“巧克力方盘”香肠构造研究

第八节　“巧克力方盘”香肠构造研究

“巧克力方盘”香肠构造是岩层在相互垂直的两顺层方向上伸展断开形成的，其动力学成因机制仍存在争议。较为经典的模式认为“巧克力方盘”香肠构造是由单期垂直岩层面挤压、平行岩层伸展作用导致岩层沿主应力轴Y、Z同时伸展断裂形成的（Weijermars，1997；Zulauf G等，2003；曾佐勋和樊光明，2008），Lavorante和Ebert（2008）的数值模拟结果也支持这种模式。但Zulauf　G等（2011）和Marques等（2011）对此提出质疑，认为假如该模式正确，由于压扁型应变场在自然界中普遍存在（Pfiffner和Ramsay，1982），那么应该能常见“巧克力方盘”香肠构造发育，可实际很少见；从力学上分析，压扁型应力场产生的石香肠构造应该是放射状或者不规则状的，而不是巧克力方盘状的。另外，垂直岩层压扁型应力场的实验研究成果也与Zulauf等人的质疑相吻合（Ghosh，1988；Zulauf，2004；Zulauf　J等，2011a）。鉴于此，本节拟引入Zulauf　G等（2011）对葡萄牙西南海岸Almograve地区的“巧克力方盘”石香肠构造成因机制的研究成果。

Zulauf　G等（2011）从石香肠构造几何形态学、显微构造、包裹体及伊利石古温度计研究Almograve地区的“巧克力方盘”石香肠构造，并结合前人相关成果得出：该“巧克力方盘”石香肠构造是在先期形成的褶皱发育后期，两翼在递进变形中所受的最大压缩应力轴X方位不变，而另外两主应力轴Y、Z的方位相调换作用产生的。

一、Almograve地区的“巧克力方盘”香肠构造

Almograve地区经历了多期构造事件的演化。第一期变形（D₁）主要形成SW倾向、低角度倾角的开阔-紧闭褶皱，褶皱轻度不对称；第二期变形（D₂）导致在第一期变形基础上形成轴向近竖直的平缓褶皱，局部伴随着轴面劈理S₁的发育（Marques等，2010）（图2-42）。该地区“巧克力方盘”香肠构造仅发育于不对称紧闭褶皱中，其香肠体为石英岩，基质层为富含泥质的板岩，香肠颈缩区充填脉为石英脉，除少数脉体表现为竖直充填脉体穿切水平充填脉体外，大多数是水平充填脉体穿切竖直的（图2-43、图2-44）；其具有“断裂”形态特征，在横切面上表现为酒桶状或者肿缩状（Goscombe等，2003）。将该区水平剖面上（由于在该剖面取样测量易操作）的“巧克力方盘”香肠构造香肠体宽度（Wa）与厚度（Hf）投图（图2-44D）拟合得直线：

Almograve地区褶皱及“巧克力方盘”香肠构造素描（Zulauf　G等，2011）

图中块体长边约5m

图2-43　Almograve地区石炭系中的“巧克力方盘”香肠构造（Zulauf　G等，2011）

照片为层面镜像，镜头指向近垂直于层面，图底边长约7.5m

则香肠体长宽比值（Wd）的计算式为：

据式（2-9）及野外采集的原始数据可算得水平剖面与竖直剖面上W_d的值分别为2.9±1.2和3.06±1.4。

二、显微构造研究

研究区香肠体岩性为不纯的细粒中等分选石英岩，发育变余层理构造，局部发育S₁压溶劈理构造。香肠体中广泛发育的斑点状石英、缝合线及石英颗粒应变影中的石英纤维均指示变形机制主要为出溶-沉淀蠕变（solution-precipitation　creep），此外香肠体石英颗粒中还发育有较多的扭折带、锯齿状颗粒边界、波状消光。

图2-44　Almograve地区“巧克力方盘”香肠构造层面脉体交切特征照片（A、B）和素描（C），以及水平剖面上香肠体宽度（Wa）-香肠层厚度（Hf）投点图（D）（据Zulauf　G等，2011）

“巧克力方盘”石香肠颈缩区石英充填脉体宽度大多为4cm±（图2-45）。其中，大多竖直充填脉中含有至少两期对称排列的石英纤维（图2-45C），第一期石英纤维贴围岩壁排布，宽0.2～0.5mm，其颗粒光性与围岩颗粒连续，表明是相向共轴（syntaxial）生长的；第二期排布在充填脉的中部，宽0.4～2mm，颗粒光性与第一期颗粒连续且自身光性左右贯通连续，表明是“拉伸晶体纤维”（Ramsay和Huber，1983）。竖直充填脉也有只发育一期石英纤维的（图2-45A），其形态类似于上述第一期石英纤维。与大多竖直充填脉一样，水平充填脉普遍发育两期石英纤维（图2-45D），其第一、二期纤维宽度分别为0.1～0.4mm、0.5～3mm，部分第二期纤维含块状石英颗粒，排布方式类似于竖直充填脉。所有充填石英纤维都含有均匀分布或者近平行围岩壁分布的流体包裹体。弱—中等塑性变形的石英纤维长，发育波状消光、变形纹、钮折带及锯齿状颗粒边界，强应变区域的颗粒则主要表现为亚颗粒。

三、变形温度的限定

通过对四块板岩X射线衍射分析获得全岩细粒级组分（＜2μm）含量如表2-7，样品均表现出伊利石为主要矿物成分，通过CIS准则和相关参数算得各块样品的Kubler指数，所得Kubler指数分布在0.37～0.43△2Θ，取平均值0.39，表明变形温度为200～250℃（Ferreiro-Mahlmann，1994），与前人研究成果相吻合（Abad等，2001）。

图2-45　Almograve地区“巧克力方盘”香肠构造颈缩区显微镜下照片（据Zulauf　G等，2011）

图A为竖直颈缩区共轴发育的石英纤维，正交偏光；图B为细粒不纯石英岩被小型竖直石英脉体截切，脉体中含有大量平行于围岩壁的包裹体，围岩及脉体均被两缝合线截切，单偏光；图C为竖直颈缩区中发育的两期石英纤维，正交偏光；图D为水平颈缩区中不规则块状石英晶粒，正交偏光

根据流体包裹体显微温度计原理（Mullis，1976），利用THM　600/S/Geo加热冷却仪和TMS94温度控制仪对分别采自“巧克力方盘”石香肠构造颈缩区两交叉的水平方向（样品号Mn4Hori、Mn7Hori）和竖直方向（样品号Mn4Verti、Mn7Verti）填充脉分析流体包裹体。设定地温梯度为30℃/km时，Zulauf　G等（2011）获得水平填充脉和竖直填充脉的形成温度依次为230±22℃、230±44℃、200±24℃、200±20℃，可见两类脉体形成温度比较接近。

表2-7　不同板岩的X射线衍射测试结果（Zulauf　G等，2011）

四、讨论与结论

Almograve地区的“巧克力方盘”香肠构造颈缩区充填脉的交叉关系反映，其总体上是先期水平方向的颈缩断裂作用形成竖直充填脉，再叠加后期竖直方向的颈缩断裂作用形成水平充填脉（图2-43，图2-44），最终形成该“巧克力方盘”香肠构造。比对前人的研究成果（Ramberg，1955；Smith，1977；Schopfer和Zulauf，2002；Zulauf　J等，2011a），Zulauf　G等（2011）认为该区“巧克力方盘”香肠构造的酒桶状形态及其长宽比（Wd）分布特征（图2-44D），表明不是简单的两期方位相垂直的张裂作用的结果，而是黏性缩颈作用的结果，或者是黏性缩颈作用与随后的伸展断裂作用的叠加产物。

伊利石与流体包裹体显微温度计分析所得出的温度值区间基本一致，均在200～250℃之间。该温度反映的是成岩与近地表变质的（anchimetamorphic）转换环境，假定该香肠构造颈缩区石英纤维中的流体包裹体是在热平衡中形成的，说明石英纤维发育于接近地表变质热峰条件。而显微构造中所表现出的扭折带、变形条纹、波状消光等表明岩石微观变形以位错滑移为主（Zulauf等，2002），与上述变形温度相符。

石英纤维中大量发育平行围岩壁排布的流体包裹体，反映出该充填脉由破裂-缝合机制（crack-seal　mechanism）形成（Ramsay，1980），即石英纤维通过形成较小断裂缝和石英充填胶结裂缝交替作用形成，而沉淀性流体则促进了这一过程（尤其在板岩中）（Marques等，2010）。

结合前人对本研究区和“巧克力方盘”香肠构造的研究（Casey等，1983；Marques等，2002；Reher等，2010），Zulauf　G等（2011）认为Almograve地区石炭系石英岩与富含泥质的板岩互层中的“巧克力方盘”香肠构造形成于该区D₁期褶皱作用的后期（图2-46）。D₁期褶皱受近水平挤压作用力和轴向伸展作用产生，两翼逐渐变陡（图2-46B）；当D₁期褶皱发展到紧闭-同斜褶皱时，最大主应力近垂直于层面，最小主应力方位与中间主应力的互换，变为近平行于岩层走向，岩层近平行于走向发生第一期伸展颈缩作用（图2-46C）；之后，在最大主应力方位基本不变的情况下，最小主应力与中间主应力方位再次互换，岩层近垂直走向发生第二期伸展颈缩作用，形成“巧克力方盘”香肠构造（图2-46D）。

由本节研究可看出，Almograve地区的“巧克力方盘”石香肠属于脆韧性复合石香肠范畴。吴树仁和金振民（1992）通过对铁山地区的“巧克力方盘”石香肠的野外观察与分析同样表明，该类石香肠是由两期近于垂直的单向拉伸作用形成的；结合他们给出的三维形态素描图，发现在二维剖面上，既存在完全为断裂石香肠组合而成的“巧克力方盘”石香肠，又存在由肿缩石香肠、透镜状石香肠、不规则脆韧性石香肠组合而成的“巧克力方盘”石香肠。马杏垣（1965）在北京西山地区报道的“巧克力方盘”石香肠在剖面上均表现为矩形石香肠。Ghosh（1988）的物理模拟研究显示这类石香肠可由实验材料呈脆性破裂而成。可见“巧克力方盘”石香肠既可表现为脆性复合石香肠，也可为脆韧性复合石香肠（表2-1）。

图2-46　Almograve附近的褶皱和“巧克力方盘”香肠构造的多相演化模型（据Zulauf　G等，2011）

深灰色和浅灰色箭头分别表示最大、最小主应力；图A为变形前的页岩层与石英岩层序列；图B为水平挤压导致的岩层褶皱化和翼部产状变陡；图C为最大挤压主应力方位不变，最小和中间主应力方位互换；图D为最大挤压主应力方位不变，最小和中间主应力方位再次互换

天然不规则盘状石香肠（表2-1）迄今鲜见有报道，主要是作为论证“巧克力方盘”香肠构造动力学成因机制的辅助论据而被提及，物理模拟研究（Zulauf　J等，2011a、b）表明其主要形成于最大主应力方位垂直于岩层面的压扁型应力场中，属于脆性石香肠。

回到本节前面关于“巧克力方盘”石香肠构造动力学成因机制的争论中。Zulauf等人通过对天然露头的研究及实验模拟分析，提出并证实了最小主应力与中间主应力方位调换导致该类香肠构造形成的模式；Ghosh（1988）的物理模拟研究也表明“巧克力方盘”石香肠由两期动力作用叠加而成，值得注意的是，他的研究还考虑到由于先期线理存在而导致的能干层强度各向异性对该类香肠构造发育的影响，认为对于香肠化作用之前存在能干性优选方位的岩层，“巧克力方盘”石香肠的第一期香肠体间隙的方位主要受能干性优选方位而非主应力控制，第二期香肠体间隙方位主要受第一期香肠体间隙的控制而与之呈高角度相交。那是否就此下结论认为Weijermars（1997）等提出的经典模型完全错误呢？本书认为，只要岩层的能干性顺层均一，在严格的垂直层面压缩、平行层面沿着两相互垂直方向同轴伸展的作用下，可以形成“巧克力方盘”石香肠，Lavorante和Ebert（2008）的数值模拟结果即为例证；只是由于自然界岩石往往难以满足这些条件，而极少发育由单期构造作用形成的“巧克力方盘”石香肠。

结合各家之言（马杏垣，1965；Ghosh，1988；吴树仁和金振民，1992；Weijermars，1997；Zulauf　G等，2003；Zulauf，2004；曾佐勋和樊光明，2008；Lavorante和Ebert，2008；Marques等，2011；Zulauf　G等，2011；Zulauf　J等，2011a），我们认为：对于顺层能干性均一的岩石，“巧克力方盘”香肠构造主要由两期垂直层面压缩、平行层面单向拉伸，且先期岩层伸展方向与后期的伸展相垂直的构造作用形成，故表2-1将该类石香肠完全纳入复合香肠构造。因此，在面对“巧克力方盘”香肠构造露头时，我们应谨慎地根据其表现出的显微-宏观几何学、运动学等证据推断其具体成因机制。