低绿片岩相条件下的流变。此外，石英颗粒的粒径大小也会对变形机制转换相关的温度和压力产生一定的影响[15]。但局部岩浆活动或应力集中可能会导致本研究结果中变质相与实际情况存在明显偏差，故该变质相投点结果明显不符合实际情况，可能仅代表局部微小区域内应力、温度集中的结果。因此，本文的研究结果在理论上得到了前人研究的支持，但个别指标与实际情况存在偏差，相关的结果并不具备普适性，但他们可能代表了相应变质作用的上限。即：西秦岭的厂坝和八方山—二里河地区硅质岩在低于低绿片岩相状态发生了动态重结晶，变质温度上限大致为350～450℃，应力差上限为54.09～331.60 Mpa，对应低于10-10.0～10-7.5s-1的应变速率。造山带的演化过程中岩石往往会遭受多期次多阶段的构造运动改造，后期构造运动常常会破坏早期矿物颗粒的组构特征，而分形方法的结果往往反映了最近的一次受改造的过程。据此，本文的分析结果应该是代表了造山带演化过程中有限范围内的最新一次大构造作用的温度和压力状态，难以反映较大区域内的大规模构造变质对应的应力应变信息。