恭城恭城栗木斷裂帶的應(yīng)變特征與變形環(huán)境探討

0顯微構(gòu)造分析方法在地質(zhì)工作中的應(yīng)用巖石變形通常由巖石變形測量。巖石有限變質(zhì)測量是指巖石中一些符號（如巖石、碎屑、礦物等）的形狀、分布和性質(zhì)，以及巖石的適應(yīng)性狀態(tài)和高度。巖石有限應(yīng)變測量是現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中非?；钴S的領(lǐng)域,它有助于認識巖石中構(gòu)造形成機制、恢復(fù)變形前的狀態(tài)、建立區(qū)域應(yīng)變場、查明區(qū)域大地構(gòu)造環(huán)境、定量計算造山帶的地殼縮短量等(文獻)。近年來,以有限應(yīng)變測量為主的顯微構(gòu)造分析方法,除了用于傳統(tǒng)的韌性剪切帶變形研究之外,還廣泛地應(yīng)用于褶皺變形與演化、斷裂帶變形特征、應(yīng)變狀態(tài)和構(gòu)造運動方向、構(gòu)造運動與礦化的關(guān)系、巖體侵位歷史和侵位機制等領(lǐng)域之中,取得了一些重要的認識和成果。恭城—栗木斷裂帶是廣西24條深大斷裂之一的栗木—馬江斷裂帶的北段,位于桂林市東南約60km,在區(qū)域構(gòu)造格架中占有重要地位。目前,有關(guān)恭城—栗木斷裂帶的研究成果還較為少見,研究程度與其重要地位極不相稱。本文在對恭城一栗木斷裂帶進行宏觀和微觀變形特征分析基礎(chǔ)上,利用系統(tǒng)的二維和三維有限應(yīng)變測量,獲取所需的應(yīng)變參數(shù)及圖解,并通過解析斷裂帶的變形特征,來推動該斷裂帶的研究向更深層次發(fā)展。1研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征恭城—栗木斷裂帶的雛形形成于加里東期并控制了泥盆系的沉積巖相,當(dāng)時的斷裂帶基本上由正斷層組成。印支期,由于受近EW向擠壓力的作用,由新形成的逆斷層和原先正斷層改造而成的逆斷層,構(gòu)成了現(xiàn)今恭城—栗木斷裂帶的基本格架。恭城—栗木斷裂帶既是一條大斷裂,又是一條受多期應(yīng)力作用的長壽斷裂,它對研究區(qū)不同構(gòu)造階段的沉積建造和巖漿活動都起到控制作用,并制約著各地質(zhì)歷史時期中坳陷與隆起的展布和演化。恭城—栗木斷裂帶總體走向近SN,北起栗木錫礦南至恭城縣城,延伸長度約為38km,控制寬度大于15km,由4條主干斷裂組成(圖1)。這4條主干斷裂呈平行近等間距(約4km)排列,自西向東依次為:①仙姑壘一恭城斷裂,②栗桂—龍氹斷裂,③栗木—和平斷裂,④北洞源斷裂。另外,⑤嘉會平移斷裂因后期切割恭城—栗木斷裂帶,也被納入研究范圍。恭城一栗木斷裂帶的總體特征為:自西向東依次由3條逆斷層和1條正斷層組成。斷裂帶的中心是栗桂—龍氹斷裂,總體趨勢為北段傾角較陡而南段傾角較緩,除北洞源斷裂傾向西外,其余均傾向東;斷裂的東盤為被動盤,西盤為向東俯沖的主動盤。在研究區(qū)內(nèi),整體錯斷恭城—栗木斷裂帶的嘉會平移斷裂和部分錯斷該斷裂帶的一系列SW向小斷裂,均對其發(fā)展、演化構(gòu)成影響。斷裂帶主要發(fā)育在泥盆系和石炭系的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、硅質(zhì)白云巖中,局部切割泥盆系及三疊～侏羅系的砂巖、砂礫巖和泥巖①。2斷裂帶的有限變形測量2.1各種應(yīng)變測量方法的基礎(chǔ)不同恭城—栗木斷裂帶中可供選擇測量的應(yīng)變標(biāo)志體主要為變形鮞粒,這些變形鮞粒在斷裂帶研究的各個代表性觀測點上均有發(fā)現(xiàn),它們的變形特征能夠代表斷裂帶的總體變形特征。鏡下觀察發(fā)現(xiàn),變形鮞粒的成分與周圍介質(zhì)基本一致,這表明標(biāo)志體與所在巖石的韌性差較小。斷層巖組構(gòu)研究表明,雖然恭城—栗木斷裂帶經(jīng)歷了多次活動,但形成一系列SN走向逆斷層的近EW向擠壓力,是造成這些鮞粒發(fā)生變形的根本原因。應(yīng)變測量的方法有很多,常用的有Fry法、Rf/φ法、Panozzo法(文獻)等。總的來說,各種應(yīng)變測量方法的理論基礎(chǔ)是相同的。結(jié)合實際情況,本次應(yīng)變測量采用了Ramsay的Rf/φ法。2.2維應(yīng)變數(shù)據(jù)處理(1)原始應(yīng)變數(shù)據(jù)測量。在每個測量面上測量并記錄下列數(shù)據(jù):測量面產(chǎn)狀,劈理、節(jié)理產(chǎn)狀,參考線(參考線一般選擇為標(biāo)志體長軸的趨勢線)的側(cè)伏向、側(cè)伏角,應(yīng)變標(biāo)志體長、短軸的長度,長軸與參考線的夾角,應(yīng)變標(biāo)志體的測量個數(shù),應(yīng)變標(biāo)志體的類型,測量面積。(2)二維應(yīng)變數(shù)據(jù)處理。二維應(yīng)變的數(shù)據(jù)處理是根據(jù)Ramsay(文獻)提出的基本原理及反映原始橢球軸率Ri、最終橢球軸率Rf、應(yīng)變橢球軸率Rs、Ri與Rs之間的夾角θ、Rf與Rs之間的夾角φ等幾者關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式,利用相關(guān)程序(文獻)完成應(yīng)變橢圓軸率Rs及應(yīng)變橢圓長軸與參考線的夾角F1等參數(shù)的計算。2.3基于gendzwill和stauffer的方法Milton、Gendzwill和Stauffer(文獻)分別提出了從3個任意互不平行截面上的二維數(shù)據(jù)直接計算三維應(yīng)變的方法。邵濟安等改進了Gendzwill和Stauffer的方法,不僅提高了效率而且提高了精度。在獲得二維應(yīng)變有關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上,用求橢球形狀矩陣解特征值的方法,進行三維應(yīng)變處理,最終得到所需的應(yīng)變主軸之相對長度及方位、付林指數(shù)(K)、應(yīng)變強度(Es)、應(yīng)變程度(γ及羅德系數(shù)(Lode)等多項重要參數(shù),為進行應(yīng)變形式、變形路徑分析提供了必要條件。采用相關(guān)程序(文獻)完成三維應(yīng)變數(shù)據(jù)處理,具體結(jié)果見表1。3鞏城-麗木斷裂帶的變形分析3.1單剪加拉伸型應(yīng)變付林指數(shù)是描述應(yīng)變形式的重要參數(shù),K的不同變化范圍對應(yīng)著不同的應(yīng)變橢球。恭城—栗木斷裂帶各主要觀測點的K值變化范圍為0.32～1.67,應(yīng)變類型基本上以壓扁型應(yīng)變和平面應(yīng)變?yōu)橹?。組成恭城—栗木斷裂帶的3條主干逆斷層的K值分布如下:(1)仙姑壘—恭城斷裂:K=0.46～1.66。南段屬0<K<1范圍,以壓扁型應(yīng)變?yōu)橹?中段K值在1附近,基本上以平面應(yīng)變中的單剪應(yīng)變狀態(tài)為主并且附加拉伸。整體應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為南段擠壓,北段單剪加拉伸。(2)栗桂—龍氹斷裂:K=1.15～1.67。K值略大于1,為平面應(yīng)變中的單剪應(yīng)變狀態(tài)并且附加拉伸。整體應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為單剪加拉伸。(3)栗木一和平斷裂:K=0.32～0.33。屬0<K<1范圍,應(yīng)變類型為烙餅狀壓扁型應(yīng)變,應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為擠壓。從這3條斷裂的K值變化情況可以看出:西邊的仙姑壘—恭城斷裂的南段與栗木—和平斷裂的北段處于擠壓狀態(tài),而前者的中段及中間的栗桂—龍氹斷裂則處于單剪加拉伸的應(yīng)力狀態(tài)。由于恭城—栗木斷裂帶具多期活動的特點,K值的表現(xiàn)特征也受這種多期活動性的影響,造成目前K值分布特征的主要原因是,主壓應(yīng)力軸由印支期的近EW向擠壓,逐漸向燕山期的NE—SW向遷移的結(jié)果。3.2應(yīng)變橢圓球主軸方位恭城—栗木斷裂帶各測點的應(yīng)變主軸方位變化不大,具有較明顯的一致性。其中,1+ex:256°～293°∠9°～32°,1+ey:346°～32°∠1°～31°,1+ez:116°～169°∠52°～72°。平均方位,1+ex:276°∠21°,1+ey:9°∠16°,1+ez:142°∠62°。各測點應(yīng)變橢球主軸方位見有限應(yīng)變構(gòu)造略圖(圖1)。恭城—栗木斷裂帶的整體逆沖方向基本與1+ex軸的平均方位一致。3.3各測點的剪應(yīng)變值各測點的剪應(yīng)變值(r0),如表1。整個斷裂帶的平均剪應(yīng)變值為1.00,其中仙姑壘—恭城斷裂、栗桂—龍氹斷裂的剪應(yīng)變值較大,分別為1.11和1.07,而栗木—和平斷裂的剪應(yīng)變值較小,為0.77。應(yīng)變強度(Es)是Nadai提出的一個應(yīng)變參數(shù)(文獻),各測點的應(yīng)變強度參數(shù)見表1。整個斷裂帶的平均應(yīng)變強度為0.86。其中仙姑壘—恭城斷裂、栗桂—龍氹斷裂的Es值較大,分別為0.96和0.92;栗木—和平斷裂的平均Es值較小,只有0.67。3.4斷裂帶平均應(yīng)變程度應(yīng)變程度也是一個重要參數(shù),恭城—栗木斷裂帶各測點的應(yīng)變程度γ見表1。整個斷裂帶的平均應(yīng)變程度為2.50。其中仙姑壘—恭城斷裂的應(yīng)變程度為3.00;栗桂—龍氹斷裂的應(yīng)變程度為2.88;栗木一和平斷裂的應(yīng)變程度為2.26。3.5nadai-hossck圖Nadai-Hossack圖解是表示巖石應(yīng)變狀態(tài)的圖解,其優(yōu)點在于既可以表示應(yīng)變類型,又可以表示變形強度的大小,使不同類型的應(yīng)變橢球與各自應(yīng)變強度之間的對比研究成為可能。該圖解是用羅德系數(shù)(Lode)和表示應(yīng)變程度的自然應(yīng)變系數(shù),來說明巖石的應(yīng)變狀態(tài)的。根據(jù)表1中的γ和Es數(shù)據(jù),按Nadai-Hossack圖解的投影方法,制作了恭城一栗木斷裂帶的Nadai-Hossack圖解(圖2)。從圖解中可以看出,整個斷裂帶各測點的Es值大多落在0<Es<1范圍內(nèi),僅有2個點落在1附近的1<Es<2范圍內(nèi),這說明整個斷裂帶的應(yīng)變強度是不大的。另外,各測點的γ值基本上落在—0.2～0區(qū)和0.4～0.6區(qū),前者是處于擠壓應(yīng)力狀態(tài)的壓扁型應(yīng)變,而后者是平面應(yīng)變之簡單剪切作用的產(chǎn)物。4不同電壓的估計4.1差異應(yīng)力值反演基于庫侖-摩爾破裂準則,在脆性變形為主的地區(qū)用拋物線擬合破壞包絡(luò)線,可導(dǎo)出極限狀態(tài)下的主應(yīng)力大小與共軛角之間的關(guān)系,因此利用共軛節(jié)理的共軛角可反演差異應(yīng)力的大小。根據(jù)式(1),恭城—栗木斷裂帶的差異應(yīng)力計算結(jié)果見表2。式中k為巖石的抗剪強度;θ為共軛角;σc為巖石的抗壓強度;σ3為最小主應(yīng)力。從表2中可以看出:整個斷裂帶差異應(yīng)力值的變化范圍為60～84MPa。其中恭城—栗木斷裂帶南段的差異應(yīng)力值大于北段,SN向斷裂的差異應(yīng)力值大于NE向斷裂的差異應(yīng)力值。4.2差異應(yīng)力值的估算在應(yīng)力作用下,在方解石及白云石雙晶面上,沿滑動方向的分解剪應(yīng)力τr與差異應(yīng)力間的關(guān)系為式中x1、y1分別為最大主應(yīng)力與雙晶面極點和滑動方向的夾角;cosx1·cosy1為分解剪應(yīng)力系數(shù),記為S1,于是τr=(σ1-σ3)S1。當(dāng)τr等于臨界分解剪切應(yīng)力值τc,即τr=τc時,雙晶開始滑動;只有τr>τc時,雙晶才會發(fā)育。方解石、石英等礦物在差異應(yīng)力達到臨界值時產(chǎn)生雙晶,通過觀測雙晶化密度與雙晶組數(shù)可估算出差異應(yīng)力值的大小。本次研究共觀測了11塊薄片,每塊薄片觀測方解石顆粒100～200顆,具體數(shù)據(jù)見表3。從表3中可以看出,整個斷裂帶差異應(yīng)力值的變化范圍為37～51MPa,在組成恭城一栗木斷裂帶的4條斷裂及NE向的嘉會平移斷裂中(北洞源斷裂因未采集標(biāo)本而不予討論),形成栗桂—龍氹斷裂的差異應(yīng)力較其它斷裂的大,整個恭城—栗木斷裂帶南段的差異應(yīng)力比北段大。在斷裂帶的南段之江貝、龍氹及螞蝗塘三地,差異應(yīng)力的大小已為脆-韌性變形提供了條件,而其它地方則主要屬脆性變形范圍。一般說來,用巖石破裂準則估算出的差異應(yīng)力值大于由方解石e雙晶率所估算出的差異應(yīng)力值,而在e雙晶率所估算的差異應(yīng)力值中又以兩組雙晶所估算出的差異應(yīng)力值精度為高(文獻)。因此,在綜合兩種方法及大多數(shù)樣品的計算結(jié)果之后,認為本區(qū)的差異應(yīng)力值應(yīng)當(dāng)是40～70MPa之間。由此推斷,斷裂帶的變形深度應(yīng)小于10km,這在T.Shimamoto斷層模式(文獻)中屬半脆性—半韌性的變形域。5綠化帶及斷裂帶應(yīng)變主被動關(guān)系分析通過有限應(yīng)變測量與差異應(yīng)力估算,對恭城一栗木斷裂帶的應(yīng)變特征以及變形環(huán)境得出如下結(jié)論:(1)付林指數(shù)K的變化范圍為0.32～1.67,表明斷裂帶的應(yīng)變形式屬壓扁型橢球體和三軸橢球體。1+ex軸方位是276°∠21°,與斷裂帶的整體逆沖方向基本一致。斷裂帶的平均應(yīng)變程度為2.26～3.00,屬中等應(yīng)變,與斷裂帶經(jīng)差異應(yīng)力估算所確定的半脆性—半韌性變形環(huán)境相吻合。Nadai-Hossack圖解顯示,斷裂帶的應(yīng)變類型屬壓扁型應(yīng)變與單剪型平面應(yīng)變復(fù)合疊加的類型。斷裂帶的上述應(yīng)變特征與差異應(yīng)力估算的變形環(huán)境相吻合,也與其宏觀構(gòu)造樣式基本一致。(2)運用巖石破裂準則和方解石e雙晶率,對形成恭城—栗木斷裂帶的差異應(yīng)力進行估算,確定斷裂帶的差異應(yīng)力值在40