铜陵凤凰山岩体接触带构造变形特征 张达, 吴淦国, 李东旭 (中国地质大学 地球科学与资源学院, 北京 !"""#$) 摘要: 通过对凤凰山岩体接触带的变质与变形特征、 显微构造及变形缩短量的计算, 分析了凤凰山 岩体侵位与接触带变形及区域变形的关系.通过接触带变质矿物变形特征的研究, 揭示了热变质作 用与侵位变形的同时性; 接触带构造变形研究表明, 岩体周围发育的流变褶皱、 韧性剪切带、 压溶缝合 线等与岩体左旋上升与汽球膨胀侵位有关; 围岩缩短量的计算结果表明, 岩体侵位过程造成强烈的围 岩缩短是一种强力侵位机制.研究表明, 凤凰山岩体侵位是在区域 %%& 向水平左旋剪切应力场作用 下完成的.岩体接触带变形是 %%& 向水平左旋剪切应力与横向推挤的侵位应力联合作用下形成的. 关键词: 凤凰山岩体; 接触带构造; 侵位构造变形; 侵位机制 中图分类号: '() 文献标识码: * 文章编号: (+""!) 收稿日期: 修订日期: 基金项目: 国家重点基础研究发展规划资助项目 作者简介: 张达 (!/-,— ) , 男, 副研究员, 博士后, 主要从事构造地 质研究. 花岗岩体的侵位机制和岩体内部构造及接触带 构造关系密切.研究花岗岩体构造及接触带构造特 征有助于弄清岩体的侵位机制, 从而更进一步探讨区 域地球动力学机制.由于岩体内部构造变形较弱, 野 外很难精确测量宏观的构造面理及线理.而花岗岩 体接触带围岩由于受到侵位过程中的 "热软化" 作用, 有利于接触变质带的变形集中, 在围岩中形成大量的 和岩体侵位有关的小型构造.因此对围岩构造的研 究就显得非常重要.由于凤凰山岩体内部构造较微 弱, 因此相对较为发育的岩体接触变质带变形特征可 以作为探寻岩体侵位动力学模式的窗口. 本文通过对区域构造变形及岩体接触热变质、 接 触带构造变形、 显微构造及应变型式的研究, 试图为 建立岩体侵位模式提供依据. ! 区域地质背景 研究区地处长江中、 下游金属成矿带铜陵多金属 聚矿区内.构造上位于大别造山带与江南地块之 间的下扬子台褶带贵池—繁昌断褶束中段 (图!) . 北东向的复式褶皱及近东西向的基底断裂形成区内 图!区域大地构造略图 0123! 456 7869:5 ;<= >? @621>AA1:7 的主要构造格局, 北北东向及北西向构造与早期构造 的复合, 形成一系列的构造岩浆岩带.这些岩浆岩成 为铜陵矿集区的主要成矿来源 [!] .凤凰山岩体、 铜官 山岩体、 狮子山岩体、 新桥岩体是区内的主要成矿岩 体.凤凰山岩体呈长轴近 &C 向的椭圆形岩株状产 出, 面积近 !" 8;+ , 岩石主要类型为花岗闪长岩 (中部) 、 石英二长闪长岩 (边缘) , 岩体中央有一岩性为石 英二长闪长岩残留顶盖, 说明岩体剥蚀程度不大.围 绕凤凰山岩体周围出露从志留纪到中三叠世的地层 (图+) , 其中以二叠系至中下三叠统的灰岩为主. 第#卷第 $ 期+""! 年/月地学前缘 (中国地质大学, 北京) &<@95 D:16A:6 0@>A916@7 (E51A< FA1G6@719H >? .6>7:16A:67, I61J1A2) K>B3# %>3$ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! D6=3 +""! 图!凤凰山矿田地质构造略图 0 $(/1/$#*-1 2)34*)43(2 /0 "(5$+4-5$2+-5 /3( 0#(16 7—三叠系中统月山组; !—三叠系中下统; 8—二叠系; 9—石炭系中下统; :—泥盆系上统; ;—志留系; <—石英闪长岩; =—花岗闪长岩; >—接触变质晕界线; 7?—岩体边界; 77—岩相分界线; 7!—韧性剪切带; 78—流变褶皱枢纽; 79—中型背向斜轴迹; 7:—断裂; 7;—压溶缝合线; 7<—流变褶皱素描; 7=—剪切流劈理素描; 7>—石香肠构造 研究区构造以凤凰山 "&" 状复式向斜为主, 凤凰 山岩体侵位于其核部.构造复合分析的结果表明 [!] , 该区经历了印支、 燕山及喜马拉雅构造旋回, 形成四 期主要的构造变形.@7 形成 AB 向隔档式的凤凰山 复式向斜, 向斜两翼伴生有 AB 向的层间滑动构造, 主要形成于印支晚期; @!形成于燕山早期, 产生 AAB 向的开阔宽缓褶皱叠加在早期 AB 向褶皱之上, 初步 形成 AAB 向的左旋韧性逆断层; @8形成于燕山晚期, 形成大量的中小型褶皱, 在先存的 AB、 AAB 向韧性断 裂的基础上进一步形成韧性剪切带, 伴随有岩体的侵 入; @9为侵入后构造变形作用, 主要为 AC 向断裂及 &A 向的节理带, 充填有正长岩脉及辉绿岩脉. ! 接触热变质作用 凤凰山岩体由于接触热变质作用以岩体为中心 形成环带状分布接触变质晕, 形状呈轴向近北东的椭 圆形, 和岩体形状近似, 平均直径约 : ',,北部宝山 陶、 金山冲一带最宽处达 8 ',, 平均 ! ',.南部江家 冲、 清水塘一带平均达 7D: ',,东面仙人冲、 大元岭 和西侧的万迎山一带宽度平均为 ?D: ',.接触变质 晕内为二叠纪及三叠纪灰岩,易受岩体侵位热力作 用而发生各种变质作用, 同时引起接触变质晕的热软 化.经过野外观察和室内薄片鉴定, 根据热变质带中 不同的变质矿物组合, 热变质作用以岩体为中心具分 !!9 张达,吴淦国,李东旭 E 地学前缘(B-3)+ &*#(5*( "3/5)#(32) !??7, =(8) 带性.可分为内侧和外侧两部分.其中内侧离岩体 较近, 为三叠纪泥灰岩及钙质页岩, 受热力变质作用 形成, 主要变质矿物有透辉石钙铝榴石角岩 (组分有 石英、 钾长石、 透辉石、 钙铝榴石及少量方解石) 、 透辉 钙铝榴石大理岩 (组分有方解石、 透辉石、 钙铝榴石) , 反映的温度范围为 !""#!"$.外侧主要以方解石为 主要变质矿物, 另有透闪石柱状变斑晶, 岩石以大理 岩为主, 反映温度范围为 %""!""$.因此岩体接触热 变质分带性和温度分带性相关,与岩体热力的扩散 规律吻合. 在岩体周围木莲冲、 金牛洞、 清水塘等地都能发 现变质作用和变形作用同时作用特征.方解石颗粒 由于受热变质而出现重结晶, 并在岩体侵位应力场作 用下出现矿物颗粒的定向排列.在岩体内侧变斑晶 受左旋剪切作用而呈眼球状,也反映了变质作用和 变形作用的同时性.接触变质作用产生的变质矿物 如方解石、 斑晶显示出和岩体侵位同构造生长特征. % 接触带变形特征及显微构造分 析 接触带一般包括岩体边缘 (内接触带) 及围岩部 分 (外接触带) .对于岩体内部构造笔者在有关文献 中已有论述 [&] , 本文将重点分析外接触带变形特征. 凤凰山岩体接触带构造分布在岩体周围接触变 质晕内 (图&) , 构造类型多样, 详细的构造填图及构 造分析,对研究机制及侵位动力问题无疑是有意义 的.认为由于岩体侵位而引起接触变质带的 热软化从而导致流变作用的不均一性,有利于接触 变质带内的变形集中 [%] .笔者通过 - . - 万详细的围 图%宝山陶泥质条带灰岩流变褶皱剪切滑动面素描 /0)1% 23,456 78 96,(* 9'0+0:) 8(5, 78 *6,7'7); 87'+ (4 <(796(:4(7 岩及接触带构造填图,发现岩体接触带灰岩中发育 一系列和侵位关系密切的变形构造, 主要构造样式有 褶皱、 韧性剪切带、 石香肠构造、 岩层变陡以及透镜体 构造. !"# 褶皱 褶皱是岩体周围典型的构造变形现象, 分布整个 岩体周围, 靠近岩体一侧发育流变褶皱, 外侧发育尖 棱褶皱.其中北部宝山陶、 西南金牛洞、 药园山一带 发育最密集. 木莲冲三叠纪灰岩中发育流变褶皱, 轴面产状 枢纽产状 轴面走向近东西和岩 体边界近一致, 根据轴面和层面所夹锐角方向指示了 右旋剪切; 宝山陶一带具相似褶皱特征, 轴面倾角大 于#">, 走向上和接触界面一致,枢纽倾伏角一般大 于!">,大多为倾竖褶皱.根据褶皱轴面和岩层关系 判断岩层具右旋剪切特征, 图%显示出流变褶皱中的 剪切滑动面,剪切方向为右旋, 这种剪切滑动面可能 和岩体侵位过程中的左旋上升有关.在岩体西南部 的金牛洞一带的条带状灰岩及大理岩中发育接触带, 和岩体侵位关系密切.褶皱形态具相似性,轴面倾 角较大, 和岩体边界总体一致, 反映岩体整合侵位特 征.同时褶皱枢纽近直立, 倾伏角一般大于 #">.轴 面和岩层所夹锐角指示右旋剪切, 反映出紧邻侵入体 图@药园山卷扬机旁流变褶皱剖面素描 /0)1@ 23,456 78 *6,7'7); 87'+ (4 A(7;B(:96(: 的围岩 (灰岩) 在受区域应力场作用的同时, 由于岩体 的左旋侵位而形成的构造变形相对较强烈.药园山 一带凤矿卷扬机附近, 见条带状灰岩中存在两种类型 的流变褶皱: 一组枢纽相对较缓, 枢纽倾伏角从 -#%@> 不等 (图@) .这一现象同时反映了岩体的一种斜冲 机制, 由于岩体从深部向上运动过程中是以螺旋状上 升的,这种上冲必然会对围岩造成一种上冲力, 而使 围岩地层发生褶皱.另外也存在一组枢纽相对较陡 的流变褶皱, 和岩体左旋侵位有关.此外在大元岭、 清水塘白云质大理岩中发育尖棱褶皱轴面, 走向分别 张达,吴淦国,李东旭 C 地学前缘(D(*46 250,:5, /*7:40,*9) &""-, E(%) &&! 为!!"、 #"", 枢纽倾伏角大于 $%&, 与远离接触带围 岩力学性质变化有关.笔者系统测量了接触带内各 种类型的褶皱要素, 如轴面、 枢纽、 两翼产状, 将所测 数据在吴氏网上投影.图$中'( 分别为宝山陶、 金图$接触带褶皱轴面极点 ()) 及枢纽 产状 (*) 吴氏网投影 +,-.$ /010 2,)-3)4 05 )6,)1 71)89()))82 :,8-9 );;,;<29=(*)05 >08;)>; 5012 '), '*—宝山陶; ?), ?*—金牛洞; (), (*—药园山 牛洞、 药园山各 @% 个点的轴面 (A) 和枢纽 (B) 产状的 吴氏网投影,结果显示轴面走向的岩体接触带平行 且倾角较大, 枢纽产状的投影较集中于中心,说明枢 纽倾角较大.药园山观测数据反映出由于岩体上升 和左旋而造成的两组流变褶皱的枢纽产状. 以上简要描述了分布于岩体周围接触带中的各 种类型褶皱特征, 可以得出: (') 流变褶皱轴面和岩体 接触界线近一致, 并呈右旋剪切, 反映了岩体整合的 侵位特征. (?) 褶皱枢纽大都较直立,说明岩体的旋 转运动占主导地位,同时药园山一带的褶皱特征反 映了岩体的一种斜冲机制,因此整体上岩体是螺旋 式左旋上升的. (() 根据流变褶皱运动学特征及显微 构造特征可以得出这些流变褶皱的形成主要是由岩 体侵位导致的. !"# 压溶缝合线 在宝山陶以东三叠纪南陵湖组灰岩地层中发育 较为密集的大理岩压溶缝合线 (图?) ,这种压溶缝合 线由于受到顺层剪切作用而发生歪斜,形成同斜流 变褶皱.根据缝合线包络线走向和缝锥夹角判断, 剪 切方向为左旋,和区域左旋剪切应力场特征一致, 说明围岩变形在受岩体侵位构造应力场作用的同时, 也受控于区域左旋剪切应力场作用, 是一种联合作用 的动力学机制.岩体在这种区域左旋剪切构造应力 场作用下侵位表现为外旋 (即左旋) 主动的旋转上升 机制.因此岩体周围地层出现的压溶缝合线所反映 的左旋剪切作用可能对应于岩体侵位的区域构造应 力环境. !"! 韧性剪切带 大量研究表明, 大型韧性剪切带是岩体侵位的主 要动力环境 [@, $] .凤凰山岩体接触带发育广泛的韧 性剪切带,主要分布在岩体东西两侧及岩体南北的 部分地段. 东西两侧的 !!" 向韧性剪切带分别为西侧的朱 家山—朱山脚—万迎山带及东侧的仙人冲—大元岭 —横山岭带, 控制岩体东西部边界; 东西两侧的韧性 剪切带和区域性的 !!" 向断裂带协调一致, 和岩体 侵位具同时性, 控制着凤凰山岩体的上升及就位 [?] . 宏微观构造分析表明, 区域韧性剪切带主要表现为左 旋剪切作用, 是外旋 (左旋) 主动的主要边界条件. 由侵位作用形成的剪切带集中在岩体北缘木莲 冲—宝山陶—金山冲及南缘金牛洞—相思树—清水 塘一带.这两条韧性剪切带较窄, 空间上和岩体边缘 平行.该剪切带主要表现为密集的流劈理, 倾角较 陡.由于受到岩体侵位热力影响,方解石颗粒具静 态重结晶,同时受到侵位应力影响,出现方解石颗 粒机械双晶, 在应力作用较强处显示方解石颗粒的扭 折变形.变形岩石表现为钙质糜棱岩.由于劈理化 强烈, 在带内出现强烈的劈理置换层理.同时, 钙质 糜棱岩中的显微 #CD 组构特征反映该剪切带具右旋 剪切特征 (图?) .流劈理一般在岩体边缘最发育,而 远离岩体边缘则逐渐消失.显微构造显示, 在接触带 钙质糜棱岩中方解石颗粒压扁拉长,定向排列,长 轴方向与流劈理方向一致; 往外则方解石颗粒变大, 极不规则, 具弱定向性.颗粒三边呈 '?%&接触, 变形 较小,足以证明韧性变形在岩体边缘最大, 反映了岩 体侵位对围岩变形的直接影响. 总之,在左旋剪切应力场作用下的岩体侵位和 围岩变形具协调性.围岩韧性剪切带变形及显微构 造反映了岩体左旋强力上升的侵位机制. !"$ 石香肠构造 在北部宝山陶,紧邻岩体边缘发育由于拉长剪 切而形成的石香肠构造,石香肠呈雁列排列 (图?) . 由于岩体在就位过程中发生膨胀,使围岩地层受到 垂向挤压,而在平行接触带方向发生张剪作用,剪 切方向为右旋,而形成石香肠.这种石香肠构造在 金牛洞一带也较发育.因此它反映了在凤凰山岩体 ??E 张达,吴淦国,李东旭 F 地学前缘(")3;: #>,98>9 +308;,93=) ?%%', G(() 膨胀侧压及左旋上升复合作用下, 围岩地层产生右旋 剪切,这样就造成围岩中强硬层被拉断并伴有右旋 剪切作用而形成石香肠构造. !"# 岩体围岩地层由于侵位而变陡 由于岩体侵位的推挤作用,在岩体周围的三叠 纪地层都因此而变陡立.离岩体越近,倾角越高陡, 形成一倾向岩体的弧形挠曲带,倾角从 !"#变成近 $"#左右. !"$ 透镜状构造 岩体北部接触带木莲冲一带紧靠岩体边界的二 叠纪围岩中, 发育左行斜列的透镜状构造 (图%) ,反图%木莲冲透镜状构造素描 01 2-34.-43, 5- 647'58./08( 映左旋剪切变形, 透镜体由角岩、 角页岩组成, 和区域 左旋剪切应力场一致. 9 接触带岩层的水平缩短作用 由于岩体在侵位过程中,不断地向外扩张膨胀, 而占据一定的空间.这些空间必然由围岩缩短来提 供,因此笔者选择了接触带岩层中的褶皱压溶缝合 线作为计算围岩缩短量的标志物. %"& 利用褶皱计算缩短量 褶皱的各种要素, 如翼间角、 两翼长度, 都能反映 围岩大小.笔者重点测量岩体周围和侵位有关的流 变褶皱的要素,主要用来估算接触带岩石的缩短程 度, 借以推测侵入岩体的膨胀值.如图 : 假设岩层褶 皱后不发生体积改变, 设岩层原长为 !, 褶皱后各翼 长分别为 !;, !!, !<,则 设平行于原岩层方向长度为 ",则 翼间角为!, 则">!;2'8 ( !$ !) = !!2'8 ( !$ !) = !<2'8 ( !$ !) > ( !; 2'8 ( !$ !) 则岩层缩短百分比为 (! ? ") [ · 2'8 ( !$ !) ] 2'8 ( !$ !) 根据以上原理,笔者对垂直于凤凰山岩体接触 带的金牛洞剖面上的 9 个点近 9" 个褶皱要素进行系 统测量, 并将测量数据按上述原理进行处理, 结果见 表;.计算围岩缩短量平均百分比为 <$@:A, 并且距 接触带越远, 缩短量越小, 说明岩体侵位的同时不断 产生体积膨胀, 通过围岩缩短作用而产生强力侵位. 表&金牛洞剖面褶皱翼间角及岩层缩短量计算结果 B5C7, ; B/, D574,2 01 '8-,37'EC 58(7,2 01 107F2 58F -/, 2/03-,8 D574, 01 .08-5.- 30.+ 点位 测量 序号 翼间角 !G (#) 缩短量 ; ? 2'8 ( !G!) 点位 测量 序号 翼间角 !G (#) 缩短量 ; ? 2'8 ( !G!) H HI; !9 "):$! HI! HI< 9! ")%9! HI9 <9 "):"J HIK 9J ")K$< HI% 99 ")%!K HI: !J "):KJ HIJ !H 9%9C A%AH ; :A%! H ;A > !9 A%@< A%A< I :A%! 99 9@ > I! A%:! A%:< @ :A%! 9!%: @ > 9! A%AC A%HC H 结论 通过分析凤凰山岩体接触带的变形与变质作用, 可以说明以下几个问题: (9) 受岩体侵位的热动力影响,接触带变质作用 具分带性,表现为不同的变质矿物组合和不同的温 压条件对应. (:) 接触带褶皱轴面走向和韧性剪切带中流劈理 走向与岩体边界协调一致, 反映岩体整合侵位特性. (;) 接触带构造可分为两类: 一是与区域水平应 力有关的构造, 包括岩体东西边界的北东向韧性剪切 带及压溶缝合线; 二是与岩体侵位有关的构造, 如岩 体南北边界的韧性剪切带、 流变褶皱及其他构造.这 些构造的运动学特征表明, 岩体是在区域左旋剪切应 力场作用下岩体左旋旋转以及螺旋上升的气球膨胀 就位机制.这种旋转上升以外旋 (围岩) 主动为特征. (I) 接触带围岩发生水平缩短,缩短量的平均百 分比为 ;C%!D,最大缩短量为 CA% ;D,更进一步证 明岩体的膨胀机制,膨胀主动侵位占据的空间由围 岩缩短提供. 参考文献: [ 9 ] 安徽省地质矿产局% 安徽省区域地质志 [J] % 北京: 地质出版 ::< 张达,吴淦国,李东旭 ? 地学前缘(K,+*0 L2#1.21 "+-.*#1+)) :AA9, <(;) 社, !"#$% [ & ] 李东旭, 高林, 刘文灿 % 花岗岩类岩体构造及其侵位机制研究 ['] %中国地质学会编% "七五" 地质科技重要成果学校交流会议 论文选集 [(] % 北京: 北京科学技术出版社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