骨节状香肠构造研究

骨节状香肠构造研究_香肠构造与流变学

第三节　骨节状香肠构造研究

Malavieille和Lacassin（1988）在美国犹他州—内华达州交界处盆岭省东部变质核杂岩体的韧性剪切带中发现了一种双凹形石香肠，并称之为“骨节状香肠构造”（图2-12）。湖北铁山地区发育有国内外已经报道的所有不同类型的骨节状香肠构造，本节即通过对湖北铁山和北京西山各种类型骨节状香肠构造的研究，将它们系统分类，并从几何形态学与岩石学角度探讨相应的机制。

图2-12　骨节状香肠构造（Malavieille和Lacassin，1988）

一、骨节状香肠构造形态分类研究

骨节状香肠构造的几何形态及其分类是成因机制和变形过程研究的依据。为了便于描述骨节状石香肠，我们建立了相应的形态要素（图2-13）。

图2-13　骨节状香肠构造的基本要素（据樊光明等，2002，修改）

1.香肠层；2.基质层；3.骨节状香肠体；4.骨节颈；5.骨节缝及骨节缝填充脉体

骨节层（香肠层）——在垂直岩层的剖面上（XZ变形面），由同一能干层变形而形成的骨节状石香肠排布表现出的层位。

骨节段（香肠体）——组成骨节状石香肠层的单个石香肠。

骨节颈——骨节状石香肠体中段变细的部分。

骨节缝——同一香肠层中相邻骨节状石香肠体衔接处。

湖北大冶铁山地区骨节状香肠构造较为发育，主要出露于尖山一带，分布于尖山岩体与下三叠统大冶群第三段的接触热动力变质带上（图2-14）。该地区有形态多样的骨节状香肠构造，普遍与褶皱共生，呈平直形态的香肠层则往往与岩层产状一致。北京西山地区的骨节状香肠构造发育在中元古界地层中，具单一形态，香肠层多与岩层产状一致，呈平直状（图2-15）。

骨节缝形态可以划分出：“S”型、弧型、直立型、侧列型和锯齿状骨节缝（图2-15），其中，锯齿状骨节缝多见于北京西山地区（图2-15），目前国外报道仅限于骨节缝脉体为直立型和侧列型的骨节状香肠构造（Malavieille和Lacassin，1988；Kenis等，2006；Maeder等，2009）；根据香肠层的剖面形态特征，可以将骨节状石香肠构造划分为平直型（图2-16A）、褶皱叠加型（图2-16B）和不规则型。骨节缝填充脉体的形态与香肠构造形成期次的关系可以划分为：骨节缝填充脉体仅存在于单层香肠体中，并且在垂直香肠层或岩层方向上不连续的为后成脉体型骨节状香肠构造；骨节缝脉体存在于香肠体和上下基质层中，并且在垂直香肠层或岩层方向上连续的为先成脉体型骨节状香肠构造（图2-17）。

表2-3是对上述骨节状香肠构造形态学分类的一个总结，这为讨论骨节状石香肠构造动力学成因机制设定了前提与规范，也指导了骨节状香肠构造的物理模拟实验和数值模拟。

表2-3　骨节状香肠构造的分类总结

图2-14　湖北大冶铁山地区尖山地质构造图
（据《湖北大冶铁矿地质特征及其深部成矿预测问题探讨》，1982，修改）

1.第四系及覆盖物；2.大冶群第五段白色大理岩；3.大冶群第四段中厚层灰白色大理岩；4.大冶群第四段中厚层灰白色含石香肠大理岩；5.大冶群第四段薄层黑色及灰色条纹大理岩；6.大冶群第四段薄层条带状大理岩；7.大冶群第三段灰绿色至棕灰色条带状条纹石榴石-透辉石大理岩；8.大冶群第二段薄层-中厚层石榴石大理岩，顶部夹灰黑色条带状角岩；9.黑云母透辉石闪长岩；10.矽卡岩；11.铁矿体；12.褐铁矿染矿化带；13.尖山背斜轴线；14.十米级的背斜和向斜轴线；15.第三世代南北向开阔背斜轴线；16.小褶皱枢纽；17.石香肠构造b轴产状；18.骨节状香肠构造b轴产状；19.大理岩化时愈合的近南北向成反“S”型的断裂；20.NNE向成矿后压扭性断裂；21.NWW向成矿后扭性断裂；22.地质界线（大冶群第四段中各界线受地形和褶皱共同作用，呈不规则弯曲）；23.地层产状；24.主峰

图2-15　具有不同形态骨节缝的骨节状香肠构造素描图（大冶铁山、北京西山）

图A为铁山“S”型和弧型骨节缝；图B为铁山直立型骨节缝；图C为铁山侧列（歪斜）型骨节缝；图D为西山锯齿状骨节缝；①黑绿色角岩（能干层）；②骨节缝填充脉（绿帘石为主）；③大理岩（基质）；④灰质白云岩（能干层）；⑤白云质灰岩（基质）；⑥骨节缝充填脉体（硅质）

图2-16　具有不同香肠层形态的骨节状香肠构造素描图（大冶铁山）
①黑绿色角岩（能干层）；②大理岩（基质）；③骨节缝填充脉（绿帘石为主）

图2-17　具有不同骨节缝填充脉的骨节状香肠构造（大冶铁山）

图A为后成脉体型骨节状香肠构造；图B为先成脉体型骨节状香肠构造

二、骨节状香肠构造物质组成

1.骨节状香肠构造与其他类型香肠构造比较

依据铁山香肠构造的野外观测资料，对比香肠构造的应变大小和产出环境（表2-4），我们发现距离岩体越近，岩层塑性流动和变形作用越强烈，形成的香肠构造应变越大。而铁山骨节状香肠构造出露的尖山就在岩体附近，变形尤为强烈。可见该地区的岩体侵位对香肠构造的发育起到了至关重要的作用。

2.骨节状石香肠构造物质组成

湖北铁山地区石香肠构造普遍发育在岩体的接触热动力变质带附近。热动力和强烈的构造变形作用相叠加，为石香肠构造的形成提供了热和动力条件。由于岩体侵位，该地区大冶群第三段互层状的泥岩、灰岩原岩发生中低温变质作用，泥岩变质成绿帘石-透辉石角岩，而灰岩变质成较纯净的大理岩，这为石香肠构造的发育提供了有利的物质基础。由于岩体侵位挤压，并叠加构造变形作用，角岩层作为能干层，大理岩层作为基质，变形产生了多种形态的石香肠构造。本区骨节状香肠构造基质多为白色大理岩，能干层为墨绿色角岩，骨节缝中多由填充脉体粘结。

对骨节状香肠构造基质层、能干层以及骨节缝填充脉体的镜下鉴定显示以下特征。

（1）白色大理岩基质在露头和手标本上均显示良好的流动性质，其方解石颗粒较大（粒度范围为0.05～0.50mm），颗粒边界较为平直，静态重结晶程度较高（常见120°交角），多发育共轭的两组双晶纹（图2-18A）。

（2）能干层为石榴石-绿帘石-方解石角岩，组成矿物颗粒粒度很小（粒度范围为0.02～0.06mm），含有较多杂质（图2-18C）。

（3）骨节缝填充脉矿物组分主要有绿帘石、少量石英，部分骨节缝填充脉还含有少量方解石，粒度比基质方解石小（粒度范围为0.05～0.80mm），比能干层矿物颗粒大；且矿物定向性好，呈现出近平行于骨节缝延伸方向定向生长的特征（图2-18B）。

（4）手标本上见到沿香肠层上下表面分布的暗色难溶矿物层，镜下显示为香肠体表面附着的不透明矿物条带（图2-19A）。有研究认为，这是岩层受垂直层面压缩变形过程中，基质灰岩-大理岩发生压溶作用，含铁的难溶物质在香肠层面上形成了类似缝合线构造的形迹（樊光明等，2002）。

表2-4　各种类香肠构造线应变统计及产出环境对比（大冶铁山）

（5）露头上常见骨节状石香肠构造呈褶曲状产出，而凸出的骨节处往往分布于两翼，中间厚度较薄的香肠体中段则多形成褶皱转折端，这一现象说明骨节缝处能干性相对高，不易于褶曲。镜下可见骨节缝填充脉体矿物结晶颗粒比能干层矿物粒度大，定向性较高（图2-19B）。究其原因，一方面是由于骨节缝为局部低压区，有利于矿物的结晶；另一方面填充脉体矿物颗粒的增大又提高了骨节缝的能干性，使骨节缝较香肠体其他部位更难于压缩和褶曲。这对于解释“骨节”的形成是一个良好的佐证。

（6）基质方解石双晶纹相当发育（图2-18A和图2-19C）。一般认为方解石双晶纹是在应力作用下，晶内发生滑移，晶体的一部分相对于另一部分滑移的距离为单位晶格的非整数倍，剪切应变则是恒定的。双晶滑移造成了相对位移的两侧晶体以滑移面为对称面成镜像对称。由于双晶部分与非双晶部分在物理性质上的不连续，显微镜下可见一些纹理，即为机械双晶。还有一种双晶是方解石的生长双晶，它一般不发育，而在应力作用下的双晶化作用却比较容易发生。因此，在变形岩石中，只要方解石晶体中普遍发育了双晶纹，一般可以认为是机械双晶纹。

图2-18　骨节状香肠构造的镜下鉴定一（10×4，正交偏光）

图A为基质大理岩，DC为变形方解石，TC为方解石双晶；图B为骨节缝填充脉；
图C为能干层绿帘石-方解石角岩

图2-19　骨节状香肠构造的镜下鉴定二（10×4，正交偏光）

图A为基质与能干层界面，显示难溶物质沿香肠体表面分布；图B为骨节缝填充脉与能干层角岩
的矿物颗粒粒度差异显著；图C为基质方解石呈共轭的两期双晶纹

方解石脉对变形作用的反应很灵敏，同时又能把变形痕迹（信息）很好地保留下来（Burkhard，1993；蒋建平等，2002）。经受多期变形的方解石，可形成多期双晶。铁山骨节状香肠构造基质方解石就有明显的至少三个期次的双晶纹。第一、二期方解石双晶纹较为明显，平直且呈共轭产出；第三期双晶纹宽度较大，不太明显，且处于前两期双晶纹的角平分线位置。这个现象反映了骨节状香肠构造形成时及随后经历了两期至三期的变形作用：第一期或一、二期为压缩变形，形成共轭双晶纹；后期为剪切作用或垂直前期变形作用面的受力情况，形成了处于角平分位置的双晶纹。当然，这一分析还有待于实验验证。

对基质方解石双晶及双晶纹的分析表明，铁山骨节状香肠构造在形成过程中经历了至少两期的变形作用；基质层—骨节缝填充脉—能干层的矿物粒度是逐渐减小的，反映出“骨节”的形成一方面受变形应力作用方式和变形叠加的影响，另一方面是由物质组成及矿物颗粒大小对能干性影响所决定的。

北京西山地区的骨节状石香肠构造露头见于灰质白云岩和白云质灰岩互层中，灰质白云岩形成骨节状香肠体，白云质灰岩作基质层，骨节缝处由硅质充填脉衔接，硅质脉因受后期变形而呈锯齿状形态（图2-15D）。

三、骨节状香肠构造形成机制探讨

对于火焰状香肠构造，Sengupta（1983）曾提出过一种可能的形成机制：能干层在早期垂直岩层的挤压变形中形成矩形断裂香肠构造，后期平行岩层的压缩变形使能干层长度缩短，伴随基质的塑性流动和剪切作用，端部拉长、能干层褶皱形成火焰状形态（图2-20）。Malavieille和Lacassin（1988）对骨节状香肠构造提出了简单剪切和纯剪切叠加作用的形成机制（图2-21）。樊光明等（2002）在曾佐勋等（2001）的基础上，进一步从理论上提出了不同类型骨节状香肠构造的四种基本成因模式。Kenis等（2006）通过数值模拟表明：骨节状香肠体形态与能干层伸展程度、初始断块纵宽比及骨节缝充填脉与能干层黏度比相关，即骨节缝充填脉能干性大于能干层与基质层的；而与变行前基质层规模、能干层所受应力及能干层与基质层黏度比无关。Maeder等（2009）通过对香肠构造能干层与香肠体骨节缝充填脉相对黏度值及能干层界面运动学涡度的数值模拟，给出了形成骨节状香肠所需三者的区间组合，并强调了骨节缝充填脉在其形成过程中的关键作用。

图2-20　火焰状香肠构造形成机制（据Sengupta，1983）

图A为未变形的矩形香肠；图B为顺层小幅度压缩后，岩层垂向加厚，矩形香肠初步骨节化；图C为顺层进一步压缩后，岩层进一步垂向加厚，矩形香肠明显骨节化，香肠层褶皱变形，单节骨节状香肠配套梯形化，形成火焰状构造

图2-21　侧列型骨节状香肠构造形成机制（据Malavieille和Lacassin，1988；牛树根和孙爱群编译，1991）
①为未变形阶段，②、③、④为变形不同阶段

综合湖北铁山和北京西山地区野外实际与前人研究成果，依据图2-15～图2-17及表2-3中对骨节状石香肠构造类型的划分，我们归纳出了骨节状石香肠构造的形成机制，并分析了其形成过程中的应力-应变状态（图2-22）。

图2-22中①、②、③型骨节状香肠构造均属于后成脉体型。在铁山地区，这三类石香肠在变形前期主要受垂直层面的压应力作用，能干层厚度减薄（H₀→H₁），并发生断裂，往往形成断裂香肠构造，在香肠体端部形成了局部低应力区。在变形后期，应变c轴方向上压缩应变和a轴方向上的拉伸应变均增大（H₁→H₂，L₀→L₁）；伴随着应变的积累，沿香肠体上下层面附近发生基质物质的压溶，残余铁质成分沿香肠体表面形成薄层（0.1～1mm），碳酸钙作为易迁移组分则与热液物质一起在骨节缝低应力区中结晶，并与香肠层角岩物质发生反应形成透辉石-绿帘石细小条带状脉体。这些成分较为简单，结晶颗粒较大的脉体极大地提高了香肠体端部的能干性，造成了后期变形中香肠段两端的压缩变形比中部小，形成“骨节”的形态。西山地区的骨节状石香肠构造主要表现为①型，其早先遭受垂直岩层的压力作用，形成矩形石香肠；在香肠体间隙中，并不是由白云质灰岩或灰质白云岩充填，而是由含硅质的碳酸盐岩分泌的硅质物充填，形成刚性比香肠体更强的硅质脉。在第二期的垂直层面压力作用下，香肠体必然要继续拉伸，但间隙中的硅质脉起到了刚性体的阻碍作用，这样，最大的拉伸作用就发生在香肠体中部，以减薄作为对应力作用的响应；同时，硅质充填物也会向香肠体侵进，使得其骨节缝充填脉体呈锯齿状（图2-15D）。

图2-22中，在后期纯剪切变形中，①型骨节状香肠构造层能干性相对较高，基本保持了断裂阶段香肠段端部的直立形态，主要形成直立型骨节缝，注意到湖北铁山发育的①型骨节状香肠体的边缘比北京西山的要平整得多，认为这是由于两者能干层与基质层黏度比的差异或者受到的应力大小不同导致的。

图2-22　骨节状香肠构造形成机制图解（据李泉等，2006，修改）
图A、C为后成脉体型骨节状香肠构造；图B为先成脉体型骨节状香肠构造

②型骨节状香肠构造香肠段两端发生失稳内缩，形成开阔弧形或“S”型骨节缝。

③型骨节状香肠构造香肠层能干性较弱，并受到后期顺层剪切应力（τ_zx）的作用，形成侧列型骨节缝或不规则骨节缝，这种侧列排布特征可以确定剪切作用的方向，当然，是以准确判定其变形动力叠加机制为前提的（详见第二章第四节）。这几种骨节状香肠构造骨节缝中均有少量的基质层物质挤入，在露头和标本上表现为骨节缝附近基质中的流线构造。从基质层的流动性来看，明显有：①型＜②型＜③型，香肠层的能干性排序则相反。

④型骨节状香肠构造属于先成脉体型。先期发育的微裂隙连续贯穿多个能干层和基质层，其中有垂直层面的一组裂隙和两组裂隙共轭产出的两种情况。前期垂直层面的压缩使裂隙扩张，基质层压溶产物和热液物质在作为低应力区的裂隙结晶，形成细小的方解石绿帘石脉。由于方解石脉结晶颗粒（粒度范围为0.05～0.80mm）明显大于能干层角岩矿物，且与热液矿物绿帘石胶结，导致香肠体端部能干性提高。因而在后期的压缩变形中，香肠构造两端压缩量小于中间部分，香肠段中部主要为减薄和伸长变形。如果受到剪切应力作用，则形成侧列型骨节状香肠构造。由于各能干层厚度和物质成分常不均一，原裂隙的形态容易受较大程度的改造，在野外观察时需谨慎识别。

⑤型骨节状香肠构造即Sengupta（1983）报道的火焰状香肠构造，也属于后成脉体型。与①～④型不同的是，该石香肠骨节缝由基质充填，即能干性与基质层一致。铁山地区的⑤型骨节状石香肠剖面形态总体上不十分规则，香肠层局部发育褶皱变形（图2-16C），我们认为它的动力学成因机制和Sengupta（1983）给出的总体一致：能干层在早先受到垂直岩层的压力形成矩形石香肠，香肠体相互分离，香肠体间隙中由基质填充；再遭受平行岩层压力的压缩作用，导致香肠体间隙中基质向外挤出，对与之接触的矩形香肠体物质产生垂直层面的剪切作用，矩形香肠体端部棱角部位作为应力容易集中的部位，加之早期破裂导致其能干性减弱，相对于香肠体内部更易发生形变，这些因素综合作用使得在能干层总体处于顺层压缩状态下，矩形香肠体端部向外翘出，最终形成剖面上形似火焰的骨节状石香肠（图2-20）。

铁山地区发育的褶皱叠加型和不规则型骨节状香肠构造，我们认为，前者表现为香肠化作用与褶皱变形的叠加，可能先香肠化再褶皱，或者先褶皱变形，再香肠化，褶皱各部位的骨节状香肠可通过分解为图2-22中的①～④型分别加以讨论。后者的发育则可能与能干层物质不均匀分布导致能干性不均一相关。不过，这些观点都需要进一步论证。

四、小结

本节依据北京西山和湖北大冶铁山地区骨节状石香肠构造的形态和产出环境，系统地划分了骨节状香肠构造的成因类型，结合产出环境和物质组成的镜下鉴定，探讨了骨节状香肠构造形成机制，指出：岩体侵位时的热动力是骨节状香肠构造形成的主要驱动力，这类香肠构造形成过程中至少经历了两期变形作用。并且较为完整和系统地总结了骨节状石香肠构造的三种力学成因机制：①两期递进的垂直层面压缩变形的叠加；②早期垂直层面压缩与后期平行层面剪切的叠加，或者早期平行层面剪切与后期垂直层面压缩的叠加（详见第二章第四节）；③早期垂直层面压缩与后期平行层面压缩的叠加。可见骨节状石香肠均为脆韧性复合石香肠（表2-1）。需要说明的是，鉴于先成脉体型骨节状香肠构造初始脉体的成因具有多解性，形态多变，故对其动力学机制需要谨慎地结合骨节状香肠构造发育地区的地质特征做具体分析，也就是说，上述三类骨节状香肠构造动力学机制仅针对后成脉体型。

骨节状香肠构造机制，可以提供岩石流变学信息和运动学信息；作为递进变形或多期构造作用叠加的结果，骨节状香肠构造可用于不同地区或同一地区不同构造部位的构造变形史分析，为建立区域构造变形序列提供可靠证据；其几何形态学的研究也可以定量或半定量地估算岩石（层）不同变形阶段的应变大小以及岩层初始长度等参数（详见第三章第四节）。