复合香肠构造研究

复合香肠构造研究_香肠构造与流变学

第七节　复合香肠构造研究

吴树仁和金振民（1992）对复合石香肠所下的定义是：单个石香肠内包裹着几个香肠块，整体呈藕节状；而内部的小香肠块可能是矩形、菱形；外部包裹弧一般较薄，且与介质变形相协调，表现为韧性。而Ghosh和Sengupta（1999）认为，复合石香肠发育于具有不同次序（期次）石香肠的能干层中，在剖面形态上表现为单层小石香肠体包裹在“袋状”香肠构造里。从这两者所下的定义来看，他们从石香肠构造的形态加以限定，即为藕节状或袋状的外形结构，内部包裹着矩形、菱形等小香肠体。后者对复合石香肠下定义时，提及了不同期次的成因。本书认为，复合香肠构造是具有两期或两期以上香肠化作用的香肠构造。在野外工作时，我们不仅发现了前人所提及过的类型，还发现了一些新类型的复合石香肠。本节拟主要以湖北大冶铁山和北京西山广泛发育的石香肠为研究对象，结合国外的其他研究实例，详细描述复合石香肠，探讨其成因，并作分类。

一、复合香肠构造的分类

对于复合石香肠的分类，可以参考前人对石香肠的分类方法：第一种是按香肠横断面形态区分（马杏垣，1965）；第二种是按成因分类（徐开礼与朱志澄，1989）。此外，吴树仁等（1992）还探讨了另一种分类方法，按石香肠的组合分类。在这里，我们从石香肠横断面形态对复合石香肠分类。

如图2-37所示，结合铁山、西山地区及国外的研究实例，本节将复合石香肠分为四类：肿缩-断裂复合石香肠（Ⅰ类）、断裂复合石香肠（Ⅱ类）、骨节状石香肠（Ⅲ类）以及酒桶状石香肠（Ⅳ类）。其中，肿缩-断裂复合石香肠可进一步分为三种亚类：Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc型。骨节状石香肠也可以细分为三种：Ⅲa、Ⅲb、Ⅲc型。而Ⅱ型断裂复合石香肠只有一种。Ⅰ类的三种亚类型从整体来看呈肿缩石香肠状，Ⅰa、Ⅰb型有次能干层（能干性介于能干层与基质之间）作外弧包裹着。其中Ⅰa型内包裹单层或多层断裂石香肠；Ⅰb型内包裹两个以上的Ⅰa型复合石香肠，故可称为多重肿缩-断裂复合石香肠；Ⅰc型和Ⅰa型相比没有次能干层包裹，只是由多层断裂石香肠组成，整体呈肿缩石香肠状；Ⅱ类为较大的断裂石香肠内含单层或多层小的断裂石香肠，整体呈断裂石香肠形状。Ⅲ类骨节状石香肠的香肠体都呈骨节状，其中，Ⅲa型的骨节缝结晶充填脉向一个方向倾斜；Ⅲb型的结晶充填脉没有发生侧列倾斜，这两亚类骨节状香肠构造中结晶充填脉的能干性均大于能干层；Ⅲc型无结晶充填脉，香肠体间隙由基质充填。这三亚类复合石香肠都可以形成火焰状形态，其中又以Ⅲc型火焰状香肠构造的最为典型（图2-20）。另外，Ⅲb和Ⅲc型香肠体是对称的，Ⅲa型香肠体则是不对称的。Ⅳ类酒桶状石香肠中，顾名思义，香肠体类似于酒桶状，其在形态学上常与A型鱼嘴状石香肠（图3-7）略为相似，甚至部分学者就将鱼嘴构造发育的初始阶段的石香肠称为“酒桶状石香肠”（Goscombe等，2004），但是酒桶状香肠体上下层面的外凸程度一般远大于A型鱼嘴构造，最值得注意的一点区别是，该类香肠体间隙的结晶充填脉体的能干性强于能干层，而鱼嘴构造的香肠体间隙主要由基质充填。

图2-37　复合石香肠分类示意图

（据刘富、曾佐勋，2002，补充）

实际上，在绝大多数情况下，“巧克力方盘”香肠构造也属于本书定义的复合香肠构造的范畴，虽然在横断面上它一般以简单石香肠形式呈现，但多表现为两期不同应力场叠加作用的结果。关于这类香肠构造的具体阐述详见本章第八节。

二、复合香肠构造成因分析

铁山地区发育热接触动力变质带，该区的岩体侵位和构造变形作用的叠加，为复合石香肠构造的发育提供了充分的变形条件；使得周围薄层的灰岩和泥岩互层变质形成的大理岩和角岩互层，两者之间存在较大的能干性差异，这又为石香肠构造的形成准备了必要的物质条件；岩体侵位和构造变形作用则提供动力条件。北京西山地区也经历了多期的构造运动，而且灰岩与白云岩之间存在着黏度差，这对复合石香肠的形成都是有利的条件。

Ⅰa型复合石香肠（图2-38A、B）内常包裹有多层香肠体，各层的厚度有些是相近的，有些则相差较大；香肠体的长短也是不均一的。包裹层在香肠体裂隙部位也会出现一些断裂。当岩层受到垂直层面的压力时，能干层有时是作为一个整体发育的；有时则是能干性强的、厚度大的能干层先发生断裂，起主导作用；随着进一步的应力作用，另一层则受这层的影响发育。这取决于它们相互之间的厚度比，若厚度相差不大且相距较近的，则作为一个整体发育。否则，则相对能干性强的、层厚大的起主导作用。香肠体的间隙增大，形成一个低压区，这样基质的物质必然向这里流入。在基质流入香肠体间隙的同时，相邻能干性较差的薄层次能干层也向这个裂隙楔入。有时还能在这个部位断裂成小块的香肠体，这是因为薄层的能干层在此所受的应变伸长大于整体的延长。在进一步的变形过程中，肿胀部位里面的香肠体会再次断裂，形成更短的香肠体，但它们之间的间距要比第一次断裂的香肠体间距小。

对于Ⅰb型复合石香肠（图2-38B），大体上和Ⅰa型差不多。它只是在更大范围内的复合石香肠。之所以把它分出来说明，是因为其成因相对Ⅰa型较复杂些。它内部的Ⅰa型复合石香肠之间的占位是一种相容性的特征，但至今还未见研究。

Ⅰc型复合石香肠（图2-38C和图2-39A），不像Ⅰa和Ⅰb型那样有明显的包裹层，而是各能干层组合在一起，整体上表现为肿缩状；同时各个能干层的断裂又不是完全一致的。在初始变形时，各层能干层在应力的作用下形成断裂石香肠，各层能干层是相互独立发育的；在进一步的变形过程中，各层能干层又是互相影响的。在基质的流动作用下，其表现出整体性，形成了肿缩石香肠。这类复合石香肠的发育有时表现出的整体性很强（图2-39B），每一段藕节的中间断裂方向一致。其香肠体中间的断裂是在形成肿缩状断裂石香肠之后，肿缩状香肠体再次断开的结果。

Ⅱ类复合石香肠（图2-39C），整体上表现为断裂形状，而单个香肠体则略具藕节状或袋状的外形结构，内部包裹着矩形、菱形等小香肠块。其形成过程如图2-40所示：岩层在应力作用下，包含层（点层）作为基质，内含层薄的（黑色层）能干层先发生断裂，其断裂的位置会影响外层的断裂。随着进一步的变形，包含层沿着已断裂位置发生断裂；同时，内层的石香肠也会进一步发生断裂，直到形成更短的石香肠为止（Lloyd应力转换模式，详见第二章第一节）。这种类型的复合石香肠的发育前提是存在三种不同黏度的岩层：基质层、能干性最强层（内层断裂石香肠）和能干性中等层（相对较大的断裂石香肠）。

至于Ⅲ类复合石香肠（图2-37），本章第三、四节对湖北铁山、北京西山地区骨节状石香肠构造的产出地质背景、物质组成、成因机制等方面均有较详细的理论研究，第三章第四节和第五章第三节还将分别阐述有该类复合香肠构造的应用研究和实验研究。故在此不予以赘述。

最后，我们来讨论Ⅳ类酒桶状石香肠，这是最早报道的一类香肠构造（Lohest等，1908），发现地点在比利时巴斯托尼地区，在国内还未见报道。戏剧性的是，近一个世纪后，Kenis等（2002）和Kenis（2004）提出该地区所谓的“酒桶状香肠构造”与现在普遍认为的香肠构造的动力机制是有明显区别的：其能干层中垂直层面的石英脉是由局部水力压裂形成缝隙后流体充填结晶而成，而非岩层受总体上的顺层伸展破裂而成；脉体形成后，岩层再受顺层挤压形成现今形态，故更应该称之为“窗棱构造”而非“香肠构造”。虽然如此，我们观察到Kenis等（2002，2005）给出的该地区这种构造现象的动力学模型中，在垂直层面的裂隙形成阶段的最大主应力方位是垂向的，且最小主应力方位是顺层且垂直于裂隙走向的，虽然他们多次强调垂向主应力在该阶段变形过程中不起主导作用（Kenis等，2002，2005；Kenis和Sintubin，2007），但其受到的应力状态仍是与发育香肠构造所需的基本一致，且第一阶段变形的结果也类似于断裂香肠构造，故本书认为巴斯托尼地区这类构造仍可称为酒桶状香肠构造。根据前人对该类复合香肠的野外观察（Goscombe等，2004）和数值模拟研究（Kenis等，2004），可知酒桶状石香肠构造所需的物质基础类似于Ⅲa、Ⅲb型骨节状石香肠，均表现为香肠体间缝隙充填脉体、能干层和基质层三者的能干性依次减弱；动力学成因机制为先期受最大主应力（σ₁）、最小主应力（σ₃）分别垂直层面和平行层面的应力场作用形成断裂石香肠，香肠体间缝隙充填矿物形成能干性强于香肠体的脉体后，再受顺层挤压作用形成酒桶状石香肠（图2-41），可见属于脆韧性复合式香肠构造（表2-1）。实际上，Quirke（1923）早就通过野外观察分析意识到Ⅳ类石香肠发育过程中受到顺层挤压动力的作用，但由于没考虑到其多期动力叠加的特点，而不为当时主流观点所接受。

图2-38　湖北铁山复合石香肠野外照片（刘富和曾佐勋，2002）
图A为Ia型复合香肠构造；图B为Ia、Ib型复合香肠构造；图C为Ic型复合香肠构造

图2-39　复合石香肠素描图（刘富和曾佐勋，2002）
除了E见于北京西山外，其他类型都见于湖北铁山。图A和B为Ⅰc型肿缩-断裂复合石香肠，
图B的藕节中间断裂方向一致；图C为Ⅱ类断裂复合石香肠

图2-40　Ⅱ类断裂复合石香肠形成模式（刘富和曾佐勋，2002）

图A为未变形阶段；图B为变形的第一阶段，能干性最强的岩层（黑色层）先断裂；图C为变形的第二阶段，
能干性次强的岩层（点号层）沿黑色层已断裂位置发生断裂，同时黑色层也会进一步断裂

通过以上讨论，我们认识到不同类型的复合石香肠的成因机制是不同的，故它们所包含的地质信息也是不相同的。利用复合石香肠，我们可以确定构造运动的方向，区分构造运动的期次，并研究其岩石流变学。如Ⅲa、Ⅲb、Ⅲc型分别对应的三种不同动力学作用机制（详见第二章第三、四节）；Ⅳ类复合石香肠的动力学成因机制类似于Ⅲc型，早期受顺层伸展作用发育断裂石香肠，晚期叠加顺层挤压作用。

图2-41　Ⅳ类酒桶状香肠构造成因模式XZ面示意图

图中σ₁、σ₃分别为最大与最小主应力；1.基质层；2.能干层；3.香肠体间缝隙充填结晶脉体

三、讨论与结论

铁山地区的石香肠是由燕山期岩体侵入和构造变形叠加作用形成的。燕山早期NWW-SEE向压应力把NWW向压性断裂改造成张性断裂后，中细粒含石英闪长岩和正长闪长岩岩浆沿NWW张性断裂侵入形成岩体。因为这时的断裂是张性的，空间比较大，较好地容纳了岩体，所以早期的岩体侵入是被动侵入，对围岩主要是热接触变质作用，没有产生大的挤压变形。这期岩浆作用使得灰岩和泥岩互层的围岩变质为大理岩和角岩互层，但没有形成石香肠。在燕山中期，形成一系列NNE向的隆起、凹陷和褶皱（章增风，1992；张国胜，1998）。斑状含石英闪长岩岩浆沿燕山早期产生的横张断裂上侵。岩体的侵入也由被动转变为主动，对围岩的推挤作用较强。同时，在角岩和大理岩互层的岩层中形成第一期石香肠，其中角岩为香肠体，大理岩为基质。后期的岩体侵入和构造应力叠加使不同部位的石香肠进一步复杂化，因此，该地区还有待于更细致的深入研究。

本节所讨论的复合石香肠包含着多期构造变形和演化的信息，这对于研究岩石流变历史很有帮助。但了解清楚复合石香肠的形成过程是其中关键的问题。在分析成因的时候，我们不仅要考虑不同岩石的能干性组合，还要结合区域构造地质背景合理分析；此外，岩层的厚度、层间距，石香肠的几何形态、裂隙和断裂方向也会对石香肠的变形有一定的影响。如果能结合模拟实验做进一步的分析，我们就会更加清晰地了解复合石香肠的发育过程，并对其中主要的影响因子及动力学成因机制进行更合理的判定，这也是复合石香肠构造研究重要的发展方向之一。

在前人工作的基础上，本节对复合石香肠作了进一步的研究，获得了以下进展和认识。

（1）对复合石香肠分类，分为五类九型（包括“巧克力方盘”石香肠），这是结合复合石香肠的形态和组合特征分类的。并详细描述了每一种类型的特点，有利于野外的识别。

（2）分析了每一种复合石香肠的成因机制，阐述了它们之间的异同点，为野外研究提供了一些重要的指导与建议。

（3）从复合石香肠的形态特征可以判断能干层相对能干性的大小及形成香肠体的先后次序关系。香肠体厚度和宽度大的，能干性更强，先形成；香肠体间隙宽的石香肠先形成，相对能干性也更大。