部分熔融与高级变质岩流变机制_以内蒙古大青山高级变质岩为例

地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)

EarthScienceFrontiers(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing;PekingUniversity)Vol.15No.3May2008

部分熔融与高级变质岩流变机制󰀁󰀁󰀁以内蒙古大青山高级变质岩为例

刘正宏,󰀂徐仲元,󰀂杨振升

吉林大学地球科学学院,吉林长春130061

LiuZhenghong,󰀂XuZhongyuan,󰀂YangZhensheng

SchoolofEarthSciences,JilinUniversity,Changchun130061,China

LiuZhenghong,XuZhongyuan,YangZhensheng󰀂Partialmeltingandtherheologicmechanismofhigh󰀁grademetamorphicrock󰀁acasestudyonDaqingshanhigh󰀁grademetamorphicrockinInnerMongolia.EarthScienceFrontiers,2008,15(3):168󰀁177

Abstract:Thereisarestrictedrelationshipbetweenthepartialmeltingandthedeformationofhigh󰀁grademeta󰀁morphicrock;thedeformationenhancesthedegreeofrockpartialmeltinganddecreasesthepartialmelting

temperature.Meltinfluencesrockstrengthanddeformationmechanism.TheDaqingshanhigh󰀁grademetamor󰀁phicrocksweremodifiedbymetamorphism,deformationandanatexiteinthelowercrust,anddevelopedacomplexassemblageofstructuralelements.Thecharacteristicsofmacrostructuresandmicrotectonicsshowthatthemaindeformationmechanismofhigh󰀁grademetamorphicrockisthemelt󰀁enhancedgrainsidediffusionandthegrainflow,whichcausedalargescaleplasticflowofrock.Somemacrostructuralelements,suchasa󰀁symmetryflowfolds,meltedlineations,rockandmineralbands,intrastrataldiapiricfoldsandalargedome,wereformedinpartiallymeltedhigh󰀁grademetamorphicrocks.Themicrofabricsfeaturesofrockareequilibri󰀁umtexturesoftriplesides,similartothemetafabricsofrocksbystaticcrystallinemetamorphism;thedeform󰀁ationofmineralgrainisnotobviousandtheintracrystallinedeformationtexturesdidnotdevelop;themeta󰀁morphictectoniteoflowercrustaltectoniclevel,thetectonicgneiss,wasformed.

Keywords:Daqingshan;high󰀁grademetamorphicrock;rheologicmechanism;partialmelting

摘󰀂要:部分熔融作用与高级变质岩变形作用是相互制约,变形作用能够提高岩石部分熔融程度,降低熔融温度。熔体存在影响和制约岩石强度和变形机制。大青山高级岩经历了下部地壳构造层次变质变形和深熔作用改造,形成了复杂构造要素组合。宏观与微观构造特点表明:高级变质岩变形机制主要为熔体增强颗粒边界扩散和颗粒流动,使岩石发生大规模的塑性流动。在宏观上形成了不对称流动组构、熔融线理、岩石和矿物条带、层内底辟褶皱和大型穹窿构造。但是,在微观上矿物颗粒变形不明显,晶内变形组构不发育,表现为三边平衡结构,与静态结晶变质岩结构相似,形成了地壳深部构造层次上变质构造岩󰀁构造片麻岩。关键词:大青山;高级变质岩;流变机制;部分熔融

中图分类号:P588󰀂3󰀂文献标识码:A󰀂文章编号:1005󰀁2321(2008)03󰀁0168󰀁10

󰀂󰀂大青山高级变质岩位于华北克拉通北缘,以广泛发育高级变质的麻粒岩系和孔兹岩系为特征,其总体上呈东西向线形构造带产出。前人对这些高级

收稿日期:2007󰀁09󰀁20;修回日期:2008󰀁01󰀁14

变质岩的原岩建造、形成构造背景和变质变形的演化历史进行了深入的研究,取得许多新的进展。

高级变质岩普遍经受了角闪岩相󰀁麻粒岩相变质变

[1󰀁12]

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40572117);中国地质调查局项目(200113000021)作者简介:刘正宏(1960󰀁),男,博士,教授,从事构造地质研究。E󰀁mail:zhliu@jlu󰀂edu󰀂cn

刘正宏,徐仲元,杨振升/

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形作用改造,变形作用发生在高温、高压环境下,岩石塑性流动变形作用与变质作用、深熔作用和岩浆活动相伴生,造成了高级变质岩自身特有的构造样式和相互关系的复杂性。

长期以来对于高级变质岩的形成机制一直没有解决,但是,近些年来岩石高温高压变形实验研究进

展,使得对下部地壳岩石流变进行探索和研究成为可能[13󰀁20]。高级变质岩部分熔融十分普遍,双相共存特性控制岩石流变行为和变形机制,形成特征性的构造要素组合和构造变形特征。所以在研究高级变质岩变形行为和变形特征时,不能按照中浅部地壳单相固态状态下岩石变形模式和思维,必须考虑双相共存时岩石的流变行为和流变机制。本文是在大青山高级变质岩野外区域地质调查基础上,结合近些年来岩石高温高压变形实验成果,探讨高级变质岩的流变机制和变形特征。

(兴和)岩群,通常分布在不同规模穹形构造的核部(图1),主要由中色麻粒岩组和浅色麻粒岩组两套变质地层组成[8]。其上为乌拉山岩群,又可划分为两个亚岩群,下亚岩群称为黑云角闪片麻岩系,主要分布于大庙穹形构造以北地区。上亚岩群,归为孔兹岩系,由三部分组成:下部由榴云片麻岩、夕线石榴黑云片麻岩、石墨黑云片麻岩、夕线石墨片麻岩组成,这一套富铝片麻岩在全区分布广泛;中部为透辉片麻岩,是一套以含有钙硅酸盐矿物为特征的片麻岩组合;上部为主要为厚层状蛇纹石化金云橄榄大理岩、含墨大理岩夹薄层透闪石岩、方柱石透辉大理岩等。

除上述这些变质地层之外,发育有规模不等的成分与之相应的原地或半原地深熔片麻岩形成,如石榴花岗质片麻岩、眼球状花岗质片麻岩、花岗质󰀁花岗闪长质片麻岩、紫苏花岗质󰀁紫苏花岗闪长质󰀁紫苏斜长花岗质󰀁紫苏石英闪长质片麻岩[10],它们在空间上与相应的变质表壳岩单位密切共生(图1),分布在不同变质地层接触带或穹形构造核部。之外,还有规模较小的变质辉长岩岩株零星散布在高级变质杂岩中。它们常常呈一种不同规模的似层状或层状体,并与围岩一起卷入变形,表明这些深熔

1󰀂大青山高级变质岩组成及其特征

1󰀂1󰀂主要岩石类及其特征

大青山高级区主要由一套高级变质杂岩组成,出露最古老的地层单位是一套麻粒岩系,称为桑干

图1󰀂内蒙古大青山地区早前寒武纪高级变质岩区构造纲要图

Fig.1󰀂ThestructuraloutlineofearlyPrecambrianhigh󰀁grademetamorphicrockatDaqingshan,InnerMongolia

1󰀁第四系;2󰀁寒武系󰀁古近系盖层;3󰀁海西期󰀁燕山期花岗岩;4󰀁古元古代花岗岩;5󰀁中元古界渣尔泰山群;6󰀁古元古界美岱召岩群;7󰀁太古宇色尔腾山岩群;8󰀁新太古代TTG;9󰀁花岗质󰀁花岗闪长质片麻岩;10󰀁乌拉山岩群上亚群;11󰀁乌拉山岩群下亚群;12󰀁紫苏花岗质片麻岩;13󰀁桑干(兴和)岩群; 󰀁哈啦合少穹形构造;!󰀁沙德盖穹形构造;∀󰀁沙湾子穹形构造;#󰀁大庙穹形构造;∃󰀁前口子穹形构造;%󰀁平方沟穹形构造

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片麻岩是在主期区域变形前就已存在。

区内高级变质杂岩表现出复杂的构造形式,主体构造样式为穹形与穹间褶皱群构造(简称穹󰀁褶构造)、大型东西方向展布地壳深部层次的韧性变形带和深部层次的变质构造岩󰀁构造片麻岩[8,12]。在露头尺度上,发育熔融线理、层内底辟褶皱、层内不对称流动褶皱和各种旋转应变组构,形成了一套复杂构造要素组合。1󰀂2󰀂岩石部分熔融特征

大青山高级变质岩形成于地壳深部构造层次上,遭受了高角闪岩相󰀁麻粒岩相变质变形作用改造。由于地质环境的改变引起了物理化学条件变化(温度升高、流体加入和压力变化),岩石经历了粒间的、部分的、不均匀的、差异的或者完全被熔融,岩石从单一的固相转变为熔体和固体共存的双相。高级变质岩部分熔融是十分普遍,双相共存特性控制岩石流变行为和变形机制,形成特征性的构造要素组合和构造变形特征。

随着变质温度的升高,构成熔融反应的矿物组合变得不稳定,发生熔融。熔融首先发生在反应矿孤立的囊状体或管道。如果温度继续增加,熔融程度增加,固体部分减少,囊状的熔体扩大,最终形成相互连接的熔体网络[13󰀁20]。一旦像这样网络形成,熔体在部分熔融的岩石中呈透入性分布。

在部分熔融程度较低的岩石中(<5%),岩石体系是以固相为主,熔体在固体格架中运移,应变的承载方式主要以LBF(Load󰀁BearingFrame󰀁work)形式进行,即应变主要由非熔融体的固体来承担。在部分熔融程度较高的区域(>10%),浅色体相互连接而成网结状构造,应变的承载方式主要以IWL(InterconnectedWeakLayers)形式进行

[14]

状,岩石通常形成糖粒状结构,矿物颗粒的粒度变粗。但是,随着熔融组分的增加,在差应力作用下熔体发生运移和聚集,形成了形态不一、规模不同的浅色熔融脉体或深熔片麻岩。浅色熔体空间分布主要受岩石中剪切叶理、石香肠构造、剪切条带和拉伸线理等构造要素控制,沿着这些构造形迹易于形成扩展空间,熔体沿着这些空间聚集。

在野外最为常见的是熔体沿着剪切叶理分布,随着熔融程度增加和变形作用增强,浅色熔体从初始熔融的团块状、透镜状,最终形成平行剪切叶理的密集条带(图2)。在大青山高级变质岩区中,细粒榴云片麻岩在部分熔融的初期阶段,首先沿片麻理出现浅色的长英质组成的形态不规则的、边界很模糊的姜块状、云朵状团块,呈零星孤立状分布(图2a)。随着部分熔融作用增强,长英质团块逐渐增多,相互连成不规则的长透镜状浅色脉体(图2b),沿着片麻理断续分布,此时石榴石和黑云母矿物出现聚集,有的在长英脉体内部,有的在边部,颗粒明显增大。再进一步熔融,浅色长英质体体积变大,相互连接成大小不等的细小的脉体,沿剪切叶理分布,形成了密集的部不发育,浅色熔体沿着应变椭球体拉伸长轴分布聚集,形成浅色杆状集合体,构成熔融流动线理,形成高级变质岩区特有的L构造岩(图2d)。

如果浅色熔体发生迁移,经常向低压空间迁移聚集,如同构造石香肠两端结点或其边部,构成香肠体周围形浅色边,有时沿着脆性裂隙贯入围岩中形成浅色脉体。此外,熔体也沿着顺层叶理贯入,形成平行顺层叶理的浅色脉体,或集中在褶皱的转折端。在熔融程度较高时,熔体沿着原岩岩性层分布,形成了规模较大的、似层状的深熔片麻岩。

物相互接触的三连点或边界上,最初熔体形成小的、分熔融条带状构造(图2c)。如果岩石中剪切叶理

,即熔融

体表现为弱相而承载大部分的应变。这表明在高级

变质岩深熔作用形成过程中,熔体的出现强烈地制约着应变分解作用。熔体部分是否迁移不仅依靠把它挤出的驱动力,而且还依靠容纳熔体聚集、扩散的空间。如果部分熔融岩石受到静态水压应力作用,熔体部分不能离开固体基质;但在差应力情况下,由于变形作用使得熔体与固体介质发生分离

[18󰀁26]

2󰀂熔体与岩石变形作用之间的相互制

约关系

2󰀂1󰀂差应力对部分熔融作用和熔体迁移的影响

差应力对岩石部分熔融作用的影响表现在两个方面:一是对岩石熔融程度的影响,能够降低岩石熔融温度,增强岩石部分熔融作用;二是控制熔体迁移、聚集和分布。反之,熔体的出现有助于系统调节应变,促使应变分解和应变局部化。野外地质关系和室内岩石部分熔融实验结果,证明了构造变形作用与岩石部分熔融作用之间时空密切关系,二者之。

在部分熔融程度相对较低的情况下(只有百分之几),在野外露头上识别部分熔融的影响是很困难的,但是在显微镜下能够观察到部分熔融反应的结构和构造。在熔融开始的地方,反应矿物变成浑圆刘正宏,徐仲元,杨振升/

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图2󰀂部分熔融的高级变质岩中浅色熔体沿着剪切叶理和拉伸线理方向分布

Fig.2󰀂Leuco󰀁meltdistributionalongshearfoliationandstretchinglineationinmeltinghigh󰀁grademetamorphicrock

a󰀁细粒榴云片麻岩中不规则团块状浅色熔体,熔体与围岩之间界线呈渐变过渡;b󰀁沿着叶理分布的透镜体熔体,石榴颗粒增大,岩石流动变粗;c󰀁条带状熔体,发生了变形;d󰀁熔体沿着应变椭球体最大拉伸轴方向分布,形成浅色杆状体

间相互影响、相互制约[27󰀁34]。

马瑞等(2005)以河北省平山县境内的阜平群中未经深熔作用改造的黑云片麻岩为实验样品进行了岩石动、静态熔融的对比实验,将差应力对岩石熔融程度的影响与温度的影响作一比较。实验结果表明在无差应力,相当于无构造力作用的静态熔融条件下,岩石熔融程度与温度呈正相关关系,岩石的熔融程度随温度的升高而加大。在相同温度的动态熔融条件下,岩石的熔融程度与差应力呈正相关,差应力越大,部分熔融程度越高。实验力学分析表明:差应力的构造附加压力提高了围压,随着平均压力的增加岩石的熔融程度提高。以800&为基准,差应力每增加5MPa相当于构造附加压力1󰀂67MPa,其带来的影响与温度升高20&的效果相当。在自然界中,一般的韧性剪切带中的差应力值可以达到几十兆帕或上百兆帕,所以强变形带内岩石部分熔融这些事实证明了岩石部分熔融与变形作用之间的密切关系,变形作用促进了岩石部分熔融作用。

差应力的变化反映在一定规模上的压力梯度变化,随着压力梯度增加,熔体流动能力增强。Brown(1998)提出熔体可以沿着高应变带平行最大主应变拉长方向流动[34󰀁35],因为变形作用不仅诱导岩石渗透性发生变化,还诱导岩石膨胀,促使泵吸熔体能够沿着平行矿物拉伸线理方向迁移。高级变质岩区广泛发育的L构造岩证明了熔体是沿着有限应变最大拉伸方向迁移。

2󰀂2󰀂部分熔融状态下岩石的变形机制

一般情况下,岩石的塑性流动主要由以下几种变形机制造成的[22󰀁25]:(1)由晶体塑性造成颗粒形态改变(位错蠕变);(2)颗粒边界扩散引起颗粒形态改变(扩散蠕变);(3)颗粒相对运动(颗粒转动或颗粒流动)。位错蠕变是由于矿物晶体内部位错运动引起晶体的塑性变形,不仅使晶体的形态发生改变,同地壳中浅部层次上糜棱岩化过程中这种变形机制起程度明显地高于围岩,浅色熔融条带或脉体发育。时造成晶内变形组构的形成和动力重结晶作用,在

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主导作用。扩散蠕变是一种通过扩散物质的转移而达到颗粒形态改变的作用,包括晶内扩散蠕变(Na󰀁barro󰀁Herring蠕变)和颗粒边界扩散蠕变(Coble蠕变),通过颗粒边界调整保持相邻颗粒之间应变的协调性[35󰀁42]。在颗粒流动的情况下,颗粒边界滑移或颗粒之间相对运动成为主要的应变机制。在这种情况下,岩石能够达到很大的变形而颗粒形态没有改变,颗粒的形态不再反映宏观应变特征。

在大多数的高级区中,岩石确实发生了大规模的塑性流动,形成与糜棱岩组构明显不同的构造要

3󰀂1󰀂深部构造层次上的构造岩󰀁󰀁󰀁构造片麻岩

高级变质岩韧性剪切带中的构造岩往往不具有糜棱岩的特征,不出现细粒化或细粒化现象不明显,在某些情况下,反而会使变形岩石的粒度变粗,这些特征已被大多数地质学家所发现,并将其称为变晶糜棱岩、糜棱片麻岩或称为强直片麻岩。由于深部构造层次上的韧性变形带内的流变机制明显不同于地壳浅部构造韧性变形带,不应以糜棱岩理念去研究高级区构造岩,其微观组构更相似于片麻岩,故此部分研究者将其称为构造片麻岩[12]。它是地壳深

素,这一现象与高温条件下岩石发生部分熔融有关。部构造层次上由强烈塑性流变、变质作用和部分熔因为熔体的出现能够使变形机制从位错蠕变转变为融作用共同作用形成的动力变质构造岩,是一种宏熔体增强颗粒边界扩散和颗粒边界滑移。部分熔融引发的扩散蠕变、颗粒流动所导致的大规模的塑性流动变形,但是在微观上矿物颗粒变形不明显,晶内变形组构不发育,表现为三边平衡结构,与静态结晶变质岩结构相似。

部分熔融岩石变形机制主要取决于熔体在岩石中的含量、颗粒大小及应变速率[22,25,27]。含部分熔融的岩石系统可以从颗粒间具有少量熔体的几乎完所以熔体的含量是确定像这种双相系统流变行为的基本参数之一。在高熔体比例的体系中,晶体悬浮在熔体中,机械行为主要受流体粘度控制,可以描述为稀释悬浮变形机制,这种现象出现在高度熔融的深熔片麻岩中。在中等熔体比例体系中,晶体形成集合体,流变行为是颗粒流动和颗粒边界滑移。在低流体比例体系中,颗粒形成相互连接的承重格架,系统力学性质被固相流动的流变所控制,变形主要为扩散或位错蠕变机制,有时出现晶内破裂的脆性变形作用。

观上具有明显的强塑性变形流变特征而没有明显粒径减小的、产于层状和线形构造带内的构造岩。构造片麻岩是经过高温变质变形作用、部分熔融作用改造的岩石。

大青山高级变质岩区研究结果表明,构造片麻岩带在空间上呈线状或网状分布,与变质深成岩围岩呈渐变过渡关系或呈层状产出,与变质表壳岩围岩呈突变关系。岩石中叶理构造(片麻状构造或条生长和定向拉长构成的,或部分熔融浅色条带构成定向排列构成(图3a),浅色长英质脉体部分约占岩石的5%~50%。发育大量的旋转应变组构,如S󰀁C组构、a型生长线理、叶理鱼、包体旋转及不对称塑性流动褶皱等。在微观上岩石粒度相对比较粗,粒度相对均匀,没有残斑和基质之分,除了同构造贯入的单矿物复晶条带外,多数浅色矿物呈三边平衡结构(图3b)。3󰀂2󰀂不规则状流动褶皱和层间底辟褶皱

在大青山高级变质岩中近水平顺层剪切变形作用发生在地壳深部构造层次上的能干性较大岩层之间的非能干层中,形成含熔体岩石或浅色熔融脉体,使得塑性流变层与围岩之间粘度比增大。这种下部地壳的特殊变形环境和变形方式,形成一些特征性

󰀂󰀂深部地壳构造层次上的高级变质岩是以熔体相和固相混合体系,在不同熔体含量的高级变质岩中起主导作用的变形机制和岩石强度差别较大,形成了不同构造样式和构造要素组合。根据野外和室内研究结果表明:在大青山高级变质岩中,强韧性变形带中岩石熔融程度超过3%,局部可达50%以上,变形机制主要以扩散蠕变和颗粒流动为主,形成了特有构造岩和构造样式。流动褶皱和层间底辟褶皱构造。

塑性流动褶皱规模较小、形态不规则,集中分布在能干性岩层之间的塑性变形岩层内,构成塑性流动褶皱层。这种不规则流动褶皱除了受顺层变形强度控制外,主要与原岩的岩性、层厚和组构有关。此外,原岩的组构影响褶皱构造的样式,如果流变层是均匀组构(例如为均匀的条带状构造),在垂直流动方向的露头剖面上,可以见到其边部会发现轴面倒全固态集合体,到孤立晶体悬浮的完全液态岩浆。纹、条带状构造)密集平直,是同构造新生矿物定向

3󰀂高级变质岩的塑性流变组构和典型

的构造样式

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图3󰀂大青山高级变质岩宏观构造要素和微观组构

Fig.3󰀂Themacrostructuralelementsandmicro󰀁fabricsofhigh󰀁grademetamorphicrocksatDaqingshan

a󰀁构造片麻岩宏观构造,条纹和条带构造发育;b󰀁构造片麻岩微观组构;c󰀁浅色熔体构成的不规则流动褶皱;d󰀁层内底辟褶皱。ml󰀁显微浅色熔体,主要为SiO2;fel󰀁长石,表现为三边结构;lm󰀁宏观上部分熔融浅色脉体

向不同的不对称流动褶皱,一翼长、另一翼短(图3c),中部褶皱表现为闭合、半闭合的眼球状形态,有些为完全出露的鞘褶皱,个体呈细长的剑鞘形态,反映了极大的剪切流变特征。这种褶皱样式和形态差别主要与变形强度有关,在流变层的边部应变强度相对较弱,塑性流动较慢,形成不对称的流动褶皱,在中部应变强度较大,流动速率快,形成了鞘褶皱。若流变层为不均匀组构,如非能干岩层中存在薄层能干岩层,由于围岩流动使得薄层的能干岩层形成了不对称流动褶皱或肠状褶皱。

层间底辟褶皱是高级变质岩中一种特殊类型褶皱,发育十分普遍。它们也主要发育在层间,由熔融浅色岩石条带或部分熔融比例较高的岩层向上突起构成,在断面上其形态呈不规则三角形,主要发育在层间内部,故此将其称为层间底辟褶皱(图3d)。褶皱规模较小,顶端岩层明显变薄,而两翼变厚,其形态相似顶薄褶皱。这种类型的褶皱往往呈孤立单个褶皱出现,在走向上褶皱层向两侧呈舒缓波状弯曲,

然后逐渐变为平行岩层的平直条带。在垂直岩层方

向上,褶皱岩层上部纹层弯曲强烈,曲率大,与不弯曲的围岩层为突变关系,并且呈高角度相交,而褶皱岩层由顶部向下,变形岩层内部的纹层弯曲幅度逐渐减小,最终变为平直的纹层,所以在底部褶皱岩层与围岩呈渐变过渡关系。从整体上看,所有层间底辟褶皱的轴面与围岩的岩层延伸方向呈高角度斜交,其锐夹角指向对盘岩层滑动方向。上述特征表明层间底辟褶皱是由于塑性岩层在顺层剪切流动变形过程中,由于塑性岩层流动沿着局部剪切面或其他障碍物造成流变速度突然变化,使得塑性层在垂向上底辟上隆,其特点相似于岩浆的底辟作用,形成典型层间底辟褶皱。它们无论是在形态上还是在成因上都相似于沉积岩中变形层理,其顶端指向变形时岩层顶部方向,所以根据该种褶皱构造可以判定岩层近水平顺层流动变形时所处的相对上下层序方向。3󰀂3󰀂熔融流动线理和L构造岩

在熔融程度相对较高变形的岩石中,由部分熔󰀂174󰀂󰀂

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融浅色物质定向流动形成的线理构造,称之为熔融流动线理。在熔体组分较少时,孔隙中熔融组分发生流动,形成长的透镜状集合体,构成了流动线理构造。这些浅色熔体构造的线理在平行X轴切面上,呈现出明显定向排列(图4a),而在垂直X轴切面上,呈现出浅色圆点状(图4b)。此外,在熔融程度较高的深熔片麻岩中,固体矿物(斑晶)或包体在熔体中被动定向排列构成线理,二者统称为熔融流动线理。在围压较低的环境中流动线理构造非常发育,许多部位上部分,部分熔融岩石表现出L S,形成了典型的L型构造岩。3󰀂4󰀂穹形构造

在地壳深部构造层次上岩石部分熔融作用强烈,形成大量含熔体岩石、浅色熔融脉体和大规模深熔片麻岩。这些深熔片麻岩与围岩之间粘度比增大,在伸展变形作用下,这些含熔体低密度岩石和深熔片麻岩向上流动,形成了区内穹形构造和其间褶皱群。

大青山地区这些穹形构造由部分熔融麻粒岩及深熔片麻岩所组成,其上有少量的孔兹岩系展布其中,而边部围岩则由孔兹岩系构成。在区内划分了三个较大的穹形构造,东部的哈拉合少穹形构造,中部是大庙穹形构造群,西北部为沙德盖󰀁沙湾子穹形构造(图1)。

哈拉合少穹形构造( ),这个穹形构造是本区保存较为完整、规模较大的一个,其直径可达70余km,其南侧受燕山期逆冲推覆构造系统断裂的改造,使这一穹形构造被破坏,呈残破状穹形构造。它是由部分熔融的麻粒岩和其伴生的深熔型紫苏片麻岩所构成。沙德盖(!)与沙湾子(∀)穹形构造,这两个穹形构造位于区内的西北部,由于其北侧被新生代断陷盆地堆积物分割,仅残留了该穹形构造南半部,其西为沙德盖穹形构造,直径约为40km,其东为沙湾子穹形构造,后者长轴约20km。穹形构造的形态是由其组成的麻粒岩及紫苏花岗质片麻岩呈弧形的展布图形表现出来。大庙穹形构造(#)东西可达50余km,其东南侧被石拐侏罗纪东西向山间盆地含煤沉积岩系所覆盖,为明显的不整合接触;其西南侧与新生代断陷相邻。构成穹形构造主要由中色麻粒岩和其相伴的紫苏片麻岩以及眼球状花岗质片麻岩所组成。此外,还发育有前口子穹形构造(∃)、平方沟穹形构造(%),它们的规模较小,形态不规则。过去人们只注重高级变质岩石塑性流变研究,而忽视对岩石脆性破裂作用的观测。熔体的存在不仅增强了塑性流动变形,而且在熔体流动性较差的情况下,逐渐增高孔隙熔体压力,可以使被熔体所包围的能干性岩层呈水压破裂(hydrofracture)方式破坏[35󰀁40]。当熔体侵入到裂隙中时,熔体的内部流体压力可以大大减少有效正应力,这就有可能通过水压破裂使裂隙发生扩展、生长,使浅色熔体沿着破裂面贯入到周围的围岩中,形成浅色脉体;而破裂块体的周围也被浅色熔体所包围。在局部部位上,由于熔体高压的突然释放,使刚性岩石形成爆裂成碎块,其大小不一,形态各异,分布在浅色熔体中,构成一种角砾状混合岩。由于这些刚性块体完全被熔体所隔离,熔体的粘性流动控制了整个系统的变形,而刚性块体仅作刚体的平移或旋转,而其形状和大小则没有发生变化。

愈合裂隙主要发育在能干性岩层中,按照力学性质可以划分为张性裂隙和剪切裂隙(图4c),在这些裂隙形成同时或稍后,被同期熔融浅色脉体所充填、胶结愈合。张性裂隙具有明显膨胀裂隙的特征,与剪切叶理呈高角度相交,延伸不稳定,两侧岩石没有发生明显位移。而剪切裂隙与剪切叶理斜交,狭窄平直的剪切裂隙延伸相对稳定,两侧岩石发生了明显的位移(图4c)。无论是张性裂隙还是剪切裂隙都发育在局部的能干性岩层中,没有延伸到周围塑性流动的非能干性的岩层中,其产出的特征相似于糜棱岩残斑中脆性裂隙,所以这些脆性变形和塑性变形同时发生的。如果能干性岩层被破裂呈多个块体,其间又被周围非能干性岩层或浅色熔体所分隔,形成了典型的石香肠构造。

在个别部位上高压熔体引起局部爆裂,一些能干性岩层破裂成大小不一的棱角状碎块,这些碎块又被浅色熔体所胶结,形成了角砾岩。这种角砾岩在空间上只分布在局部,呈团块状或囊状(图4d),故此将其称为囊状角砾岩或称为囊状角砾混合岩。规模较小,只限定在局部的能干岩层中,其围岩多为部分熔融浅色脉体,所以高压熔体和能干性刚性岩层是囊状角砾岩形成的必要条件,囊状角砾岩也是高压熔体存在标志。4󰀂脆性变形组构

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图4󰀂大青山高级变质岩熔融线理和脆性破裂构造

Fig.4󰀂Themeltinglineationsandbrittlefracturesofhigh󰀁grademetamorphicrocksinDaqingshan

󰀂󰀂󰀂a,b󰀁部分熔融榴云片麻岩中熔融线理,a为平行X轴切面,b为垂直X轴切面;c󰀁透辉斜长片麻岩愈合剪切破裂;

󰀂󰀂󰀂d󰀁脆性破裂的角砾构造

度和变形机制,随着熔体含量的增加,岩石强度明显

5󰀂结论与讨论

高级变质岩形成于深部地壳构造层次上,岩石在变形过程中伴随变质和深熔作用,部分熔融现象十分普遍,尤其是强变形带中,熔体可以在5%以

降低,出现应变软化现象,产生大应变。

岩石高温高压实验变形研究结果表明:在熔体含量较高的变形体系中,岩石变形机制主要以扩散蠕变和颗粒流动为主。通过颗粒边界调整或颗粒流动机制造成岩石在宏观上表现出强烈塑性流动变形

上,所以它是由固相和液相共同组成的复杂体系。特征,形成了各种类型旋转应变组构。在微观上矿以往对韧性变形研究主要集中在地壳中浅部构造层物颗粒自身的形态和粒度没有发生显著变化,并且次上,变形介质是单一固相。高级变质岩是双相体系,不能以地壳中浅构造层次上的变形理念和思维去研究下部地壳构造变形机制,必须考虑熔体的存在对岩石流变机制的影响和控制。

岩石变形作用与部分熔融作用是相互制约的,岩石变形作用能够提高岩石部分熔融程度,降低熔融温度,所以高级变质岩韧性变形带中部分熔融程度高于围岩。反之,熔体的存在影响和制约岩石强晶体内部变形组构不发育,形成了三边平衡结构,与典型片麻岩组构相似。所以在高级变质的深部构造层次上的韧性变形形成了构造片麻岩,它们不具有糜棱岩细粒化特征。

在高级变质岩中,由于熔体含量增加和熔体产生的流动,形成了高级变质岩特有熔融流动线理,在围压相对较低的部位上只发育这种熔融流动线理,形成了典型L型构造岩。熔体含量的增加也造成󰀂176󰀂󰀂

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岩石密度和强度降低,在伸展变形机制作用下,规模较小熔融体系形成了层内底辟褶皱,而规模较大的深熔片麻岩则形成穹形构造。此外,由于熔体的存在,在局部封闭体系中,造成局部流体压力高于围压,在刚性岩层产生脆性变形和爆裂作用,形成了破裂和角砾状构造。References:

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