许志琴韧性剪切带 韧性剪切带研究进展

韧性剪切带这一概念最早由Sibson和Ramsay分别在1977和1980提出,其最早的含义是指发育在地壳一定深度呈线形带状展布在简单剪切作用下、具有高度塑性流变及岩石强烈剪切变形的应变,它是一种呈带状展布的、发育在地壳一定深度下的高应变带,是地表脆性断层向地壳深部延伸部分,与地表脆性断裂组成断裂的双层结构模式。

韧性剪切带主要是由简单剪切变形所产生的,其应变强度由带的边缘向中心逐渐增大。在中心的应变最强部位可能出现物质成分的变化和强烈的化学作用(即构造化学作用)。在韧性剪切带的中心部位往往形成糜棱岩带。系列的糜棱岩是韧性剪切带的主要岩石,因此也是韧性剪切带的重要标志。

探索韧性剪切带剪切变形作用条件下糜棱岩中岩石化学组分的变化,包括糜棱岩中主要造岩矿物的矿物化学组成变化特征,构成韧性剪切带动力成岩成矿地球化学研究的核心内容和研究难点。该项研究成果不仅对韧性剪切带本身的形成和演化具有重要的意义,而且为动力成岩(成矿)作用机理的认识提供科学的依据。

自1979年和1982年分别在西班牙巴塞罗那和美国加州召开了国际糜棱岩问题讨论会以来,地质学家对韧性剪切带及其糜棱岩的研究显示出浓厚的兴趣。以后的20年间大量的文献报道了这一方面的研究成果。韧性剪切带中的变形作用是控制和影响地壳形成和演化的一种重要因素,在以往的研究中一般侧重于几何形态分析和研究,并在此基础上对韧性剪切带进行分类。

到20世纪80一90年代,构造地质学家开始注意对韧性剪切带内部变形,特别是糜棱岩矿物的组构及其形成机制的研究;地球化学家则对韧性剪切变形对元素迁移机制的控制作用给予高度的重视。

目前韧性剪切带作为大陆上研究最全面、最深入和详尽的构造带,己经成为研究地壳运动规律及大陆山链岩石圈变形构造动力学的重要内容,同时也成为研究深部地壳地球化学作用与动力成岩、成矿作用的一个窗口。

在国内,许志琴等、何永年等系统地研究了韧性剪切带强烈的塑性变形及旋转应变特征;许志琴等强调了高级变质条件下的糜棱岩对研究深层次地壳变形的重要意义;林传勇等综述了岩石的韧性剪切和脆一韧性转换变形的问题;孙岩等对糜棱岩进行了系统的分类研究,阐述了不同糜棱岩的宏观和显微构造特征,并对其未来的研究前沿领域进行了展望;刘瑞殉系统地研究沿剪切面方向细颗粒物质形成的显微分层现象;马宝林等报道了我国华北深层次构造岩的构造分层特点;郭敬辉等在内蒙中部发现了一条宽达5km的麻粒岩相的糜棱岩带,为深入研究该区早寒武纪地壳演化及其下地壳的构造过程提供了非常重要的构造标志;杨主恩等研究指出巨型韧性剪切系统的发生将造成大规模的地壳物质流动;周建勋等研究了华北扬子板块主缝合带部位秦岭沙沟糜棱岩带的P-T-t演化路径,得出该糜棱岩化阶段处于中一高绿片岩相条件;曾令森等研究了辽南韧性剪切带变形中的分形和自组织现象等。

在国外先后报道了加拿大大奴湖剪切带存在麻粒岩相和角闪岩相的韧性剪切带,讨论了榴辉岩中化学成分变化及其小构造以及西阿尔卑斯山脉二辉橄榄岩中有属于麻粒岩相并形成于上地慢的韧性剪切带等。总之,近10多年来,对于韧性剪切带及其所形成的糜棱岩研究进入了一个重要的发展阶段,即岩石类型以早期的长英质糜棱岩为主,扩大到现在的几乎涉及到所有的变质相领域。

近20年来,微观构造无论是在理论上及方法上均取得迅速发展,并使地质学的研究摆脱了描述学,步入定量化、运动学及动力学的新阶段,Kniple总结了12种岩石的变形机制,包括颗粒内部和颗粒边界的变形。超微构造研究技术和方法的突破,使人们在放大数万倍乃至数十万倍的透射电子显微镜下观察到矿物内部的晶格位错运动;高精度的仪器分析己经可以检测到包括矿物微区中的元素含量的变化和分布特征。

正如认识物质本质必须了解原子结构一样,只有通过矿物的微区构造、成分变化的研究,才能深入揭示剪切运动的本质。

由于韧性剪切带内部及与围岩之间没有明显的破裂,只是与围岩之间的应变呈递进演化关系,因此韧性剪切带糜棱岩的深入研究必须将超微构造分析与微区元素分析相结合,才能深刻认识韧性剪切带物质运动的规律。

韧性剪切带型金矿床,指的是一种成矿机制和控矿因素与韧性剪切带有密切关系的金矿床类型,由博伊尔在韧性剪切带这一概念提出后不久的1979年提出。在随后的20世纪80年代以来的全球找金热潮中,人们开始逐渐发现世界上许多大型和超大型金矿床产在不同时代的韧性剪切带中,于是并从空间上、时间上和成因上试图揭示韧性剪切带与金矿床的关系,提出了各种不同的成因模式,对韧性剪切带型金矿床和韧性剪切带控矿机制及韧性剪切变形作用对成矿元素迁移和富集的关系进行了研究,且均取得了不错进展。

我国至20世纪80年代中期以来,对于韧性剪切带与金矿床之间的关系进行了系统的研究。一大批地质科技工作者对我国的、与韧性剪切带有关的金矿床进行了系统而又卓有成效研究。

包括韧性韧性剪切带与金矿床的空间、时间上的关系及成因上的联系;成矿物质和成矿流体的来源;韧性剪切带控矿机制及韧性剪切变形作用对成矿元素的富集;剪切带型金矿床地球化学特征;矿床成矿物理化学条件及包裹体特征等方面做了大量系统的工作,总结出了一些典型矿床的控矿因素、成矿规律和成矿模式。

到20世纪90年代中后期,对于韧性剪切带与金矿在空间上的密切关系已经有了相对统一的认识,但在形成时间和成因上及成矿物质和成矿流体的来源上仍旧有较大的争议。

韧性剪切带是形成于地壳深部的线性高应变带,由于带内岩石的塑性流动,致使其两侧岩块虽发生位移但不具有明显可见的断层面。由于其产生于高温高压的地球物理条件下,因而形成特定的宏观和微观结构、构造及与脆性断裂截然不同的糜棱岩系列岩石类型。

韧性剪切带在长期复杂的变质变形过程中,不仅为含金(银)流体上升运移提供了良好通道,而且为流体与围岩相互作用提供了良好场所,因而成为前中生界(特别是前古生界)普遍发育的成矿、控矿构造。

地壳韧性剪切带的次级韧性剪切带往往控制了矿床的空间展布。一方面,强烈变形的带内岩石较之围岩具有较大的渗透性,能起到导流作用,引起深部不同层次的流体向上迁移,使途径不同岩性的热液流体将不同层次中的成矿元素富集起来,为成矿奠定良好的基础。

另一方面,地壳级韧性剪切带经历了漫长的地质演化历史,长期而又强烈的剪切活动可诱导不同深度和不同层次的岩石重熔,发生酸性—中性的岩浆活动,从而提供SiO2、K 、H2O、CO2等组分,它们与剪切变质带的流体混合,一起浸取围岩中的成矿物质构成成矿溶液,向上运移和富集成矿。这种岩浆活动随剪切带的开合可以多次发生,每次岩浆活动均可伴随一次矿化。

金元素不对称的原子结构决定了它在剪切带中容易活化,金在韧性剪切带中与氧化硅和硫化物形成络合物在深部流体中沿着化学位梯度方向迁移和富集。岩石在强应力作用下产生屈服(韧性变形),微观上表现为位错。位错处于高能态,能自动发生动态重结晶形成亚晶粒和微裂隙,使韧性剪切带具有可渗透性,有利于成矿流体的运移和萃取金矿质。

剪切带由韧性到脆性的转化阶段,常与退变质作用相伴随,并发生钾化、硅化、碳酸盐化、硫化物化蚀变,导致成矿流体中金络合物分解和金元素沉淀成矿。

地壳深部分散的网格式的韧性剪切系统,既提供了部分变质流体,而且在还原的条件下和构造泵吸作用下,还起着从围岩中萃取金元素的作用。在中部的脆韧性转换系统及上部开放的脆性裂隙网络系统,组成了热液对流的通道和金属元素沉淀的场所,分别形成与碎裂化糜棱岩有关的剪切带型和张开裂隙有关的脉状矿体,当随着时间的迁移,不同系统矿化的叠加,就会为大型矿床的形成提供有力的条件。

通过上述对国内韧性剪切带研究现状的剖析,归纳出未来关于韧性剪切带研究的几个重点方面:

(1)系统研究糜棱岩中主要造岩矿物组合及其变形特征,计算剪切变形岩石的应力—应变参数,搞清韧性剪切带所处的应力应变环境。

(2)系统研究韧性剪切带岩石在天然强剪切应力作用条件下常量元素迁移机制及活化转移的应力排序问题:虽然目前对常量元素的在地下流体特别是热流体的迁移规律有了相当一致的认识,但由于强应变条件的加入,改变了元素的地球化学性质,目前的认识还不统一,甚至相反,这主要是对不同变形等级的岩石没有进行系统的比较研究所致;韧性剪切带作为研究对象,对韧性剪切带流变学特征和岩石地球化学开展深入系统的研究,探讨韧性剪切带的发生、发展和演化过程中与之同步的岩石化学组成的活化迁移作用。

把韧性剪切带糜棱岩的形成作用与元素(同位素)的变化机制联系起来。

(3)系统研究剪切变形作用过程中岩石化学组成的微量和稀土元素变化,讨论强变形条件下岩石中微量儿素的活化和迁移规律,深入探讨微量元素迁移的动力控制,包括稀土元素配分变化的应力制约以及应变矿物晶格化学变化行为及其对其寄主的变形岩石元素在应变过程中迁移变化的制约和影响。

(4)从理论上探讨天然强剪切应变条件下岩石中组分活化、转移与应力(应变)的因果联系,为深入探讨韧性剪切带动力成岩(成矿)作用提供理论的科学依据,为探讨中、下地壳中韧性剪切带的形成和演化提供科学依据(如韧性剪切带金的富集),同时为韧性剪切变形作用条件卜成岩、成矿地球化学作用提供理论和实验依据。

(5)现代分析技术如激光同位素原位分析以及激光ICP-MASS分析技术对研究变形域内的岩石(矿物)的元素和同位素的活化迁移规律,对深刻揭示糜棱岩化过程中的元素活化迁移机制提供更高质量的地球化学证据具有重要的作用。