第六章-5--韧性剪切带

1第六章（五）韧性剪切带韧性剪切带的概念是从韧性断层一词演化而来。60年代以前，人们认为断层是脆性破裂的产物。60年代所做的岩石力学实验结果证实，岩石在高温、低速条件下具有韧性行为，从而认识到韧性断层的存在，并掀起了韧性剪切带的研究高潮。多次召开专门的国际学术会议(如1979年西班牙国际剪切带会议、1981年美国彭罗斯国际糜棱岩会议、1986年伦敦的剪切带标志国际会议)，对韧性剪切带的研究进行了系统的讨论。20多年的实践证明，韧性剪切带不仅是地壳岩石中与褶皱、断层同等重要的构造要素，而且还是控制深部地壳构造发育的主要原因。2近10年来，人们一方面深入研究韧性剪切带的形成机制和其形成的构造环境，另一方面，注意研究韧性剪切带对成矿作用的控制。认为，韧性剪切带在形成、演化及脆性破坏过程中，使成矿元素逐步地得到运移、淬集，进而富集成矿，我国近年来发现的许多金矿都与韧性剪切带密切相关。此外，韧性剪切带也是深源地震机制的主要研究对象，地震的形成常起因于韧性的不稳定性。对韧性剪切带的认识，极大地丰富了变质岩区构造研究的内容，加深了变质岩构造复杂多样的理解。3变质岩区断裂构造的基本特点断层是岩石圈中固体岩石内的位移发生面或位移发生带，在各种构造环境中都有发育。其中，尤以变质岩区的断裂复杂多样，表现如下:1.断裂行为复杂多样断裂行为受岩石变形习性的控制，随着构造层次从上到下，由于岩石圈岩性分层的不同，温压等环境因素的改变，断裂行为也随之而异。从完全脆性－韧脆性－脆韧性－韧性，形成不同构造变形相的断层(剪切带)多相组合和叠加。目前，一般将具明显不连续面的剪切位移面(带)称为断层，无明显不连续面的位移带称为剪切带。大断裂常常具有多重断裂行为。R.H.Sibson(1977)提出的断层带的双层结构模式正是基于构造层次由浅变深而断层行为逐渐过渡为韧性剪切原理。4图7－2大型断裂带的双层结构模式(据R.H.Sibson，1977)A.未固结断层泥及角砾发育区岩发育区；B.固结的组构紊乱的压碎角砾碎裂岩系发育区；C.固结的、面理化糜棱岩系列及变余糜棱岩发育区；250－350℃地温区域为脆性断裂与韧性断层过度区。右侧为变形深度及应力差值大小曲线52.韧性剪切带广泛发育虽然变质岩区脆性断裂较沉积岩区发育，并常常形成宽大的破碎带，但真正控制变质岩区构造格架、地层层序以及变质作用和岩浆活动的主要是韧性剪切带。韧性剪切带以多种型式、多种产状和阵列广泛分布于各类变质岩区。成为当前变质岩区构造研究的首要构造要素。63.断裂往往具有多期活动特点变质岩区的某些断裂，尤其是某些大型韧性断裂带，不但对前寒武纪地壳活动带的产生和发展有着明显的控制作用，往往构成前寒武纪不同地质单元之间的构造边界或转换边界,它们通常被后期断裂作用所利用而成为多期活动断裂。有些古老的基底断裂至今仍在活动，诱发地震，成为长寿断裂。74.断层构造岩石多相混杂变质岩区断裂的重大特点之一是岩石在韧性剪切流变过程中产生新生的变质构造岩和新生的应力矿物组合。随着地壳的隆升，剪切带位置也随之上移，深成的糜棱岩系列的断层岩石也相应发生改造，遭受蚀变和破坏，形成复合断层岩。85.断面(剪切带)褶皱的普遍性变质岩区韧性剪切带，甚至断层形成以后，作为一种面状构造又卷入后继变形，尤其是那些先存产状平缓的滑脱面，往往会大面积地卷入后期的区域性褶皱系统。事实上，过去变质岩区地质图上的不少地质界线，很可能就是这一构造现象的反映。9韧性剪切带第一节剪切带的基本类型•剪切带是平面状或曲面状的高剪切应变带，其长宽比至少大于5:1。•剪切带是地壳和岩石圈中广泛发育的主要构造类型之一，可以在不同层次、不同环境下发育，其尺度可从超显微的晶格位错到造山带或变质基底内几十公里宽和上千公里长的韧性剪切带。•剪切带的研究不仅是造山带研究中的重要课题，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。10•根据剪切带的几何产状和运动方式，可将剪切带划分为走滑(平移)型剪切带、推覆(逆冲)型剪切带和滑覆(正断)型剪切带等三种类型。根据剪切带发育的物理环境和变形机制的不同可将剪切带划分为下列三种基本类型(图15-1):图15-1剪切带的类型图示(据J.G.Ramsay，1980)A.脆性剪切；B.脆-韧性剪切；C.韧-脆性剪切，D·韧性剪切带11•1.脆性剪切带(断层或断裂带)脆性剪切带是在地壳上部的低温及高孔隙压力与静岩压力条件下发生的脆性变形的产物。其特点是具有一个或多个清楚的不连续界面(图15-1A)，两盘位移明显，变形集中在个别不连续面上，伴生有各种碎裂岩系列(表15-1)的断层岩，其两侧岩石几乎未受变形。表15-1石英-长石质岩石圈断层岩分类筒表12•2.脆-韧性过渡型剪切带脆-韧性剪切带有多种类型，主要型式有两种:①似断层牵引现象的脆-韧性剪切带(图15-1B)，在韧性变形的岩石内部发育不连续面，沿不连续面可能产生摩擦滑动，而其两侧一定范围内的岩层或其他标志体则发生一定程度的塑性变形；②韧-脆性剪切带由张裂脉的雁行状阵列表现出来(图15-1C)，雁列张裂隙反映岩石的脆性变形，而张裂隙之间的岩石一般受到一定程度的塑性变形。13•3.韧性剪切带韧性剪切带是岩石在塑性状态下发生连续变形的狭窄高剪切应变带(图15-1D和图15-2)。典型的韧性剪切带内变形状态从一壁穿过剪切带到另一壁是连续的，不出现破裂或不连续面；带内变形和两盘的位移完全由岩石的塑性流动或晶内变形来完成，并遵循不同的塑性或粘性蠕变律。因此，韧性剪切带具有“断而未破，错而似连”的特点(图15-1D和图15-2)。14长宽比至少大于5:1的平面状或曲面状强剪应变带。强剪应变带15逆冲型剪切带1617•以上三种剪切带反映了它们形成时岩石的力学性质的差异，也反映了地壳和岩石圈不同层次、不同物理环境和不同流变机制条件下岩石的应变局部化特征。在空间和时间上，它们有着紧密的联系，且可以相互转换或过渡(图15-3)。。18第二节韧性剪切带的几何学一、韧性剪切带的规模与产状韧性剪切带的规模相差甚大，小者在薄片中可见，大者长达数百-上干公里，甚至一些陆块或板块的边界也表现为韧性剪切带。从位移距离来看，相差也很悬殊，小者毫米级大者上百公里。韧性剪切带的产状陡缓不一，可以从水平至直立，与韧性剪切带的性质、规模、发育的构造部位等因素有关。大型韧性剪切带的产状常常是变化的，尤其是那些经过后期变形改造的韧性剪切带更是如此。19二、韧性剪切带的域构造如果说变质岩区的域构造特征在显微尺度上表现在劈理和片理的结构上，那么，在宏观上则通过韧性剪切带的域组构而显示出来。在一条剪切带的不同尺度上都是线性强变形带与其间弱变形断片或岩块相间列。强应变带由以层状硅酸岩为主导的构造岩组成，主要构造岩是构造变形分解和变质分异过程中形成的退变质的糜棱岩系列岩石，发育面理和线理，并随卷入岩石的变形习性差异和递进剪切变形的强度而分带，通过地质填图可以把不同应变带标给出来。20弱应变域主要表现为间夹于剪切带内的各式构造岩块。在弱应变域内，先存残余构造不同程度得到保存，在该域可以从事地层学或构造地层学层序研究及叠加褶皱分析。21三、韧性剪切带的阵列韧性剪切带的阵列，随区域构造应力场和区域构造部位而变化，常见以下几种:1.平行式。一组或一群韧性剪切带平行排列，产状大致相同。2.斜列式。一组韧性剪切带平行排列，但韧性剪切带之间首尾相接，斜列相错。如粤东莲花山地区韧性剪切带，它们呈NE向右列雁行展布。3.共轭式。不同方位的两组剪切带相交切，其中一组为左旋剪切，另一组为右旋剪切。构成菱形网结构造系统(图)。22四、韧性剪切带的应变状态韧性剪切带有两个基本结构要素，即剪切带的两盘(壁)和两盘所限制的强塑性变形带。自70年代初到80年代初。J.G.Ramsay在讨论韧性剪切带的几何性质及其应变模型时，根据天然剪切带主要区段的构造特点，曾提出模式的边界条件是:(1)两边平行；(2)切过剪切带的任意断面上的位移剖面都相同。这意味着有限应变剖面及所有剖面上的小构造定向和具有的几何性质均相同。23实际上,剪切带的两盘可以是平行的，也可以是弯曲的。前者的几何边界条件是:①具有相互平行的两盘或边界；②沿每个横断面的位移情况是一样的，这表明岩石的有限应变方向和性质在横过剪切带的各剖面上是一致的。后者沿剪切带走向两盘可能收敛、汇合或分散，不同位置上剪切带横剖面的变形情况是变化的。根据剪切带的边界条件和位移情况，Ramsay将韧性剪切带的应变场划分为以下两种情况下的六种应变格式:24(一)剪切带外的岩石未受变形的韧性剪切带(1)不均匀的简单剪切(图15-5A)；(2)不均匀的体积变化(图15-5B)；(3)不均匀的简单剪切和不均匀的体积变化之联合(图15-5C)。(二)剪切带外的岩石受到均匀应变的韧性剪切带(1)均匀应变与不均匀的简单剪切之联合(图15-5D)；(2)均匀应变与不均匀的体积变化之联合(图15-5E)；(3)均匀应变、不均匀的简单剪切和不均匀的体积变化之联合(图15-5F)。2526上述六种应变状态虽然是把事物简单化和模式化的产物，但在实践上却有很大的现实性。在地壳较浅层次，许多顺层韧性剪切带由于受先存界面的控制，强剪切应变经常局限在某些软弱层内，两侧能干岩层常常不变形或弱变形。故一般都具A、B、C三种应变格式。较浅花岗岩或其他岩体中狭窄剪切带，也多数属于两盘未变形情况。但在高级变质岩区，整个岩石体都处于塑性状，在岩石片麻理化基础上又进一步形成变晶糜棱岩带。在这种情况下，两盘岩石遭受到不同程度的变形，因而只能用D、E、F状态来说明其内在机理。一般地说，韧性剪切带内的岩石不仅有形变和体变，而且还存在着压溶、相转换等物质的运动和改造，因此，上述六种状态中更适用于天然的模式应为C或F。27五、简单剪切带的基本几何关系•各类剪切带的变形都是非均匀简单剪切。一个非均匀简单剪切可看作是若千个无限小的均匀剪切带的组合。因此，一个小的均匀简单剪切单元的应变特征是分析所有剪切带变形的基础。在分析均匀简单·剪切单元的基本几何关系时，一般作如下假设(图15-6):•(1)坐标的选择。设平行剪切方向为X轴，剪切面为Xy面，y轴垂直于X轴，Z轴垂直于Xy面(图15-6A）。2829•(2)设应变椭球的三个主应变轴为Xf、yf和Zf并且Xf≥yf≥Zf，同时还假设yf不变，即e2=0，作为平面应变分析，中间应变轴yf包含在平行剪切带两边界的平面中。在XZ面上测得主应变轴Xf，与X轴的夹角为θ′。•(3)设原先存在的平面标志层在XZ面上的迹线与X轴在变形前的夹角为α，变形后的夹角为α′。原单位半径的圆变为应变椭圆，其主轴沿Xf长度为1十e1，而沿Zf的长度为1十e3，Xf的旋转角度ω=θ－θ′γ为剪应变，ψ为角剪切，d为平行X轴的位移距离。•在上述假设条件下，剪切带的基本几何关系可表示为:cot'cot'tantan22zd(此处z是小单元剪切带的宽度)30•以上表达式反映了剪切带内一些基本物理量间的关系。这是基于假设小均匀剪切应变单元。对于天然剪切带来说，剪切应变值不是变化的。它在带的中心最高，边界处最低。因此，剪切带中各物理量的计算较复杂。31第三节韧性剪切带内的岩石变形•从力学观点来看，韧性剪切带就是地壳和岩石圈中不同尺度的缺陷，是应变软化带和应变局部化带。从而形成了特征性的岩石、构造和其他微观变形现象。32近年来对变质构造岩研究的重大突破，是把断层构造岩分为两大系列：脆性断层－碎裂岩系列和韧性剪切带－糜棱岩系列。前者的细粒化主要是由于机械破碎而成，而后者的形成作用极其复杂，原有物质通过韧性变形、动态重结晶细粒化而形成基质，并因塑性流变而具糜棱面理，未细粒化部分构成残斑。糜棱岩中反映塑性变形和重结晶的显微构造，如波状消光、变形纹、变形带、机械双晶、亚晶粒、新晶粒及核幔构造、压溶构造、压力影等等，都充分说明了它与碎裂岩类动力变质岩的形成机制完全不同。33一、糜棱岩•(一)糜棱岩的基本特征•糜棱岩这一术语是Lapworth于1885年提出的，