梯形香肠构造研究

梯形香肠构造研究_香肠构造与流变学

第二节　梯形香肠构造研究

梯形香肠构造香肠体的形态反映出其由能干层经脆性破裂变形而成，属于脆性香肠构造范畴。马杏垣（1965）在北京西山首次报道该类石香肠构造，并做了几何形态学及岩石学分析。本节以课题组在鄂东南铁山地区新发现的成层分布、形态相似的梯形香肠构造为研究对象，利用惯量椭圆法测量其基质层有限应变，尝试定量研究梯形香肠构造的形成机制，并探讨其形成过程中的相关规律。

一、地质概况

铁山区位于武汉市东南约60km，大冶市西约12km。地质上处于扬子地块中段北侧。由于燕山早期和晚期的复式岩体的侵入，在与围岩的接触带上形成了著名的矽卡岩型矿床——铁山铁矿。在接触带外侧的早三叠纪碳酸盐岩和含泥质碳酸盐岩的地层也相应地发生了热接触变质作用（图2-2）。

在接触带外侧为矽卡岩化大理岩，大理岩多呈条带状，主要由结晶好的方解石、白云石组成，矽卡岩化强烈，可见石榴石、透辉石、萤石等接触-交代变质矿物。从内向外大理岩粒度逐渐变细，石榴石等变质矿物粒度从大到小，乃至最后消失。

图2-2　大冶铁矿东段地质图（据石准立等，1982）

热接触变质带小构造发育。在东采坑自岩体向围岩，存在4个变形变质带，变形依次减弱（图2-3）。

（1）流变带：主要发育热流变小褶皱，如无根、勾形、“S”形等各种不协调性褶皱，其规模最大可达数十米。

（2）石香肠带：东采坑宽几十至上百米，西采坑不发育。组成岩石主要为大冶组第2～4段变质含泥质灰岩。该带石香肠由泥质角岩组成，定向分布在大理岩之中。石香肠线理倾伏向因地而异：在铁山镇东北部主要为NWW向，在东部主要为NE向。

（3）热变质带：石香肠带外侧各类小构造逐渐消失，以热变质为特征，变质结果使灰岩（白云岩）变为大理岩。热变质带很宽，从流变带、石香肠带至未受热变质边界均属此带。

（4）正常围岩带：以未变质、发育轴面南倾的小褶皱为特点。

图2-3　铁山岩体东南缘小构造（据马昌前等，1994，修改）

二、样品

本节研究对象是采自大冶铁山区尖山岩体与围岩热接触动力变质带上的一块标本（图2-2、图2-4A），其相关形态学及岩石学参数见表2-2，研究区间能干层有梯形香肠层①②③与D₂层，均为绿帘石-方解石角岩层，前者褶皱变形明显弱于其上下岩层，表明能干性相对较大；后者严重大理岩化，与相邻大理岩层D₁、D₃形成协调褶皱，表明三者能干性相近（吴树仁和金振民，1992），故将之划入香肠层①②③的下基质层。

通过详尽的几何形态学与岩石学观察分析（吴林波等，2012），认为在该梯形香肠构造发育的过程中，发育时间从早至晚顺序为：能干层拉开区→a组脉体→b、c组断层，热液作用贯穿该香肠构造发育的始终，且在裂隙处相对富集。热液对角岩层发生作用，萃取出其中铁质形成富含铁质的热液，生成大理岩层M中的暗色硫化物矿物，而被作用的角岩区段发生大理岩化，能干性变弱，利于邻近基质层物质楔入。岩层M可作为基质层U、D物质的分界，角岩层D₂阻隔其之下的大理岩层D₃、D₄及D₅向上流动，且大理岩层U、D₁厚度相差较大，导致楔入能干层拉开区的上基质层物质流动性更强，使得M层物质被挤至能干层拉开区下开口处（图2-4）。

表2-2　梯形香肠构造形态学、岩石学相关参数

注：Cc为方解石，Ep为绿帘石。

三、有限应变测量

1.惯量椭圆法简介

惯量椭圆法（Jain，1989；Muchrone和Choudhury，2004；李志勇等，2006）是岩石有限应变测量的一种重要方法。其利用惯量椭球理论，得到任意形态的矿物颗粒的惯量椭圆，并可通过测定颗粒的边界形态和颗粒面积两种途径标准化其椭圆参数，而应用于不规则形态的颗粒时后者误差更小（Muchrone和Choudhury，2004），因此我们利用每一颗粒面积标准化其椭圆参数，获得每一矿物颗粒的等效椭圆。矿物颗粒的等效椭圆可较好地反映其变形特征及优选方位，统计分析所得等效椭圆，运用椭圆的矩阵参数形式，可获得岩石的有限应变椭圆。

图2-4　梯形香肠构造标本（A）、梯形香肠构造薄片图（B）和梯形香肠构造素描图（C）

1.角岩层；2.大理岩层及其编号，圆圈示意其方解石粒径相对大小；3.正断层、未知性质的断层及其编号；4.脉体及其编号；5.暗色硫化物；图A、B、C中U、D、①、②、③相互对应；图A中T为角岩层，白线框为有限应变测区；图B中直角坐标系用以确定有限应变测量测点在测区的空间位置

在实践中，岩石切片中的矿物颗粒平面形态可视为多边形，运用格林公式以及积分运算可获得矿物颗粒的截面面积及其重心坐标；以矿物颗粒重心位置为坐标原点建立局部坐标系，积分运算获得矿物颗粒相对坐标轴的转动惯量；再计算相应的转动惯量得出与矿物颗粒截面等面积的惯量椭圆，即等效椭圆。每一个等效椭圆对应一个椭圆矩阵，在假设变形前矿物颗粒等效椭圆的初始形态与方位随机分布的前提下，通过求解矿物颗粒等效椭圆矩阵的特征值与特征向量，可获得他们应变椭圆的长、短主应变轴长度比R_s及主伸长轴的方位角α（李志勇等，2006）。

2.相关参数

采用参数真应变差（ε₁-ε₃）（曾佐勋和刘立林，1992a）、极摩尔圆特征向量纵坐标比（ξ1/ξ2）（储玲林等，2006）、垂直剪切方向的厚度比（S）、运动学涡度（Wk）（张进江和郑亚东，1995；储玲林等，2006），能较好地表征岩石中有限应变场。

真应变差在岩石中的分布能较好地体现岩石不同部位的应变场，从而表征岩石中的应变分布。真应变差（ε₁-ε₃）的计算公式为（曾佐勋和刘立林，1992a）：

式中：R_s为应变椭圆的长、短主应变轴长度比，式中变量均为无量纲量。

根据应变椭圆的主轴长度比（1＋e₁和1＋e₃）和长轴与剪切方向的夹角α，可以绘制极摩尔圆（张进江和郑亚东，1995）。具体做法如图2-5所示：作直线段O-A-B，其中OA＝1，AB＝（1＋e₁）/（1＋e₃）；由B点作射线BC，与OB的夹角为α，并过A点作BC的垂线AC，垂足为C；由O点经C点作射线OC为极坐标的极轴；以AB为直径画圆，便可获得极摩尔圆，通过几何运算有（Simpson和Depoar，1993；储玲林等，2006）：

解方程组，可以获得极摩尔圆特征向量纵坐标比（ξ1/ξ2）与运动学涡度（Wk）：

式中：α为剪切带剪切方向与有限应变椭圆长轴方向的夹角；ν为二维应变场中两特征向量的夹角。

在图2-5中过极摩尔圆圆心作极轴垂线并与之相交于（h，0），H0、H1分别为剪切带的初始厚度和现厚度，则有（张进江和郑亚东，1995）：

图2-5　极摩尔圆的制作（据张进江等，1995，修改）

左图为减薄的一般剪切；右图为增厚的一般剪切；OA＝1；AB＝R_s

由圆的垂径定理知：

再将式（2-3）、（2-6）代入式（2-5）可得：

式中：S为有限应变前后剪切带垂直剪切方向的长度比，在此处即为岩层厚度比。

由式（2-6）可知，极摩尔圆特征向量纵坐标比值（ξ₁/ξ₂）大于1时，S值与其负相关，且小于1，即ξ₁/ξ₂值越大剪切带相应部位减薄程度越大，相应一般剪切中纯剪切组分最大主拉伸方向平行于剪切带剪切方向；当ξ₁/ξ₂小于1且大于0时，S值与其负相关，且大于1，即表示ξ₁/ξ₂值越大则剪切带相应部位增厚程度越小，相应一般剪切中纯剪切组分最大主拉伸方向垂直于剪切带剪切方向（张进江和郑亚东，1995）。运动学涡度（W_k）是对物质递进变形中非共轴性的一种度量（Mandal等，2007）。W_k＝0，相应物质层中剪切变形完全为纯剪切；Wk在0与1之间时，相应物质层中剪切变形为一般剪切，即纯剪切与简单剪切组分以不同的比例复合作用，特别地，当W_k＝0.71（部分学者取0.75），相应一般剪切中简单剪切与纯剪切各占一半；W_k＝1，完全为简单剪切（Simpson和Depoar，1993；王勇生和朱光，2004；郑亚东等，2008）。

3.测量方法

将研究区间限定在约15mm×28mm的范围内（图2-4A、B）。香肠体的宽度a指示拉伸方向，厚度c指示压缩方向，其应变过程可视为平面应变（Ramsay，1967）。切制平行香肠构造ac面的薄片用于有限应变测量，可将测量从三维简化为二维，便于简单而有效地研究石香肠构造基质层中的应变分布规律。

测区选在基质层相对较厚、附近没有其他明显相对大的构造干扰的区间，以保证得出的数据反映研究对象的实际情况。对梯形香肠体周边基质做同步有限应变测量，将约364mm²的区域划分为223个测点，每个测点面积约为1.3mm×1.3mm。

设定ac面中角岩层层面延展方向为剪切方向，采用Straindesk软件（李志勇等，2006）测量有限应变。选取未经后期重结晶等作用影响的晶粒，该类晶粒一般为半自形或他形变晶结构，颗粒相对较大，易发育裂理、双晶等（朱志澄，1992；路凤香和桑隆康，2006）。为保证所得数据可较好地表征测区有限应变，我们对每个测点测定20～50个颗粒，各测点测量面积均为其总面积的一半以上。将直接测得的数据（吴林波等，2012，表2）按公式（2-2）、（2-4）、（2-7）处理，生成图件（图2-6～图2-11）。

图2-6　梯形香肠构造基质层应变相关参数值的分布图

图A为真应变差（ε₁-ε₃）等值线分布图，等值线间隔单位为0.05，墨黑色线表示0.30的等值线，白色线表示0.15的等值线；图B为垂直剪切方向的厚度比（S）值等值线分布图，等值线间隔单位为0.1，白色虚线、白色实线、墨色线分别表示0.6、0.7及1的等值线；图C为运动学涡度（Wk）等值线分布图，等值线间隔单位为0.2，白色线表示0.71的等值线

四、测算成果分析

前述a组脉体和b、c组断层晚于梯形香肠体①、②、③形成；b、c组断层发育于后期脆性变形阶段，对前期梯形香肠构造的韧性应变过程无影响；图2-6及图2-7表现出上下基质层相关参数总体具有一定的对称性，却未发现a组脉体及b、c组断层在其能干层两侧相应基质层区段产生明显对应的参数分布扰动，反映出由梯形香肠构造的发育控制的基质层应变参数分布未受到明显的其他干扰，认为是因a组脉体及b、c组断层规模明显小于该石香肠构造导致的，即三者对基质层应变参数分布的干扰可忽略。

图2-7　基质层有限应变椭圆主伸长轴（λ₁）分布图

白色短线表示相应部位物质有限应变椭圆主伸长轴，其长度指示相应基质中的R_s相对大小

上下基质层在离能干层①②③等距离范围内总体表现出一定程度的对称性（图2-6A），表明基质层应变分布受能干层影响。香肠体①、②、③间拉开区及相应上下基质层中真应变差（ε₁-ε₃）值相对其他基质层区段总体偏小，认为这反映应变过程中香肠体①、②、③间拉开区及相应上下基质层是相对其他区段的低压区，宏观上表现为基质层物质由作为高压区的香肠体①、②、③连续处上下基质层向该处运移（图2-4B），引起该处岩层减薄程度相对低，即基质层中真应变差（ε₁-ε₃）值与相应的岩层厚度比值具有负相关的趋势（图2-8）。另外，由于香肠体②、③间拉开区对应能干层T的拉开区，故其香肠体②、③间拉开区上基质层顶部及其附近也表现为相对低应变区，这与图2-6B和C相对应。

图2-6B反映出的基质层在垂直剪切方向即能干层①②③延展方向上的厚度变化与宏观的厚度分布表现相吻合，即除能干层拉开区及其上下基质层主要表现为相对增厚乃至增厚外，其他区段减薄。

将测算所得数据（吴林波等，2012，表2）投在适于平面应变的对应不同运动学涡度值的有限应变椭圆长短轴比-有限应变椭圆长轴与剪切方向的锐夹角关系图中（图2-9），所得涡度值（W_k1）与式（2-4）计算出的涡度值（W_k2）（图2-10）间误差（︱W_k1-W_k2︱）均小于0.1，反映出公式（2-4）较可靠。图2-6B和C及图2-11均表明基质层中S值与Wk值相关：S小于1时，W_k与S正相关，与Xypolias和Koukouvelas（2001）测量分析Cheloms剪切带运动学涡度时得出的认识相一致；S大于1时，W_k与S负相关。证明剪切带垂直剪切方向的厚度变化

是由纯剪切而非简单剪切作用导致：基质层的减薄是由最大拉伸方向平行于剪切带剪切方向即平行能干层岩层伸展方向的纯剪切作用所致，相对增厚（图2-4、图2-6B）主要是由相应区间的一般剪切中纯剪切所占比重小于其他区间所致，增厚则是由最大拉伸方向垂直于剪切方向即垂直岩层层面的纯剪切作用所致。

图2-8　梯形香肠构造基质层真应变差（lnR_s）值-垂直剪切方向的厚度比（S）值投点图

图2-9　梯形香肠构造基质层有限应变椭圆长短轴比（R_s）-有限应变椭圆长轴与剪切方向的锐夹角

（α₁）投点图（据Tikoff和Fossen，1995）

2-10　梯形香肠构造基质层运动学涡度（Wk）值-有限应变椭圆长轴与剪切方向的锐夹角（α₁）投点图图

图2-11　梯形石香肠构造基质层运动学涡度（Wk）值-垂直剪切方向的厚度比值（S）投点图

图2-6C表明梯形香肠构造基质层中有限应变过程中基质层以纯剪切为主，简单剪切为辅，简单剪切主要集中发生在香肠体间拉开区及其上下基质层中。而λ₁的分布则较好地对应了真应变差（ε₁-ε₃）值和涡度（Wk1）值的分布（图2-6、图2-7）；λ₁的方位分布所表现出的沿岩层伸展方向较连续的波状形态与基质层物质宏观的褶皱形态相吻合（图2-4），体现出应变过程中物质从能干层连续区段上下基质层向能干层拉开区及其上下基质层运移的趋势。

五、讨论与结论

综上分析表明，本节梯形香肠构造属于一种脆性石香肠构造（表2-1），其应变过程可分为以下四个阶段。

（1）岩层在垂直层面的挤压下，总体受纯剪切作用发生平行层面的伸展减薄，大理岩层U、D₁厚度相差大导致前者物质流动性更强，引起能干层①②③形成向较厚大理岩层D开裂的楔形张裂隙。

（2）岩层受纯剪切作用继续伸展减薄，楔形张裂隙作为相对低压区招致基质层物质受简单剪切作用楔入其中，伴随着热液作用相对富集于此，热液作用交代萃取张裂隙附近角岩层中的铁质产生黄铁矿、磁黄铁矿等硫化物矿物，使角岩层大理岩化、能干性降低，从而成为基质层的一部分即大理岩层M的物质源，对应楔形张裂隙的下层基质层D物质也受简单剪切作用趋向上层低压区拱起形成楔形褶皱，促进能干层楔形张裂隙扩张直至拉开。

（3）岩层总体仍受纯剪切作用持续伸展减薄，上基质层U物质受简单剪切作用大量涌入，下基质层D由于大理岩化的角岩层D₂阻隔其之下的大理岩层物质直接涌入楔形张裂区而只能使角岩层①②③上拱褶皱，促使楔形张裂区进一步扩张，形成梯形香肠构造。

（4）岩层总体上继续受纯剪切作用持续伸展；受简单剪切作用使上基质层U物质持续涌入香肠体拉开区，下基质层D持续上拱褶皱，综合使得香肠体①、②、③相互远离，大理岩层M的物质被挤压至香肠体①、②、③间拉开区的中下部，且相继发育a组楔形脉体和b、c组断层（图2-4C）。

上述观点与马杏垣（1965，2004）对北京西山同类香肠构造的认识基本一致，不同的是：热液作用导致的楔形张裂处角岩层的大理岩化使得楔形张裂更易扩张，促进了上述梯形香肠构造的形成。

综上所述，我们认为相对于其他种类的香肠构造，发育成层分布且形态相近的梯形香肠构造的特征性条件有：①能干层上下基质层厚度相差较大，这导致相对厚的基质层的物质具有相对强的流动性，从而引起能干层发育向厚基质层开裂的楔形张裂隙，图2-4中a组楔形脉体即是这种作用的表现；②基质层中持续的平行层面的纯剪切作用促使楔形裂隙持续扩张直至完全拉开，伴随着相对集中于能干层楔形裂隙及其上下基质层中的简单剪切作用，引起基质层物质楔入其中。可见成层分布且形态相近的梯形香肠构造是一种较好的岩石流变学标志。当然，至于其他因子，比如梯形香肠体上下基质层黏度差异，对其发育的影响尚待探讨。

将梯形香肠构造基质层中的真应变差值、厚度比值及涡度值分布特征推广到一般剪切带的有限应变过程中，可认为垂直剪切方向的厚度比值与相应真应变差值有负相关的趋势；当剪切带处于减薄状态时，其中运动学涡度值与厚度比值正相关；反之，则负相关。