（构造地质学专业论文）北苏鲁荣成地区超高压变质带的形成与折返动力学.pdf

摘要 山东省荣成地区位于苏鲁高压一超高压变质带的东北部，以花岗质片麻岩、 副片麻岩为主，夹有少量的榴辉岩、石榴辉石岩、麻粒岩、超基性岩、石英岩、 大理岩和斜长角闪岩，根据各类岩石的锆石中发现大量柯石英包体，表明荣成地 区岩石曾普遍经历2 3 0 2 1 8 m a 超高压变质作用过程。荣成地区区域构架表现为 面理产状总体为n n e s s w 走向，向南转为由n e s w 向，呈弧形展布，倾向s e 或s s e 。荣成地区超高压变质岩石由一系列近平行的剪切岩片组成。岩片之间的 分界线为宽约2 k m 的韧性剪切带，是折返阶段角闪岩相一绿片岩相的产物。 韧性剪切带由高剪切应变的岩石和糜棱岩组成，剪切带中发育糜棱面理、拉 伸线理、s c 构造、“o ”和“6 ”型碎斑体系、不对称压力影构造以及“a ” 型褶皱等丰富的变形构造。糜棱岩可分为初糜棱岩、糜棱岩和超糜棱岩。结合野 外宏观变形现象、显微构造分析以及糜棱岩中石英优选方位的e b s d 测量，可以 判断这些韧性剪切带形成于中、低温( 5 5 0 3 5 0 ) 条件，并具有由n w 向s e “斜 向正滑”的剪切指向。 根据韧性剪切带中所含的榴辉岩透镜体的显微构造和绿辉石与石榴石的优 选方位的e b s d 的研究，重塑超高压变质阶段的流变学特征：绿辉石具有高温的 0 0 1 】( 1 0 0 ) 滑移系组构模式，而石榴石无优选方位。 横穿苏鲁高压- 超高压变质带的地震反射割面揭示了苏鲁高压超高压变质 带呈厚1 0 k m 以上的穹形板片。位于苏鲁高压超高压变质板片下部的荣成地区 以韧性正断裂系列为主，而位于板片上部的南苏鲁以韧性逆冲性断裂系列为主， 进一步验证了苏鲁超高压超高压变质带折返动力学的挤出模式。 关键词：荣成，高压一超高压变质带，斜向正滑型韧性剪切带，e b s d ，折返挤 出模式 a b s t r a c t r o n g c h e n go fs h a n d o n gp r o v i n c e i sl o c a t e da tn o r t h e a s to fs u l uu h p ( h i g h - p r e s s u r e - u l t r a h i g h - p r e s s u r e ) m e t a m o r p h i ct e r r a n e i ti sc o m p o s e do fo fg n e i s s , p a r a g n e i s s ，l o g i t ，g a r n e tp y r o x e n i t e ，u l t r a m a f i cr o c k s ，g r a n u l i t e s ，q u a r t z i t e ，m a r b l e a n da r n p h i b o l i t e s c o e s i t e sa sar e l i a b l em a r k e ro fu l t r a - h i g hp r e s s u r ee n v h o n m e n ta r e f o u n di ne c l o g i t e s ，q u a r t z i t e s ，g n e i s s e s ，m a r b l e s ，a m p h i b o l i t e s t h eo c c i r r c n c eo f m y l o n i t e se x t e n d sn n e s s wa tt h en o r t hp a r ta n dn w - s ea ts o u t h d i f f e r e n tp a r a l l e l s l i c e sc o m p o s i t i n gt h er o n g c h e n gu h p m e t a m o r p h i ct c l t a r l e ，a n dt h e s es l i c e sa r e d i v i d e db ys o m ed u c t i l es h e a rz o n e s ( a b o u t2k m ) t h e s ed u c t i l es h e a rz o n e sa r ec o m p o s e do fh i g l ls t a i nr o c ka n dm y l o n i t e s o b v i o u sl i n e a t i o no f p e n e t r a t i o n , f o l i a t i o n , s - cf a b r i c s ，o ：8 t y p ep o r p h y r o c l a s t s ， a - t y p ef o l d sa n da s y m m e t r i cf o l d sa r ec o m m o ni nt h ed u c t i l es h e a rz o n e t h e m y l o n i t e sf a l li n t o3t y p e s ：i n i t i a lm y l o n i t e ，m y l o n i t ea n da l t r a m y l o n i t e b a s e do n f i e l dw o r km i e r o s t r u c t u r a la n a l y s ea n de b s ds t u d i e so f q u a r t z ，ac o n c l u t i o ni sa r r i v e d ： t h e s ed u c t i l es h e a rz o n e sa r ea p p r o x i m a t e l ys et r e n d i n gn o r m a lf a u l t s l a t t i c e - p r e f e r r e do r i e n t a t i o n ( l p o ) o fo m p h a c i t ea n dg a r n e ti n8e c l o g i t e s a m p l e so fr o n g c h c n gw e r ed e t e r m i n e df r o me l e c t r o nb a c k s e a t t e rd i f f r a c t i o n ( e b s d ) t e c h n i q u es h o w st h a t ：l p oo fo m p h a c i t ei sc h a r a c t e r i z e db yt h e ( 1 0 0 ) 【0 0 1 】t y p e ， w h e r ea sg a r n e ta p p e a r st ob er a n d o m l yo r i e n t e d f r o mt h 鲥g i n a ls e i s m i cr e f l e c t i o np r o f i l eo fs u l uu h pt e r r a n es h o w sa ne r o d e a n t i f o r ms t r u c t u r e r o n g c h e n gn o r m a lf a u l t sa r es i t u a t e di nt h el o w e rp a r to ft h i s a n t i f o r m ，a n ds o u t h e r ns u l ut h r u s t sa l es i t u a t e di nt h ea b o v ep a r t b a s e do nt h e p e t r o l o g i c ，g e o c h e m i c a l ，s t r c t u a ls t u d i e s ，t h ee x t r u s i o nm o d e lo fs u l uu h pt e r r a n ei s v e r j f i e df i l r t h e r k e yw o r d s ：r o n g e h e n g ，h p u h pm e t a m o r p h i ct c r r a n e ，o b l i q u en o r m a ld u c t i l es h e a r z d n e ，e b s d ，e x t r u s i o ne x h u m a t i o nm o u l d i n g 原创性声明 本人声明，我呈交的学位论文是我个人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示 谢意。 作者签名：盎垒垫日期冱z ，丛：丛 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解中国地质科学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：中国地质科学院有权保留、送交学位论文的电子版和纸质版，允 许论文被查阅或借阅；可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本 规定。 学位论文作者签名：蒡。兰塾导师签名： 附：文中矿物缩写符号( 据r a l p hk r e t z ，1 9 8 3 ) i v 中国地质科学院硕士学位论文 前言 1 选题依据和研究意义 超高压变质带作为地学研究热点已经持续近3 0 年，标志性的开端是1 9 8 4 年 天然变质成因的柯石英在西阿尔卑斯d o r am a i m 榴辉岩中被首次发现。到目前 为止在全球范围内发现的超高压变质带已经达二十多个，如挪威西部s e l j e 地区、 德国东部e r z g e b i r g e 杂岩、意大利西阿尔卑斯d o r a m a i m 地体、哈萨克斯坦北部 的科克切塔夫地块、中国东部大别一苏鲁地区等。在这些超高压变质带中，中国 的大别一苏鲁超高压变质带是世界上规模最大，保存得最完好的一个，是研究大 陆深俯冲及相关大陆动力学问题的理想场所。它位于中朝板块与扬子板块之间， 是这两个板块在三叠纪时俯冲碰撞的产物( l ie ta 1 ，1 9 8 9 ，1 9 9 6 ，2 0 0 0 ；a r n e s e t a l ， 1 9 9 3 ；l i o u e ta l 。1 9 9 8 ；h a c k e r e t a l ) ，被郯庐断裂分为大别( 西部) 、苏鲁( 东部) 超高压变质带两部分。探讨苏鲁一大别超高压变质岩的形成演化过程已成为造山 带研究工作的一个热点。目前，大家普遍认为苏鲁地区大部分岩石包括围岩片麻 岩曾一起深俯冲到地下一定深度然后折返到地表( o k a ye ta 1 ，1 9 9 2 ；z h a n ge ta 1 ， 1 9 9 5 ；l i o ue ta 1 。2 0 0 0 ) ，在折返过程中形成大量由韧性剪切带分割的构造岩片。 高压一超高压变质带的折返动力学一直是高压一超高压变质带研究过程中 的一个关键问题。深入探讨超高压一高压变质带的折返机制不仅是造山带研究的 重点，而且在整个岩石圈构造及全球构造动力学方面具有重要意义。关于超高压 岩石的折返机制，国内外学者提出了多种模式，如剥蚀及浮力作用模式( p l a t t ， 1 9 9 3 ) 、伸展作用模式( h a r i s o n , 1 9 9 2 ) 、垂向挤出模式( c h e m e n d a 武a 1 ，1 9 9 5 ；l i o u jge ta 1 。2 0 0 2 ) 、上地壳的伸展和下地壳缩短模式( a r d e r s o na n dj a m e r i t , 1 9 9 0 ； b a l l e v e r ec ta 1 。1 9 9 0 ) 及斜向挤出折返模式( x u e ta 1 ，2 0 0 3 ) 。现在，挤出和伸展 模式( f a u r ea 1 ，2 0 0 1 ；m a r u y a m ae ta 1 ，1 9 9 4 ；x ue ta 1 ，1 9 8 6 ；1 9 8 7 ；许志琴等，1 9 9 8 ， 2 0 0 3 ) 已经被广泛地用来解释苏鲁超高压变质岩片的折返问题。 对上述模型进行验证的关键在于：对作为各岩片边界的韧性剪切带的性质的 深入了解，包括剪切带的空间分布、几何学、运动学、变形机制及其变形与变质 间的关系等。自从1 9 7 9 年和1 9 8 2 年的两次糜棱岩问题国际讨论会召开以来，有 关韧性剪切带的研究成了地质工作中的一个热点课题。目前不仅在韧性剪切带的 宏观特征方面有了更深入、详尽的研究，而且在糜棱岩微观特征方面的研究也有 了显著的进展，研究范围由最初的以绿片岩相花岗岩质岩石为主要研究对象，发 展到现在几乎涉及到所有的变质相领域。 许志琴等( 1 9 9 5 ) 通过对国内外1 0 个大陆山链的数十条大型韧性剪切带特 征考察、研究后，从不同的角度对其进行了系统的分类：按照韧性剪切带的产状 前言 可以分为韧性平移剪切带、韧性推覆( 逆冲) 剪切带、韧性滑脱剪切带、韧性滑 覆( 正) 剪切带。如果按照构造应力作用方式可以划分为收缩型、伸展型、转换 型、挤出型。按照在岩石圈中的部位可以分为幔内型、壳幔型和壳内型韧性剪切 带。如果按照板块作用的阶段则可以分为洋内型、俯冲型、仰冲型、碰撞- 陆内 汇聚型韧性剪切带。若按形成的热动力条件分类为低温高压高剪切应变的硬化韧 性剪切带和高温低压高剪切应变的软化韧性剪切带。 本文将以北苏鲁荣成地区超高压变质带中几条典型的韧性剪切带为例，详细 阐述它们的分布、产状、岩石学、矿物学等特征，重点研究韧性剪切带形成与演 化过程的变质、变形序列，进而探讨苏鲁超高压一高压变质带的折返机制。 2 拟解决的问题 ( 1 ) 在了解苏鲁高压一超高压变质带区域构造背景的基础上，厘清北苏鲁 超高压条韧性剪切带的空间分布、岩石组合等宏观特征 ( 2 ) 明确北苏鲁荣成地区超高压变质带中韧性剪切带岩石的显微构造及矿 物组构运动学特征，同时划分出变形期次、确定剪切指向。 ( 3 ) 建立北苏鲁超高压变质带中韧性剪切带的变形、变质演化序列，包括 韧性剪切带形成演化过程中的温度、压力变化序列，变形期次，物质成分变异特 征。 ( 4 ) 在厘清北苏鲁超高压变质带中韧性剪切带的形成演化基础上，探讨苏 鲁超高压变质带的折返过程特征及动力学机制。 3 工作方法 野外工作： 从宏观上查明北苏鲁超高压变质带中几条剪切带的产状、变形现象( 如劈理， 叶理、拉伸线理、褶皱等) 、岩石组成及接触关系等。 室内工作： ( 1 ) 切割定向片进行显微薄片观察，明确韧性剪切带中岩石的结构、构造、 矿物组成、变形期次、剪切指向等特征。 ( 2 ) 运用激光拉曼光谱方法确定超高压变质岩中矿物包体的种类，同时寻 找超高压的证据。 ( 3 ) 利用e b s d ( 电子背散射衍射) 技术对剪切带中主要矿物的不同晶体 结构的背散射衍射衬度图像进行分析，测量超高压变质带中韧性剪切带岩石中不 同矿物( 如石英、石榴石、辉石) 的组构。 2 中国地质科学院硕士学位论文 ( 4 ) 利用s e m ( 扫描电镜) 及e d s ( 能量色散显微分析) 研究岩石的微观 形态及组成。 ( 5 ) 选取典型样品进行电子探针测试，确定不同矿物的地球化学特征。 ( 6 ) 采用锆石s h r i m pu p b 测年方法。获取岩石的形成及所经历的重要的 地质事件的时代。 4 工作量 项目工作量 野外工作2 0 0 5 年1 2 月1 4 天；2 0 0 6 年1 1 月1 2 天 采集标本2 0 0 块 薄片观察3 0 0 片 电子探针成分分析 1 5 0 点( 中国地质科学院矿产资源所) 5 0 0 个矿物包体( 中国地质科学院大陆动力学实 激光拉曼光谱分析 验室) e b s d ( 电子背散射衍射) 测 试 15 0 个薄片( 中国地质科学院大陆动力学实验室) e d s ( 能量色散显微分析)1 0 0 0 点( 中国地质科学院大陆动力学实验室) 锆石s h r j m pu p b 测年3 件( 中国地质科学院离子探针中心) 第一章苏鲁高压一超高压变质带的构造格架 第一章苏鲁高压一超高压变质带的构造格架 1 1 苏鲁高压一超高压变质带构造背景 苏鲁高压一超高压变质带总体呈n e s w 走向，西界为郯庐断裂，南界沿 着嘉山一响水断裂东段及张八岭一带，北界大致与五莲一烟台断裂一致( 图1 1 ) 。 总的来说可以将分为苏鲁高压一超高压变质带北面的超高压变质带和南面的高 压变质带两个部分，带内出露许多透镜状、团块状或似层状的榴辉岩体，围岩通 常是花岗质片麻岩、大理岩、石英岩或泥质片岩。现有资料表明，苏鲁高压超 高压变质带的原岩由两个不同性质的变质基底组成。以五莲北至海阳所以南一线 为界限，分为形成于中元古代( 1 7 0 0 1 8 0 0 m a ) 的北苏鲁变质基底，以及形成 在新元古代的南苏鲁变质基底，前者属于胶辽朝地块，后者属于扬子板块( x ue t a 1 ，2 0 0 6 ) 。研究表明，北苏鲁与南苏鲁变质基底的最大区别在于北苏鲁含有原 生的麻粒岩相深变质岩石。南苏鲁高压超高压变质岩石的原岩花岗岩浆和基性 岩浆作用为罗迪尼亚超大陆形成后的新元古代( 7 8 0 7 0 0 m a ) 裂解事件的响应。 北苏鲁( 青岛威海) 超高压变质地区变质基底的年龄是2 4 0 0 m a ( 或大于 2 4 0 0 m a ) ，并经历了1 8 0 0 1 7 0 0 m a 和2 0 0 m a 的变质事件，属于北中国板块胶辽 朝陆块的一部分，形成时代比南苏鲁基底老得多( 图1 2 ) 。两个不同时代基底地 块同时经历了超高压变质作用( 许志琴等，2 0 0 6 ) 。 1 2 苏鲁高压一超高压变质带构造单元划分 由于后期折返阶段的强烈变质、变形改造，苏鲁高压一超高压变质带内反映 早期俯冲阶段的构造形迹多己不可考。折返阶段形成的面理轨迹( 向s e 和s e e 缓倾) 平行于整个高压一超高压变质带的延展方向。许志琴( 2 0 0 3 ) 根据剪切叠 覆岩片的组成及剪切岩片之间的界线将苏鲁高压一超高压变质岩带由上到下分 为4 个部分( 图1 1 ) ： 南苏鲁高压低温变质岩剪切叠覆岩片( i ) ：主要由二云钠长片麻岩、绿帘 角闪钠长片麻岩、绿帘黑云角闪钠长片麻岩、白云母绿帘阳起片岩、白云母石英 片岩、钠长阳起片岩等组成。以出现蓝透闪石、冻闪石、多硅白云母、文石等代 表的高压矿物为特征。变质环境是高压( o 7 o 8 5 g p a ) 低温( 3 0 0 3 6 0 ) ( 邱 海峻等，2 0 0 2 ) 面理向s e 方向缓倾( 2 0 0 3 5 。) ，拉伸线理轨迹大多数为n w s e 方向，岩石强烈变形，普遍发育a 型褶皱。 4 中国地质科学院硕士学位论文 图1 - 1 苏鲁高压超高压变质带构造平面图( 据许志琴等修改，2 0 0 3 ) i 一南苏鲁高压低温变质岩叠覆构造片岩；南苏鲁高压中温变质岩番覆构造片岩 一北苏鲁超高压表壳变质岩叠覆构造片岩：一北苏鲁超高压花岗变质叠覆构造片岩； n c l ) - - - 中朝板块；y z b 扬子板块 第一章苏鲁高压一超高压变质带的构造格架 图1 - 2 苏鲁高压- 超高压变质地体基底地质图( 据许志琴等修改，2 0 0 6 ) 南苏鲁高压中温变质岩剪切叠覆岩片( i i ) ：上部由蓝晶石黄玉石英岩、含 蓝晶石多硅白云母石英片岩和含蓝晶石钠长石英片岩组成，下部由大理岩及磷块 岩等组成。变质温度可以达到5 0 0 6 0 0 ，压力达到1 5 2 0 g p a ( z h a n ge ta 1 ， 2 0 0 2 ) 。如岩片i ，岩片i i 的岩石面理总的倾向也是s e ，发育n w - - s e 向的拉 伸线理，剪切指向由s e 指向n w 。 北苏鲁超高压变质表壳岩变质岩叠覆岩片( ) ：主要由超高压变质表壳岩 夹大量榴辉岩及超基性岩透镜体组成，变质表壳岩主要包括含柯石英的副片麻 岩、蓝晶石石英岩、硬玉石英岩和角闪岩等。根据虎山蓝晶石石英岩中的黄玉估 算变质温度约是6 5 0 c ，压力是2 8 3 0 g p a ( z h a n g e t a l ，2 0 0 2 ) 。岩片面理s e s e e 向，拉伸线理为n w w - s e e 到n w - s e 方向。 北苏鲁超高压花岗质变质岩叠覆岩片( i v ) ：主要组成是花岗质片麻岩、少 量变质表壳岩夹榴辉岩和超基性岩块体。总体的构造面理向e 及s e e 缓倾，在靠 近五莲烟台断裂一侧的面理转为向w 及n w 缓倾，产状发生弯曲，形成n e - s w 轴向的不对称“背形”构造。 本文的研究区位于胶东半岛东北部，属于北苏鲁超高压花岗质变质岩叠覆岩 片( i v ) 。以下章节将详细描述研究区的岩石组成、不同岩石类型的变形变质特 点。 6 中国地质科学院硕士学位论文 第二章北苏鲁荣成地区超高压变质带的物质组成 北苏鲁荣成地区超高压变质带的主要组成是片麻岩，还有少量榴辉岩、大理 岩、石英岩及超基性岩等。前人研究表明，这里的岩石包括围岩片麻岩在内普遍 经历了超高压变质作用( k a t oe ta 1 ，1 9 9 7 ；y ee ta 1 ，2 0 0 0 ；l i ue ta 1 ，2 0 0 1 ) 。本章节 中将主要介绍这些不同岩石的组成、结构构造等方面特征。 花岗质片麻岩 片麻岩是苏鲁高压一超高压变质带的主要组成部分，占基底出露面积的9 0 以上，其中花岗片麻岩占7 0 至8 0 ，包括奥长花岗片麻岩、碱性花岗片麻 岩，二长花岗片麻岩及云英闪长片麻岩等。岩石普遍经受了韧性变形作用，具有 片麻状构造。浅灰色，鳞片粒状变晶结构，片麻状构造。钾长石、斜长石与石英 等浅色矿物的含量为9 0 9 5 左右，暗色矿物( 黑云母、角闪石、绿帘石等) 含量小于1 0 。黑云母和白云母片状矿物以及柱状矿物角闪石等半定向排列，形 成透入性面理。 副片麻岩 副片麻岩类型主要是含石榴二云斜长片麻岩。呈浅灰至深灰色，鳞片粒状变 晶结构，片麻状构造。矿物组成是斜长石、石英、石榴石和黑云母。其中石榴 石含量约2 ，里粒状，粒度约o 5 2t o n i ，碎裂较严重，在岩石中分布不均匀， 晶体内部常可见石英、云母包体。云母呈鳞片状，半定向排列，粒度约0 3 o 5 m m ，总含量约2 0 左右。石英为它形粒状，粒度1 5m i l l 左右，含量3 5 左 右，较小的粒度0 5 m m 左右。斜长石也是它形粒状。长石残斑粒度较大，可见 聚片双晶，含量3 0 左右。岩石中还含有少量的金红石、榍石、钛铁矿等，分布 极不均匀，粒度o 5 lm n ，含量2 左右。 榴辉岩与石榴辉石岩 研究区剪切带内榴辉岩呈透镜体状包裹于片麻岩、大理岩中。接触边界较清 楚，是明显的不连续界面。露头上，榴辉岩具微弱的辉石薄层，显示弱面理或成 分层，代表同碰撞或挤压组构。如，单家榴辉岩的剪切带面理产状约为1 1 5 0 2 5 5 0 ， 与围岩大理岩的接触面产状约1 0 5 0 2 6 0 0 。大疃榴辉岩中剪切带面理产状为 1 1 0 0 2 7 0 0 。在榴辉岩内部所观察到的构造，应该是在区域角闪岩相变质作用之 前形成的可以作为超高压榴辉岩相条件下的交形记录。这些相对早期发育的构 造，反映了2 4 0 2 1 0 m a 中朝与扬子克拉通问碰撞阶段的相对运动及动力学状态， 而现在我们所观察到的大别苏鲁区u h p 和h p 变质带区域构造框架，是在碰撞 期后角闳岩变质相条件下形成的。榴辉岩中所含矿物种类及含量与围岩的接触边 界距离有关。透镜体核部主要矿物组成是石榴石和绿辉石，总含量为9 0 左右， 7 第二章北苏鲁荣成地区超高压变质带的物质组成 其中石榴石含量约5 5 ，粒度在o 5 m m 左右，淡红色，它形，裂理十分发育。 绿辉石含量约4 5 ，粒度约o 5 l m m ，绿色或淡灰绿色，它形，变形程度明显 大于石榴石，具有半定向排列的特征，另外，岩石中还含有少量的金红石、榍石、 帘石等，不规则分布。榴辉岩透镜向边部斜长角闪岩或绿帘角闪岩过渡，石榴石、 辉石含量降低，并且矿物粒度减小，石榴石它形，边部常发育角闪石退变边。部 分绿辉石形成典型的退变产物后成合晶，后成合晶由很细小的( 5 ) 。 这种岩体侵入到古生代荣成片麻岩套中，侵入接触界线接触变质作用发育。混合 岩化强烈。荣成宁津甲子山侵入岩的锆石u - p b 年龄是2 1 2 l m a 和2 0 9 + _ 7 m a ( 郭 敬辉等。2 0 0 2 ) ，螃山岩体的同位素年龄范围是9 0 1 2 5 m a ，丽伟德山岩体的锆石 u p b 年龄范围是1 0 9 1 5 8 m a ( 宋明春等，2 0 0 3 ) 。 火山岩 荣成地区的火山岩分布较局限，在古生代花岗片麻岩中呈透镜状产出。岩石 类型为灰紫色气孔一杏仁状安山岩。斜长石可以是形态良好的斑晶和也可以是玻 璃质的基质，角闪石或黑云母多以斑晶形式存在，含少量辉石。基质中斜长石微 晶杂乱半定向排列，微晶之间许多玻璃质或隐晶质充填。 9 第三章北苏鲁超高压变质带中的韧性剪切带 第三章北苏鲁超高压变质带中的韧性剪切带 3 1 北苏鲁荣成地区超高压变质带变形构造框架 笔者通过详细的野外考察在北苏鲁荣成地区超高压变质带中鉴别出一系列 韧性剪切带。剪切带中的岩石变形强度明显大于剪切外的岩石。主要表现在面理 化显著，发育密集的流劈理，呈s 形、a 型褶皱，拉伸线理清晰，矿物颗粒受剪 切发生旋转，形成明显的优选方位，具有单斜组构特征，由于应变软化作用形成 糜棱岩，并伴随局部熔融。 这一系列韧性剪切带的展布方向与苏鲁地区高压一超高压变质带的总体走 向一致为n n e s s w 方向。选取其中5 条进行详细的研究，由南往北依次命名为 d f i ( 崂山镇一王连镇韧性剪切带) 、d f 2 ( 单家一吕家疃韧性剪切带) 、d f 3 ( 鲍 村一上庄韧性剪切带) 、d f 4 ( 大疃一户山村韧性剪切带) 、d f 5 ( 鞠格庄一高村 韧性剪切带) 韧性剪切带( 图3 1 ) 。下面将详细阐述这些韧性剪切带的空间展布、 岩石组成、宏观构造现象、显微构造及岩石组构运动学特征。 如图3 1 ，研究区内的5 条韧性剪切带的展布特征基本一致，在空间上显示 弧形。北段走向n n e ，往南转成n e 。相应地，拉伸线理也呈现有规律的改变一 北段拉伸线理的走向大多数是s w w - n e e ，倾向e ；往南走向渐渐转变为 n n w - - s s e 方向。所有拉伸线理的侧伏角均大于4 5 0 ，倾向e 或s e 。剪切带中 发育大量的变形构造。宏观上表现为a 型褶皱、糜棱面理、及不对称构造( 如 不对称残斑系、c 面) 等。a 型褶皱枢纽方向大多是n w - s e 向，与拉伸线理近 平行。 宏观不对称构造及线理产状指示d f i 、d f 2 、d f 3 、d f 4 及d f 5 的剪切指向 都是由n w 向s e 斜向正滑的，局部地区显示逆冲的特征，可能是后期构造叠加 的结果( 图3 - 2 剖面示意图) 。 3 2 韧性剪切带中的构造要素 3 2 1 野外构造要素 王连镇一崂山镇韧性剪切带( d f l ) 王连镇一崂山镇韧性剪切带( d f i ) 宽约1 5 k m ，岩石总体产状较陡，倾角 约5 5 0 6 5 0 ，n e s w 方向展布，倾向1 2 9 0 1 3 7 0 。在王连镇附近( 采样点s d c - 3 ， s d c 5 ，s d c 1 0 ) 的岩石拉伸线理十分清晰，侧伏向s e 、侧伏角5 5 0 7 8 。( 图 3 - 2 d ) 。剪切带中发育a 型褶皱、不对称流褶皱。矿物旋转方向、拉伸线理及s 形褶皱显示剪切带正滑的运动趋势。 1 0 中国地质科学院硕士学位论文 图3 - l 北苏鲁荣成地区超高压变质带变形构造图 1 冲生代花岗侵入岩，2 一超基性岩，3 榴辉岩。舢岩体年龄，5 产状6 - 拉伸 线理。7 剪切矢量，8 一韧性剪切带，9 岩体边界，1 0 片麻理，1 1 剖面线， 1 2 一地点：a - e 岩石产状极坐标投影图 第三章北苏鲁超高压变质带中的韧性剪切带 1 2 丑蜷士i-c圃档喇单g丑i岬vl 匝咀表删霉架堪制出惶羁凶簧搔张施豫暑叩n匝 中国地质科学院硕士学位论文 单家一吕家疃韧性剪切带( d f 2 ) 单家一吕家疃韧性剪切带( d f 2 ) 宽约2 k m ，带中岩石面理化强烈，单家片 麻岩产状面理倾向9 5 0 1 1 5 0 ，倾角5 5 0 左右，拉伸线理侧伏角约4 5 0 5 0 0 ( 图 3 2 b 面理与线理投影图) 。位于这条剪切带较南端的吕家疃岩石产状稍有变化， 面理倾向1 3 5 。1 4 5 。，倾角5 0 。5 5 。，拉伸线理侧伏向n e 、侧伏角约4 8 。5 3 。 ( 图3 - 2 e ) 。带内一些典型的深层次韧性剪切现象都可以看到，如，流动式的不 对称褶皱( 图3 3 c 、d ) ，倒水滴状的榴辉岩包体( 图3 3 a 、b ) 、大理岩和石英岩 的a 型褶皱( 图3 3 f 、g ) ，轴面走向l o o 向s e 倾向，倾角约5 5 0 ，这些宏观特征 标志着斜向正滑的特征。 鲍村一上庄韧性剪切带( d f 3 ) d f 3 ( 鲍村一上庄韧性剪切带) 经鲍村、草埠屯、上庄延伸至海边，约2 k m 宽。带中岩石变形很强烈，在上庄s s w l 5 k m 处观察的很清楚，岩石主要组成是 花岗质糜棱岩，走向5 0 0 6 0 。，倾向s e ，倾角5 0 。7 0 。，从矿物旋转方向及褶 皱形状( z 形) 可以看出剪切带有上盘下滑的趋势( 如图3 - 5 ) 。上庄n 约2 k m 处，也可以观察到z 形的褶皱和顺时针旋转的矿物，但总的岩石变形没有上庄 s s w i 5 k m 处的程度大。鲍村糜棱岩倾向9 0 0 1 1 0 0 ，倾角4 5 0 6 0 0 ( 图3 2 中f l , 产状投影图) a 型褶皱发育，其轴面产走向1 0 。倾向s e 倾角5 0 0 ，枢纽与水平线 的夹角约5 。，不对称流动褶皱显示上盘正滑的运动趋势，而a 型褶皱枢纽与拉 伸线理方向表明剪切带上盘的运动方向是由n w 向s e 滑动。 大瞳一户山村韧性剪切带( d f 4 ) 大疃户山村韧性剪切带( d f 4 ) 经大疃，户山村延伸至海边，约2 k m 宽， 也是n e s w 方向展布。岩石总体走向约4 0 0 至5 0 0 倾向s e 倾角约5 0 0 。不对称 流动褶皱显示上盘正滑的运动趋势，拉伸线理的侧伏角约6 5 0 。局部地区也会有 逆冲的运动趋势( 图3 7 b ) ，这可能是由于后期构造叠加的结果。 鞠格庄一高村韧性剪切带( d f 5 ) 鞠格庄一高村韧性剪切带( d f 5 ) 经鞠格庄、高村，n e s w 展布。岩石总 体倾向s e 倾角约5 5 。，部分倾角较陡近直立。带内岩石变形强烈，具有明显的 流动特征。矿物旋转特征、s c 组构及矿物拉伸线理方向表明：总体显示正滑特 征，少部分地区显示逆冲的剪切指向，可能是构造叠加的结果。 第三章北苏鲁超高压变质带中的韧性剪切带 图3 - 3 单家一吕家疃韧性剪切带中的变形构造现象 a 、b - 大理岩中倒水滴状的榴辉岩包体，c 、d - 斜长角闪岩中的不对称褶皱，c 大理岩中 榴辉岩透镜体。f - 石英岩a 型褶皱g - 大理岩a 型褶皱：b 褶皱枢纽 1 , 4 中国地质科学院硕士学位论文 堆昶齄靶制冒f镫架齄罂昶球博峰齄c 旧菰螺博张搽斟叮n匝 昶剧k和莲止面1 第三章北苏鲁超高压变质带中的韧性剪切带 图3 - 5 鲍村一上庄韧性剪切带中的变形构造现象 ab 片麻岩褶皱，中间穿切石英脉；c s 形不对称褶皱；a 型褶皱，铅笔方向指示枢纽方向 图3 - 6 鲍村韧性剪切带剖面 1 花岗质片麻岩，2 斜长角闪片麻岩。3 榴辉岩 1 6 中国地质辩学院硕士学位论文 图3 - 7 大疃一户山村韧性剪切带中的变形构造现象 a 榴辉岩，b 糜棱岩化花岗片麻岩，c 眼球状糜棱岩 3 2 2 显微构造特征 研究区内，与5 条剪切带之间及之外地区岩石相比。剪切带中的岩石普遍具 有较强烈变形现象，显微构造清晰。 花岗质糜棱岩 在剪切带的中心带，花岗质糜棱岩残斑很少，大量的细粒片状矿物( 如云母) 半定向排列成透入性叶理，有的呈弯曲的s 状，重结晶颗粒增多，形成典型的s ( 片麻岩面理) c ( 剪切面) 组构。石英形成聚晶条带，亚颗粒及重结晶颗粒十 分发育，重结晶颗粒呈拉长状，而且其长轴方向与剪切方向成锐角。相对于石英 较难变形的长石也具有一定的形状优选性，往往形成残斑系的核部。如图3 8 及 3 9 ，岩石中的o 、6 形残斑指示剪切方向是上盘相对于下盘由n w w 向s e e 下 滑运动。 1 7 第三章北苏鲁超高压变质带中的韧性翦切带 图3 - 8 单家一吕家疃韧性剪切中岩石的变形变质现象 a 面理化强烈的石英岩( 单偏光) ，b 、c 糜棱岩( 单偏光) ，d 、e 一石英岩中旋转透辉石斑晶 ( 单偏光) ，f - 透辉石机械烈晶( 正交光) ，g - 榴辉岩中的后成合晶( 正交光) 石英岩 石英岩内含少量单斜辉石。岩石变形主要表现为石英的压扁、拉长。镜下石 英条带由具不规则边界的新颗粒组成；波状消光现象常见；正交光下，石英条带 内具有许多近等轴、有规则边界的亚颗粒，反映变形后静态重结晶作用比较强烈 中国地质科学院硕士学位论文 ( n i c o l 勰e ta 1 1 9 7 6 ) 。辉石颗粒受构造应力作用发生碎裂，呈集合体条带，表 明辉石的后期变形脆性破裂为主，但有的较完整的颗粒中保留着代表塑性变形的 机械双晶( 图3 8 f ) 。 榴辉岩与石榴辉石岩 线理发育的榴辉岩主要由绿辉石、石榴石组成，另外含少量金红石、榍石、 石英等。面理主要由压扁、定向的绿辉石颗粒组成。石榴石呈粒状它形，发生明 显的碎裂，有的略微拉长。而辉石半自形或它形，显示一定的形状优选方位，这 一点在靠近变形强烈的围岩的部位表现得更加明显。多数颗粒具有平直的边界和 小角度的消光差异性，虽然变形没有石英矿物的那样明显，但这种特征都被视为 绿辉石晶体位错蠕变的典型证据。这种现象纪录了岩石较高的温度( 8 5 0 9 0 0 ) 下发生的塑性变形行为，因为辉石只有在较高的温度下才会发生塑性形变，这一 点将会在下一节详细阐述。有的绿辉石己退变为蠕虫状角闪石和钠质斜长石组成 的后成合晶( 图3 - 8 f ) 。这些后成合晶保持与主晶的形状一致。这表明虽然已经 发生了退变反应，但绿辉石的变形特征仍然保留，即绿辉石的变形是在角闪岩相 变质作用之前的榴辉岩相条件下发生的。 图3 9 荣成超高压地区岩石显微特征 a 糜棱岩化片麻岩( 正交光) ，b - 花岗质糜棱岩( 单偏光) ， c - 石英岩质糜棱岩( 单偏光) ，d - 石榴石黑云片麻岩( 正交光) 第三章北苏鲁超高压变质带中的韧性剪切带 3 2 3 运动学分析：来自矿物组构的证据 运用石英c 轴组构研究变形运动学、以及推断滑移系与变形温度是比较成 熟的手段( c a r t e re ta 1 ，1 9 “；b r u n e le ta 1 ，1 9 7 2 ；h a me ta 1 ，1 9 7 3 ；b o u c h e re ta 1 ， 1 9 7 7 ；j i ，1 9 8 8 ；h ee ta 1 ，1 9 8 8 ；许志琴，1 9 9 7 ，2 0 0 3 ：c a r t e r ，1 9 7 1 ；t u n i s ，1 9 7 3 ) 。 嵇少丞( 1 9 8 8 ) 总结出石英组构与变形环境及滑移系之间的关系有四种：( 1 ) 低 温底面组构，形成温度 ；( 2 ) 中低温菱面组构，形 成温度是4 0 0 5 5 0 c ，滑移系是 1 0 1 1 a ；( 3 ) 中温柱面组构，形成温度5 5 0 6 5 0 ，滑移系是 1 0 1 0 ：( 4 ) 高温柱面组构，形成温度大于6 5 0 ( 2 ，滑移系 是 1 0 1 0 ( 图3 - 1 0 ) 。下面对石英组构的分析主要基于上述理论基础。 如图3 1 1 ，北苏鲁荣成地区超高压变质带中大部分地区的石英组构显示剪切 带上盘下滑的运动趋势。这一点与宏观的不对称褶皱、拉伸线理产状、倒水滴状 榴辉岩包体等现象相符合。参照图3 1 0 ，单家的石英岩变形时活动的滑移系以 1 0 1 1 ) 为主，变形温度为中低温( 4 0 0 5 5 0 ) ，相当于高绿片岩相到角闪岩相， 而大多数片麻岩中石英的主要滑移系为 0 0 0 1 ) ，变形温度要低于石英岩，为 低温( 4 0 0 ) ，相当于低绿片岩相。与单家剪切带不同，鲍村( s d c 1 2 ) 离 榴辉岩包裹体很近的围岩片麻岩的石英组构图显示石英变形时的滑移系以 1 0 1 0 l 为主，呈现高温的变形特征。 c 滑移系同轴变形 非同轴变形变形温度( ) 0 0 0 1 ) 王 i -e x xx 4 0 0 5 5 0 ( 1 0 10 ) 6 5 0 7 0 0 图3 1 0 石英晶体中的滑移系、组构 除石英c 轴组构外，其他变形矿物的晶格优选方位也同样能指示运动方向。 如属于单斜晶系的绿辉石也是超高压一高压变质带内韧性剪切带中常见的矿物， 中国地质科学院硕i 二学位论文 图3 - l l 北苏鲁荣成超高压变质带中岩石石英组构图 下半球等面积投影，x y 面为面理。水平线( x ) 为拉伸线理方向，x 为剪切方向，n 为测彗数量 对其变形过程及组构特点已有相当的研究( b u a t i e re ta 1 。1 9 9 1 ；b r e n k e r ，1 9 9 8 ； b a s c o ue ta 1 ，2 0 0 1 ： g o d a r da n dr o e r m u n d ，1 9 9 5 ；h e l m s t a e n te ta 1 ，1 9 7 2 ； b r e n k e r ，1 9 9 8 ： i n g r i ne la 1 ，1 9 9 1 ；r a t e r r o ne ta 1 ，1 9 9 4 ：b o u n d ye ta 1 ，1 9 9 2 ： m a u l e re ta 1 ，2 0 0 1 ) 。目i i i 一般认为，辉石晶体内部主要滑移系有1 0 0 1 1 ( 1 0 0 ) 、 【0 0 1 1 1 1 0 及1 2 1 1 0 ( 如图3 - 1 2 ) ，绿辉石塑性变形时以哪种滑移系为 主导与变形温度有关：在温度为8 0 0 9 0 0 。c 时，以 o o l 】( 1 0 0 ) 滑移系为主；在温 度大于1 0 0 0 c 时，以1 2 1 1 0 滑移系为主。 本文所有榴辉岩组构均在沿x z 方向的切片上测试( 图3 - 1 2 ) 。鲍村榴辉岩 样品s d c 1 2 1 6 与s d c 一1 2 1 7 的绿辉石晶轴、晶面法线的投影都位于x z 面上， 2 1 第三章北苏鲁超高压变质带中的韧性剪切带 测量点数分别是n = 5 0 4 7 、5 0 6 7 ，最大密度m a x 1 3 = 3 2 0 、5 8 7 。【o o h 轴极密与拉 伸线理方向近平行、与线理沿顺时针有一个很小角度的旋转。【o l o 轴在下半球 或上半球的投影结果很相似，说明绿辉石的 o l o 轴与【o t o 】轴是等同的，显示近 垂直面理的大圆环带分布特征；( 0 1 0 ) 极点主要集中在z 轴附近，【0 0 1 】轴位于 x 轴成向右( s e 方向) 旋转的x 轴的端点，x 轴与x 轴之间有一个较小的角度， 表明岩石所经受的是非等轴剪切作用。另外，绿辉石的这种组构特征也被 h e l m s t a e d t 等1 9 7 2 、g o d a r d 和v a nr o e r m u n d ，1 9 9 5 、f r a n ke b r e n k e r 等称为s 型( 压扁型) 晶格优选方位。反映了形成榴辉岩面理时挤压的构造环境。总的来 说，荣成榴辉岩中绿辉石具有以 o o i 】( 1 0 0 ) 滑移系为主的变形特征，这表明形成 温度为8 0 0 9 0 0 时，在榴辉岩内部所观察到的构造应该是在区域角闪岩相变 质作用之前形成的，代表了超高压榴辉岩相条件下的变形记录。这些相对早期发 育的构造，反映了中朝与扬子克拉通间碰撞阶段的相对运动及动力学状态，而现 在我们所观察到的大别苏鲁区高压一超高压变质带区域构造框架，是在碰撞后期 形成的。 图3 1 2 绿辉石( 砉) 与金红石( 左) 的晶体及光性方位 另外，榴辉岩中的副矿物金红石( 含量约1 ) 也显示一定的晶格优选特征。 金红石属于四方晶系，它的 1 0 0 】、【0 1 0 】轴呈结晶对称( 图3 1 l ) ，岩组图相 近，这里只给出【1 0 0 轴的极点投影图，【1 0 0 轴的投影点均匀分布在垂直于线理 的大圆环带上，这可能是由它本身的晶体形态决定的，研究表明：金红石在高于 6 0 0 时的主要滑移系为 1 0 1 ) ；9 0 0 时的主要滑移系为【0 0 1 1 1 0 ) (