香肠构造的研究概况

第一节　香肠构造的研究概况

香肠构造由比利时人Lohest等（1908）首次系统化论述，用来描述比利时巴斯托尼（Bas-togne）地区夹在下泥盆统页岩中酒桶状展布的石英砂岩，而这一现象之前Ramsay和Salter（1866）已经大略观察与描述过。从那时起的100多年来，香肠构造的研究取得了巨大的进展。构造样式已从最初单一的酒桶状香肠构造发展到了今天丰富多彩的构造样式；关于香肠构造形成理论研究已取得了较大的进展；香肠构造的应用研究，如香肠构造与大地构造的关系，与成矿的关系，以及香肠构造流变计的研究等，已经展开。我国著名构造地质学家马杏垣（1965，2004）在描述北京西山的香肠构造时，将藕节状石香肠（肿缩石香肠）纳入香肠构造的范围。本书也认同这一观点，并将探讨香肠构造的形态学及其相应的理论与应用。此处提到的各种石香肠，在后文有详细定义，亦见于图2-1及表2-1。

图2-1　香肠构造分类图（据Goscombe等，2004）

图中边框之间的阴影表示边框内石香肠类型端员之间存在转换联系，FA为剪切带边界，S_p为透入性面理，S_e为香肠层包络面，单箭头指示相对剪切方向

表2-1　石香肠构造分类表

一、香肠构造分类研究

迄今为止，人们对石香肠构造的分类主要根据石香肠构造断面的几何形状来分类。传统的构造样式有酒桶状石香肠、矩形状石香肠、梯形状石香肠、菱形状石香肠、肿缩石香肠、“巧克力方盘”石香肠构造等。此外，人们还对不规则形状石香肠（李应平，2002）、骨节状石香肠（Malavieille和Lacassin，1988）、不对称石香肠构造（Hanmer，1986）、复合石香肠（Ghosh和Sengupta，1999）等做了一定的研究。Goscombe和Passchier（2003）、Goscombe等（2004）从石香肠块体几何形态、香肠层物质分层性和香肠层倾斜度三个方面对石香肠构造进行分类（图2-1）。Twiss和Moores（2007）主要从剖面形态及物质组成的角度对石香肠构造进行分类。但这些分类方案所包含的石香肠类型都不甚齐全。

为了便于野外实践、研究及交流，在前人基础上，结合野外实际观察和香肠构造研究现状，本书对具有较大应变、应力、流变等研究意义的，野外常见的香肠构造端员类型，从香肠构造动力学成因机制复杂程度（主要看是否具有多期性）、香肠体流变性质及其几何形态方面系统分类，并给出了相应的石香肠形态示意图（表2-1）。首先，将所有香肠构造概分为主要受单期次香肠化作用形成的简单石香肠和两期或两期以上香肠化作用成因的复合石香肠两大类；再根据能干层与基质层的黏度比值由大至小将两大类石香肠构造分别划分出三类和两类；最后，主要依据香肠体形态，同时参考香肠构造的物质能干性组成，依次列举出15种指示不同应变、应力、流变等地质信息的石香肠类型端员（不计平行四边形石香肠）。需要说明的是，各力学性质大类内部对应的形态学石香肠类型端员的排列顺序，不指示其能干层与基质层黏度比的相对大小。各石香肠类型端员的具体阐述详见于本书后文不同章节。

至于其他与本分类表给出种类异名同种的、不同端员间过渡的、受后期构造事件严重改造的，或者野外不常见且也不具有特别研究意义的石香肠类型，均未列入。例如西方学者使用较多的多米诺骨牌石香肠即为一列平行四边形石香肠的叠瓦状组合，酒桶状石香肠也称膨凸石香肠，剪切带型石香肠可视为一列平行四边形石香肠向透镜状石香肠过渡的石香肠类型的叠瓦状组合。

随着野外地质资料的积累，新的香肠构造样式不断被发现。关于香肠构造样式的研究，正从经典的规则形态向不规则形态方向完善。与此相适应，关于香肠构造的成因的理论研究和实验研究也在逐步深化。

二、理论研究

香肠构造理论的早期研究者主要有Ramberg（1955）、刘如琦（1963）、马杏垣（1965）、Smith（1975，1977）、Lloyd和Ferguson（1982）、Stromgard（1973）等。目前，不少学者已经较广泛地分析了香肠构造的形成机制，亦探讨能干层和基质的物质组分和黏度（Mandal等，2000）；有的从石香肠的空间形态（厚度比、裂隙比等）上加以分析（Mandal等，1994）；有的对比能干层遭受的应力状态、石香肠断裂的性质和方向（Mandal和Khan，1991；Kidan和Cosgrove，1996）；其中很多分析都结合了模拟实验。

在断裂石香肠的成因研究上，Lloyd提出的应力转换模式（Lloyd和Ferguson，1982）得到了广泛的认同。该模式认为，从能干层边缘至中间，张应力从最小值增至极大值。根据应力转换模式，能干层在张应力作用下，将不断发生中点断裂作用，直至其抗张强度等于中点张应力。同时，这种递进张裂作用受两种因素的控制：①自然界岩层由于其物质组成、分布的不均匀和各种局部小构造的存在，往往表现出多个抗张极限；②岩层中先存的局部缺陷会影响断裂部位的分布。

在分析单层断裂石香肠的形成机制时，Ramberg（1955）假定压应力作用下，厚为t₁弹性能干层夹在两片厚为t₂的黏性层中，提出了断裂石香肠几何宽度与岩石流变参数之间的关系式：

式中：l为断裂香肠体宽度；S_L为能干层的抗张强度；6e为垂直层面方向的应变速率；η为黏性层的黏度。

Kidan和Cosgrove（1996）在实验研究中发现，多层能干层夹在基质中，在垂直层面的压应力作用下，可以发生两种断裂：张裂和剪裂。自然界中常见的现象为张裂型石香肠。同时在实验中还发现，在变形的任一时刻，张破裂的数量与能干层厚度成反比；石香肠的宽度与能干层厚度成正比，且随着应变的增加而减小，Zulauf　G（2011）研究了“巧克力方盘”香肠构造后也得出相同的规律。

Mandal等（2000）从动力学的角度，将多层岩层在垂直层面的压应力作用下形成的石香肠分为三类：张破裂石香肠、剪破裂石香肠和张剪性破裂石香肠。通过理论分析实验验证，得出如下结论：石香肠的类型由层厚比T_r＝t_b/t_d和强度比F＝T/2ηε决定，当T_r＜4.5或F＞0.8时，形成矩形断裂石香肠；当T_r＞8.5或F＜0.5时，形成剪破裂石香肠；当4.5≤T_r≤8.5或0.5≤F≤0.8时，形成张剪性破裂石香肠。在多层石香肠的研究中A_r＝W/H即石香肠的宽度和厚度比一直吸引着研究者的注意。Mandal也对此作了一定的研究，并指出张破裂石香肠的A_r一般大于1，而剪破裂石香肠的A_r一般小于1。

在石香肠的研究方法上，传统的方法有岩石学和几何形态学分析、岩石实验、光弹实验等物理模拟、数值模拟等，其中物理模拟是较常用的研究途径。在研究比利时巴斯托康地区石香肠的形成和演化时，Kenis等（2002）从流体包裹体的角度作了一定的探索，研究表明，该区石香肠在形成过程中，流体压力对岩层的破裂也起了很大的作用。Zulauf　G等（2011）综合分析了香肠构造的几何形态、显微构造及流体包裹体，从而研究葡萄牙西南海岸Almograve地区的“巧克力方盘”香肠构造的动力学成因，表明其由褶皱递进缩短变形中最小主应变轴（c轴）与中间应变轴（b轴）的方位调换产生的，同时也得出香肠体的宽度值大小不是受控于伸展破裂而是其颈缩作用（详见第二章第八节）。

香肠构造的实验研究主要有岩石实验、物理模拟和数值模拟等方法。以往的香肠实验研究往往从两个方面着手：一是强调能干性的差异；二是强调力学作用机制，这对于反演石香肠的形成演化是可行和必要的。Grigg和Handin（1960）用天然岩石模拟了石香肠，他们用石灰岩圆筒包裹内径的白云岩，在平行长度方向的拉力作用下，发现内径流动性差的白云岩发生了断裂。石香肠形成演化的力学作用机制甚至引起了一些金属学家的兴趣，Nadai（1950）将金属杆在拉伸应力作用下的断裂和细颈化视为与断裂石香肠、肿缩石香肠相类似的“石香肠”。Ramberg（1955）和Woldekidan（1982）则使用了模拟岩石的实验材料来模拟石香肠，他们分别用塑性黏土和油灰模拟了能干层和基质，通过调节两者的强硬度对比得到了形态各异的断裂型、肿缩型和透镜型香肠构造。Sowers（1972）和Woldekidan（1982）用光弹材料来模拟石香肠的应力分布情况，结果发现，香肠断开或者细颈化的部位往往是应力集中的区域，而且这种应力集中的区域呈规律分布，从实验的角度论证了应力转化模式及中点断裂理论。

20世纪70年代以来，计算机和有限元法的应用为模拟复杂力学行为的变形提供了有效的手段。Stephenson和Berner（1971）以及Selkman（1978）模拟了弹性矩形能干层在基质中的变形，并分析了香肠体颈部的应力分布情况，但是由于基于能干层的弹性行为，他们只能模拟香肠体很小的变形，带有明显的局限，且与实际材料的力学行为不相符合。Lloyd和Ferguson（1981）改进了Stephenson和Berner（1971）以及Selkman（1978）的实验，他们考虑到岩石在一定温压条件下是弹塑性的力学行为，因此基于能干层的弹塑性力学行为模拟了矩形香肠体的变形，结果表明，能干层的应变软化临界值在很大程度上控制了香肠体的变形，他们的另一个贡献是模拟了香肠体变形的多个发育阶段，给出了较为完整的变形系列（Lloyd和Ferguson，1982）。

Treagus和Lan（2000，2003，2004）利用Lan和Hudleston（1991，1996）以及Hudleston和Lan（1994）改进的适用于构造分析的有限元模型模拟了方形石香肠置于基质中的纯剪切变形和简单剪切变形。Treagus和Lan（2000）选用线性和非线性黏性材料模拟了方形石香肠的纯剪切变形，通过分析认为在野外无法区别二者。当香肠体与基质黏度比大于1时，石香肠变成对称鱼嘴状，Treagus和Lan（2004）给出了根据石香肠边缘鱼嘴的凹陷程度求取黏度比的方法；当黏度比小于1时，石香肠变成骨节状或拉长叶片状，此时黏度的大小对变形的影响比较小；他们总结后认为发育鱼嘴状香肠比较适中的黏度比为3.5～5。Treagus和Lan（2003）对方形石香肠的简单剪切变形也完成了有限元模拟，其部分数字模拟的结果与倾斜方形的纯剪切变形惊人地相似，这也表明简单剪切可以分解成纯剪切和刚性转动。这些研究成果也可用于砾岩、角砾岩中的碎屑、变斑晶和残碎斑晶。

Mandal等（1991，2007）结合物理模拟和有限元模型模拟得出了假设香肠体为刚体前提下的菱形石香肠构造的纯剪切及简单剪切两种成因模式。Kenis等（2006）采用有限元模型模拟骨节状香肠构造，结果表明：骨节状香肠体形态与其能干层伸展程度、初始断块长宽比及骨节缝脉体与能干层能干性比相关，而与变形前基质层规模、能干层所受应力及能干层和基质层黏度比无关，其中骨节缝脉体黏度最大，基质层的最小，能干层居中，也就是说，骨节状石香肠可作为一种多矿物岩的流变计。Maeder等（2009）则通过有限元模型对骨节状香肠构造、多米诺骨牌香肠构造及不对称香肠构造的模拟，得出了这些香肠构造能干层与香肠体缝充填脉相对于基质层的黏度值及能干层界面运动学涡度值的区间分布，十分突出地反映了香肠体缝充填脉体流变学性质在对香肠构造样式的重要影响，当其黏度小于能干层与基质层时，发育多米诺骨牌香肠构造或缩短型骨节状香肠构造；当大于能干层与基质层时，则发育骨节状香肠构造、酒桶状香肠构造或不对称香肠构造。

国内，早期刘如琦（1963）、马杏垣（1965）分别考察了湖南长沙岳麓山砂岩组中香肠构造与北京西山地区的香肠构造，其野外考察着重岩石学和几何形态学观察，并初步分析了两地区各类香肠构造的成因机制。牛树根和孙爱群（1991）在国外学者研究的基础上介绍了骨节状香肠构造的构造特征与运动学意义。吴树仁和金振民（1992）分析了湖北铁山地区的香肠构造的断面形态和组合特征，且通过矩形石香肠进行了有限应变测量，为恢复该地区的构造应变场及石香肠的形成机制和构造意义的探讨积累了资料。吕洪波等（2006，2011）和Lu等（2006）描述了他们在滑塌沉积层中发现的同沉积石香肠构造（Selley，2000），并认为其可作为古地震事件的指示标志。在前十多年间，本课题组的曾佐勋和付永涛（1996，1997）、曾佐勋等（1999，2001）、樊光明等（2000，2002）、徐云峰和曾佐勋（2002）、徐云峰等（2003、2005）、蔡永建等（2004）、储玲林和曾佐勋（2004）、储玲林等（2006）、吴武军等（2004a、b，2005）、张志勇等（2006）、张鲲等（2007）、林彦蒿和曾佐勋（2010）、吴林波等（2011，2012）等从几何形态学、运动学、动力学、岩石学、流变学、实验研究等多个角度对北京西山、湖北铁山等地区的各类香肠构造进行了详尽的研究，本书将在后文的主体部分一一阐述这些研究成果。

上述研究都是从香肠构造形成的内在动因——香肠体、基质及香肠体间隙充填脉的流变差异出发的，但地质作用是复杂的，还有很多因素暂时在物理模拟和数字模拟中都没有来得及考虑，有待进一步研究。比如材料的各向异性、石香肠和基质界面的滑动与接触条件、应力作用时间与应变速率，香肠体与基质的厚度大小比例等都是影响香肠体变形的重要因素。

三、应用研究

在做香肠构造理论研究的同时，其应用研究也逐渐得到展开。近年来，越来越多的研究者注意到了香肠构造与大地构造样式的相似性（Lacassin，1988；Gartrell，1997；Gueguen等，1997；Klepeis等，2007；Price和Raymond，2009），并将其引入了大地构造研究。例如Gartrell（1997）通过模拟实验研究了断陷盆地与低角度拆离断层演化过程中石香肠化的作用。

Gueguen等（1997）研究了西地中海弧后盆地的岩石圈尺度的石香肠构造。我国学者朱介寿等（1997，2004）在国家自然科学基金项目“中国及邻区地球内部各圈层三维结构及地球动力学”研究中，首创性地将东亚及西太平洋地区的岩石圈划分为八种结构样式，将香肠状结构、藕节状结构分别列为八种结构样式之一，并进一步论证了华北地块为香肠状结构，菲律宾板块为藕节状结构。

同时，香肠构造的控矿意义也引起了人们极大的兴趣。如Aerden等（1991）对罗斯伯里地区（Rosebery）的香肠构造的控矿原理作了初步研究，提出了两种香肠构造控矿模型。其模型之一为：香肠构造形成过程中，能干层遭受平行于层面的拉伸作用（既垂直层面的压缩），由于力学性质的不同，能干层与软弱层之间形成裂隙和间隔，同时，能干层在应力作用下生成缩颈或断裂，后期的岩浆热液或非岩浆热液沿岩层面和石香肠形成的裂隙运移，最终以充填方式在有利的构造部位富集成矿。Findlay（1994a，1998a、b）研究了西澳Hamersley铁矿省露头尺度的“沉积”石香肠构造。我国的李应平（2002）研究了湖北银洞沟银金矿床发育的香肠构造样式及其成因，初步探索了其控矿作用。

肿缩石香肠因为其含有流变学信息而被列入流变计（Hudleston和Lan，1995；Passchier和Trouw，2005），但其研究一直停留在能判别岩石的非牛顿性方面。曾佐勋和付永涛（1997，1998）利用在北京西山和川西北地区获得的肿缩石香肠野外数据，作了定量流变信息反演方面的初步尝试，提出了定量的香肠构造流变计。

石香肠作为一种典型的B型线理，其在区域应力场分析上的意义早已为人们所熟悉。大量研究表明，显微香肠构造可用于应力应变测量方面（Lloyd和Ferguson，1981；Lloyd，1982；Ji和Zhao，1993，1994；Masuda等，1989，1990，1995b，2003，2004）（详见第三章第六节），这为香肠构造在区域构造定量分析中的应用打下了很好的基础。

在岩石学研究方面，通过对显微香肠构造颈缩区发育的矿物组合的分析，可推断出香肠构造变形阶段的变质条件，并且颈缩区矿物伴随着显微香肠化过程而发生的变质分带现象，也可反映出递进变形过程中变质环境的变化（Misch，1969，1970）。

四、小结

从本节简述的香肠构造研究历史概况与给出的新分类方案来看，香肠构造无疑对岩石乃至岩石圈的几何形态学、运动学、动力学和流变学研究具有重要意义。正因为如此，我们认为不仅要加强对香肠构造的基础理论研究，也要努力探讨它在国民经济建设中的作用，如香肠化在矿产勘查与工程地质灾害防御研究等方面的作用。