变质岩区的构造研究

第九章 变质岩区的构造研究

变质岩是三大岩类之一,在地壳上分布广泛,特别是前寒武纪区域变质岩,出露面积几乎占大陆17%,其中蕴藏着十分丰富的矿产。因此,鉴定区域变质岩的古构造型式,研究各级构造对矿床、矿带的控制是一项重要的任务。另一方面,地球科学的许多重大问题,如上地幔的结构、深层岩石的构造变动、地壳和大陆的演化等,都同变质岩区的地质构造研究有着密切的关系。所以,变质岩区的构造研究已成为地质构造学家瞩目的课题之一,也是近年来构造地质学中发展较快的领域之一。

第一节 变质岩区的构造特征

长期以来,对变质岩区构造的认识一直存在着两种对立的观点。一种观点认为,变质岩区,特别是古老的深变质岩区的构造,比沉积岩及火山岩区的构造简单得多,多呈平缓褶皱,或是巨型单斜构造。露头上看到的那些复杂多样的小型褶皱,并不反映构造主体的实质。另一种观点则认为,变质岩区的构造不仅形态和方位极其多样,而且往往是多期变形的产物,它的形成和演化比沉积岩和岩浆岩区的构造复杂得多。变质岩区构造之所以比沉积岩、火山岩区的构造复杂,主要是因为它的形成和演化总是同地壳中各种构造－热事件密切地联系在一起,并在构造－热事件过程中产生了一系列新生的与变质作用有关的构造。

一、变质岩区构造的基本特点

变质岩区构造有如下几个特点。

(一)区域变质期构造是深构造层次的产物

变质岩区的区域变质构造主要是深构造层次的变形。所谓构造层次是指特定变形幕中,由于构造环境的差异,导致岩石变形具有一定的相对层次性(图9—1)。不同的构造层次分别显示不同的主导变形机制。其中,深层次的构造出现于流劈理上限界面以下。在该处,由于地壳位于高温、高压环境,岩石的韧性已大大提高并处于固态流变状态。这时岩层层理将随构造层次的加深愈来愈丧失其主运动面的地位,引起广泛的被动褶皱作用和准弯曲褶皱作用。就是先存的强硬岩层,在平均韧性全面提高的条件下,也会发生强烈的弯曲,构成复杂的紧闭褶皱,甚至形成两翼紧贴的平卧褶皱,在整个变质岩系中构成“褶叠层”(图9—2)。

随着岩石进入更深层次,岩石的变形也越与中高级变质作用、混合岩化及深熔作用交织在一起。结果,不仅形成了区域性片麻理,而且产生大量混合脉岩构成的各式各样的肠状褶皱(图9—3)。

变质岩区韧性变形表现在断裂上,即形成韧性断层。这种变形引起变质岩区出现狭窄的片理带、变晶糜棱岩化带(图9一4A)、顺层韧性剪切带(图9一4B)、两种截然不同变质相带的接触带(图9—4C)、以及狭窄的高于正常的混合岩化带(图9一4D)等等。

当然,在变质岩区漫长的构造发展历史中,同一变形变质体在各次变形幕中所处的构造层次是各不相同的,因而在同一地质体当中,必然会出现多层次的构造特征,表现为多种变形机制形成的构造叠加和多种环境下产生的构造形迹的多相共存。当先存的深层次变质构造进入地壳浅部构造层次以后,构造环境发生了变化,温度、压力相应降低,构造变动也相应转为以弯褶皱为主。如果进入浅层次,则出现大量脆性断裂。变质岩层从深构造层次到浅构造层次,构造变形大都会具有塑性递降的规律。

(二)广泛出现新生的变质构造

在构造－热事件过程中,由于变质和变形的共同作用,强烈地改造了原岩的构造面貌,并在变质、固态流动的过程中产生一系列新生的面状和线状构造,如劈理、片理和线理等等。因而在变质岩石中出现残余构造和新生构造的共存和组合。所谓残余构造,是指原生或前期构造经变形和变质作用改造仍然残存其原来特征的构造;新生构造,是岩石变质变形作用的产物,它具有如下两方面的特点。

1.排列和分布上的规律性 新生构造作为一种强烈应变的产物,其空间排列和分布的规律性往往比原生构造的规律性更明显,因而在一定区段内具有统计上均匀分布的优选方位。

2.与变形岩石矿物内部粒子排列的一致性 新生构造不仅改变了岩石的外貌,而且影响到岩石和矿物内部,使变质岩石内部的组成和组构发生明显的变化,造成了新生面状和线状构造与变形矿物内部粒子排列的一致性;同时,也造成了新生面状和线状构造与其同期形成或紧跟着形成的矿物共生组合之间存在着变质与变形的依存关系。

(三)多期变形变质作用的改造

变质岩区的构造一般都经历过多期变形和变质。前寒武纪的古老变质岩,至今已经历了十几亿以至二、三十亿年漫长的地质历史,经受到多次不同程度的变形和变质作用的改造。即使在较年青的造山带中的变质岩,也常因在一个大的构造旋回中受到多次变形的影响,结果不同世代、不同格局和不同样式的构造相互叠加,造成复杂的交叉干扰图像。

图9—5是一幅两期变形作用的变质岩区构造图。轴向北西的一套褶皱叠加在轴向北东的一套紧闭褶皱之上。在图的东北部,乍看似乎是一套走向北西的单斜岩层,但详细工作确定,其实质是晚期北西向褶皱的片理掩蔽了早期北东向褶皱,西部的晚期构造不太强烈,所以

仍基本保持构造的原来形象。此外,构造叠加现象也表现在断裂的弯曲和沿断裂面的多次多期活动,有时还与混合岩化、脉岩活动等现象交织在一起,使变质岩区早期断裂很难识别。所以,多期构造叠加使变质岩区的构造变得十分复杂,难以研究。

(四)构造型式与岩石变形时代有密切关系

变质岩区大型构造的型式同地壳演化进程是分不开的,不同地壳发展阶段的变质岩构造常常各具独特的构造样式。

一般说来,太古代深变质岩系的主要构造型式是花岗片麻岩穹窿或片麻岩穹窿。不少人认为这种构造是地壳内大量深源物质的上升引起的,与太古代时期构造环境(地壳薄、地温高、地热梯度大)密切相关。这种大规模的复杂窿起在古老地盾中往往成群分布(图9—6)。它们的平面形态常呈浑圆形或长圆形,有时也呈所谓“变形虫”状。直径常达几公里、几十公里乃至上百公里。两翼一般平缓,也可能陡倾,在外缘部位甚至向内倒转,使穹窿拱如扇形。然而,就在这种看来似乎简单的穹窿区内,却隐藏着十分复杂的多期构造。特别是在穹窿的外缘部分和穹窿之间部分,一系列紧密同斜的倒转褶皱环绕着穹窿展布,使古老地盾内部呈现出穹窿与变质褶皱带间列的构造格局。

但是,在一些元古代及以后的造山带里的构造,却以狭长的浅变质褶皱带为主。在这种强应力作用的构造带里,构造作用往往先于变质作用。尽管构造形态和方位有时也很复杂,但在排除了构造的叠加干扰之后,就立刻可以看到,同一次构造应力场形成的褶皱及其伴生的面理和线理,在形态和方位上都具有明显的规律性。例如对河南登封嵩山群及北京西山浅变质岩褶皱带的研究表明,不论组成某一世代的b线理的构造类型和大小如何,它们在一定区域内都具有一定的优选方位,并且与同期的圆柱状褶皱系或平行逆冲断裂系相平行。

总之,研究变质岩区的构造必须与变质作用、混合岩化作用、变质相和变质带的研究紧密结合。关于这一点,在深成变质岩及混合岩化区更应该特别注意。

为了进一步阐明变质岩区构造,下面我们将讨论变质岩层的成层构造、叠加褶皱、构造滑动、断裂及掩蔽不整合。

二、变质岩层的成层构造

成层构造是产生褶皱变形的必要前提。但是,对具有双重构造的变质岩层褶皱来说,情况比较复杂,它除了以原生成层构造作为变形面以外,各种次生面理也会发生褶皱变形。因此,卷入面理褶皱的变质岩层元论在其先存厚度上或产状上都与一般沉积岩褶皱有着很大的差异。

(一)对变质岩成层构造的认识

变质岩系中的板劈理、片理和片麻理,究竟是继承原生层理发育起来的,还是通过构造的置换而新生的,这是变质岩成层构造认识上的最大分歧。

持有前一种观点的人认为,具有层状构造的面理是原生沉积岩层或火山岩层,在上覆岩层铅直载荷的作用下,在变质作用过程中顺原生层理拟态重结晶形成的。因而这种面理与层理一致,称为顺层面理。并且有人认为,粘土在上覆岩系载荷下压紧、脱水形成页岩时,粘土矿物乃顺层排列,本身已经具有水平的劈裂性。后来岩石随温度、压力增高发生变质时,一种类似层面的片理就顺层产生了。这时,岩石成分中的原生差异经过重结晶作用后,便产生了具有面理的片麻状岩石。至于那些露头上经常出现的层内褶皱及透镜体,在很大程度上也是原生的。

持后一种观点的人则认为,单纯的静载是不能形成面理的,许多埋藏很深的沉积岩层未发生片理化的事实就可以证明这一点。相反,在具有成层构造的变质岩层里,顺层掩卧褶皱及其轴面劈理、片理和变质分集条带的广泛发育,顺层韧性剪切带的普遍存在,以及石香肠构造、构造透镜体、窗棂构造和杆状构造等等说明,变质岩层构造的形成是构造－热事件的产物。所谓顺层面理,实质上可能是早期紧闭褶皱的轴面面理,是先存层理或面理在强烈褶皱过程中发生构造置换的结果。

(二)构造置换

构造置换是指岩石的一种构造在经过递进变形之后被另一种构造所代替的现象。在变形地质体的演化过程中,最常见和最重要的构造置换是面状构造的置换,线状构造也相应发生置换。

面状构造的置换首先是层理的置换,即原生层理在褶皱发育过程中被新生的轴面劈理或轴面片理所置换。层理的置换过程大体可分为三个阶段(图9—7)。

早期阶段 原始层理S0作为运动面,在递进的弯褶皱过程中发生弯曲,并越来越紧闭(图9—7A),进而产生近于平行褶皱轴面的劈理或片理(图9—7B)。这时层理仍大体保持连续性,只显示部分或初步的置换。

中期阶段 随着挤压的加强,两翼层理的产状与新生的轴面面理(S1)之间的夹角愈来愈小,强硬岩层被拉断,发生石香肠化及片内褶皱(图9—7C)。这时,原始层理的连续性已逐渐丧失,新生的平行面状构造已开始取得主导地位。

晚期阶段 完全的置换使层理(S0)完全破坏,原有岩性单位与新生面理(S1)几乎完全

平行,造成了貌似均一的面理或层带,给以区域性正常沉积序列的假像,使真正原生地层层序无法确定(图9—7D)。

产生什么形式的置换在很大程度上取决于岩层本身的力学性质、先存产状和受力方向之间的关系。图9—8表明了强、弱不同的岩层在构造置换过程中所出现的褶皱、石香肠化及新生面理之间的关系。三种不同产状的岩层在同一递进挤压作用下会发生三种不同形式的构造置换。当岩层与主压应力轴大于60角时(图9—8A),软弱岩层发生面理,强硬标志层则只能形成石香肠。随着压缩量逐步加大,面理与标志层残余层理的交角也相应逐步变小,从而在宏观上最终造成面理与层理一致的假像。当岩层与主压应力轴呈小于30角时,该强硬标志层先发生Z型或S型不对称褶皱,同时褶皱包络面逐步旋转。当它越过与主应力轴成45角的应变面(点线)以后,褶皱岩层从压缩状态转化为伸展状态,褶皱岩层被拉伸呈斜列的片内无根褶皱群。软弱岩层的面理,一直处于该褶皱群轴面的位置(图9—8B)。当岩层与主压应力轴平行时,岩层发生M型对称褶皱,软弱岩中发育的轴面劈理平行于对称褶皱轴面,褶皱包络面也没有旋转,一直到被挤压分离呈钩状(图9—8C)。

构造的置换过程,实质上就是新生的构造使岩层“均一化”的过程,一次重大的全面构造置换,意味着地壳经历过一次重大的构造－热事件。在多期变形和变质作用地区,当早期构造置换结束,后一次构造－热事件又会出现新生的面状构造置换。例如冀东太古代迁西群的构造就经历过三个世代的三种不同型式的构造置换。最早是随着紫苏混合花岗岩穹窿的拱起,经过横弯流动褶皱作用的递进变形,将原生火山岩的成层构造置换成顺层片麻理。进而,又以新生片麻理为变形面发生纵弯褶皱,并在递进变形中将片麻理置换成轴面片理,使穹窿外缘弧形褶皱带呈现“单斜”假像。最后,由于运动集中在一些韧性剪切带,上述二种面理又在剪切带部位遭到置换,形成一条条宽数十米到上百米的片理带。构造多期置换的现象是古老变质岩构造变形的一大特点,从目前的资料来看,在一个大的构造变形旋回中,一般都显示了一个从全面置换到部分置换再到局部置换的递降过程。随着面变质岩韧性的递降,各期构造的

置换程度也相应降低。

(三)变质岩区地层系统的双重概念

所谓地层系统,原是指成层岩系的生成顺序。但在变质岩发育区,由于原生地层在区域变质过程中遭受过固态流变作用的改造,因而在建立地层系统上,与沉积岩区地层学的概念不同。工作时应根据构造置换的程度,把地层系统明确区分为沉积褶叠地层系统和褶皱变质混合杂岩地层系统两个不同的范畴。

1.沉积褶叠地层系统 沉积褶叠地层系统主要是指一套基本上能按时代的新老划分大套层序,而在本质上又是一套经历过一定程度变质固态流变改造的新的构造－地层单元。这种地层系统,一般只能在构造置换不太强烈的地区才能建立。

一般来说,在浅变质岩系里,原生层状构造保存较好,虽然新生的面状构造已经产生,也局部地置换了原生层理,但原生成层岩层仍在一定程度上保持其连续性。特别是一些岩性强硬的标志层,虽经变质和变形,仍能作为划分地层的基础。至于地层层序的正倒,虽然多数地区没有化石依据,仍然可以通过某些残余的原生构造和次生构造予以确定。因此,凡原生成层构造保存完好或较为完好的地区,都要力求建立原生沉积地层系统,并按所划分的地层单位制图。以S0作为构造研究的起点,以层理为界面,测绘出它们复杂多变的图形。

但是必须指出,在变质岩区建立起来的这种地层系统,毕竟是经过一定程度变质固态流动改造过的地层系统。其组成岩层的外部形态,内部构造,或是其厚度和相变,都与未变质、变形前的地层系统有很大不同。

2.褶皱变质－混合杂岩地层系统 在变质程度深和混合岩化变质杂岩里,由于构造的

彻底置换和岩石的变质重建,原生层理已经全被破坏。因此,只能按新生成层构造所分割的不同构造－岩性单元来组建地层。

组成新生褶皱变质－混合杂岩地层系统的各套构造－岩性单元,虽然也沿用地层学中群、组、段等地层单位术语,但实际上是指一定的构造岩石组合的岩层在构造－热事件之后重新建造的地质实体,其中每一“套”都包含着复杂的组分。它的原岩既可以是不同时代的沉积岩和火山岩,也可以是早期侵入岩和各种混合岩。因此,由这种地层单元所圈定出来的构造形象,一般都会出现别具一格的样式。严格说来,所谓褶皱变质－混合杂岩地层系统并不具有地层学的生成先后概念,而只说明它们在某地区的片理或片麻理褶皱中的上、下关系。

研究变质岩区的构造,必须正确认识变质岩层成层构造的性质。如果不加区别地把新生的片理、片麻理等同于层理,势必把复杂的事物简单化。但是,当变质岩层的原生构造已经不占主导地位,甚至消灭殆尽,一定要用常规方法去追寻原始地层的空间展布和建立原始沉积时的新老顺序,将是徒劳的,甚至使工作陷人盲目性。建立变质岩区地层系统的双重概念,有利于不同变质岩区构造特征的对比。

三、变质岩区的叠加褶皱

叠加褶皱是一种已经褶皱的岩层再弯曲而形成的褶皱。凡经历多期变形的层状岩层,都有可能再度弯曲而形成叠加褶皱。叠加褶皱在变质岩区广泛发育,极为普遍。因此,正确地识别叠加褶皱,就成为查明变质岩区构造及变形历史的关键,这是建立变质岩层层序中必须注意的问题。

(一)叠加褶皱的露头型式

不同岩性层露头的排列型式是发现和确定叠加褶皱的基本依据。

兰姆赛曾经根据变质岩区常见的第二期滑褶皱叠加于三种基本位态的早期褶皱上所产生的效应,得出叠加褶皱的三种基本干扰型式。

第I型(图9—9) 第二期滑褶皱“横跨”叠加于第一期水平直立褶皱之上,其差异滑动方向(a2)与第一期褶皱轴面平行,第二期褶皱轴(b2)与早期褶皱轴(b1)成较大角度相交或垂直,使第一期褶皱的变形面重复变形,形成所谓“穹—盆构造”。两期背形叠加处形成穹窿,两期向形叠加处形成构造盆地。当第二期背形横过第一期向形时,背形的枢纽发生倾伏,而向形的枢纽出现扬起,形成鞍状构造。如果将各穹窿顶端或各构造盆地的槽部相连,可以大体上恢复两期褶皱的方向和规模。

第II型(图9—10) 第一期为平卧褶皱,第二期滑褶皱轴向与第一期褶皱轴向大角度斜交或垂直,但第二期褶皱的运动方向(a2)与第一期褶皱的轴面垂直。结果,第一期褶皱的轴面和两翼因沿a2方向差异性滑动而被重褶成一系列的背形和向形。同时,第一期褶皱的枢纽也随之上拱和下凹。当第一期褶皱两翼产状不同时,在第二期褶皱的纵剖面上,必然可以看到同一岩层在褶皱上、下翼及枢纽产状各不相同。这种三度空间的形态,由于剥蚀深度的不同,可以呈现出一系列有规律变化的复杂的露头型式,平面上呈新月形、蘑菇形等等。

第III型(图9—11) 第二期滑褶皱“共轴”叠加于第一期斜卧褶皱之上,第一期褶皱轴未发生波状弯曲,只是第一期褶皱的两翼被再成褶皱弯曲。因此,在平行褶皱轴的剖面上很难看到两种褶皱的叠加,但在横剖面上,则出现明显的两次转折图形。

在上述三种类型中,共轴叠加的褶皱比较普遍。正像要使已波状弯曲的铁皮再次弯曲那样,如果加压施力方向垂直于早期波状弯曲轴,铁皮很容易围绕原来的褶皱轴再次弯;如果平

行于波状弯曲轴的方向施力,变形就困难多了。在自然界中,第I型叠加褶皱多塑造成“穹－盆构造”而第III型叠加褶皱则在横截面上呈现出复杂的干扰图型(图9—12)。

当然,上述三种叠加干扰型式是最基本的,实际工作中遇到的露头形态会更加复杂。首先,早期褶皱的位态是多样的,晚期褶皱叠加方向也会以不同角度与早期褶皱相交,因而在上述三种基本型式之间,还会出现各种各样的过渡型式。兰姆赛根据两期褶皱的叠加概括出九种干扰格式(图9—13)。其次,叠加次数越多,造成的干扰型式越复杂(图9—14,图9—15)。此外,还应考虑卷入叠加褶皱的褶皱几何类型和褶皱形成方式,以及叠加褶皱的剥蚀深度等等。

利用叠加褶皱来研究变质岩区的构造序列,用以确定该地区发生的构造事件是变质岩区构造研究的重要内容之一。但是,必须指出,叠加褶皱只是一个描述性术语,指的是同一褶皱变形面多次弯曲的复合。同一次递进变形的结果也会形成复杂的叠加干扰图像。不应简单地把任何重褶现象都归因于不同期次变形,人为地把构造事件复杂化。利用叠加褶皱来揭构造的变形史,不仅要研究不同产状的褶皱的叠加。还要考虑岩性类似岩层的不同样式的构造叠加。更要结合构造置换等现象一并加以考虑。一期构造变形的出现,绝不是孤立的现象,只有全面分析造成褶皱叠加干扰的原因,并结合其他构造的演化,才能建立构造演化史,恢复构造应力场。

(二)叠加褶皱的露头观察

大型叠加构造的认识一般是从露头或手标本上看到的重褶皱或新生面理、线理有规律的弯曲或切割现象开始的。最常见和最主要的褶皱叠加标志如下。

1.重褶现象 在褶皱的同一切面上不仅有先存褶皱轴面的重新弯曲,而且还有相应的双重转折,使褶皱呈钩状(图9—16)。在褶皱范围内出现双重的褶皱要素。

2.新生构造有规律的弯曲 新生面理或线理一般代表一期构造变形。它们的有规律弯曲,一般意味着新生褶皱变形面在新的构造应力场的又一次变形。如图9—17一组包含早期顺层平卧褶皱及其轴面片理的磁铁石英岩层,又一次变形成重褶皱。

3.两组不同类型和不同方位的面理或线理有规律的交切(图9—18)以及陡倾伏或倾竖褶皱的广泛发育(图9—19),也是判别叠加褶皱的标志之一。此外,研究大型褶皱的转折端具有重要意义,因为褶皱的叠加现象在这里显示得最为明显。如图9—20中横切晚期褶皱轴面的小褶皱可以指示存在着大型叠加褶皱。

需要指出,切忌在个别露头上看到某一种褶皱构造的叠加,就认定整个地区的构造都发生了叠加。在褶皱不协调现象强烈发育地段尤应审慎。褶皱轴面的弯曲和断层面的弯曲可能是同期构造变动中递进变形或构造应力状况的不均一引起的。因此,除了收集上述各方面的典型实例而外,还要大量测定构造要素,通过赤平投影加以整理,结合褶皱的几何分析,才能准确地确定叠加褶皱在区域上的表现。

四、变质岩区的构造滑动断裂变质岩区的断裂,按其与变质作用的关系可分为两大类,一类形成于区域变质作用过程中,以韧性剪切作用为主。另一类形成于区域变形变质作用晚期或后期,以脆性破裂作用为主。韧性剪切带及脆性断裂已在断层一章论述。下面讨论在区域变质过程中由于构造滑动(tectonic slides)而产生的同变质断裂。这类断裂具有如下特点。

1.这类断层通常平行于变质岩系的成层界面。从露头上看,很少与残余层理或新生面理交切。但从区域上看,这种似顺层的断裂却与原生层理呈低角度交切,它标志着上、下岩层已经发生明显的滑移(图9—21)。

2.构造滑动断裂是变质岩层中流劈理和片理相对强烈发育的新生面理带,也是静态重结晶作用的变余糜棱岩化带,在该带甚至会发生局部混合重熔现象。

3.变质岩层中构造滑动断裂也可称为“顺层韧性剪切带”。它可以发育于岩层被拉伸变薄的区段,在构造透镜体四周呈菱形网格状分布;也可以发育在等斜褶皱的翼部与褶皱轴面平行或呈低角度切交;如果发育在岩层反复褶叠的岩系里,会形成多级紧密褶皱与滑动构造的叠置(图9—22)。

4.构造滑动断裂是一种较深层次的固态流变的构造产物。在整个岩层处于高度塑性条件下,岩石力学性质相对软弱的岩层会造成强烈的应变,岩层随剪切流动而逐渐减薄,发生粘滞性断开,两盘相对滑移。在这个过程中,天然的界面往往起着控制作用,使岩系中各个先存的不同部分分层剪切。因此,许多构造滑动断裂的断裂面(带)实际上就是变质岩系中的分层剪切面(带),从而把复杂的变形变质地质体分割成不同等级的岩性－构造单元。构造滑动断裂也因此而自然成为新生层状地质体的天然边界面之一。

5.构造滑动断裂作为一种区域变质时期的构造,通常与其他变质构造一道卷入变质期后面理褶皱之中,并作为新生地质面发生各种弯曲或断裂。在现今出版的许多变质岩区地质图中,可能有许多地质界线就是这种同变质构造滑动断层线(图9—23)。

第二节 变质岩区的构造解析

所谓构造解析,简言之,就是分析和解释地质体内部结构构造规律及其演化的方法。这种方法要求把整个地质体按不同的构造尺度或层次分解为各个要素或单体分别加以研究。结合全面的地质调查,着重解剖各种构造要素的几何特征、力学性质及其相互关系。然后把构造现象的各个方面放到构造运动和演化中去,从构造变形的发生、发展、复合、置换、转化

等继续不断的变化中,去建立构造事件发展的序列和相应的古构造型式,以及构造变形与变质作用、岩浆活动和成矿的关系。

一、变质岩区构造解析的内容和步骤

变质岩区构造解析应该包括以下几个方面或步骤。

(一)构造的几何分析

构造的几何分析是构造解析的基础。变质岩区构造几何分析的主要任务在于确定和恢复构造的三维空间形态和方位。构造形态主要是通过详细的地质制图查明;构造的方位则主要是在某些特定的区段中,通过测定构造要素及其相互关系,结合赤平投影或数理统计进行统计分析。

变质岩区构造的几何分析常常强调以下两点：

1.变质岩新生构造方位上的规律性是一切构造变形的基本几何特征。大到广袤山岳,小到一片露头,除了个别例外,它们的外形常常与其内部组成的条理分不开。这里所谓条,主要是指各种平行线状构造;所谓理,则是指各种面状构造。这种外形与内部条理之间的内在联系,是褶皱几何分析的主要依据。如果不同规模的褶皱都是圆柱状的,就可以根据小褶皱枢纽或b线理的产状确定可能存在的大型褶皱枢纽的产状。在一定地区,凡是这些构造相互平行,褶皱也必然是圆柱状的。同一世代的褶皱大都具有相同的轴面劈理或片理,从而可以根据大褶皱两翼上小褶皱枢纽的产状、褶皱变形面与轴面劈理或片理的关系确定大型褶皱的枢纽产状。

2.由于变质岩区叠加褶皱的普遍存在,所以在构造几何分析中必须注意早期构造对晚期构造的限制和晚期构造对早期构造的改造等叠加变形。

由于两期褶皱的叠加,它们所伴生的面理和线理的方位又有了新的规律性,因而需要对这些要素分区进行系统的测量,分别统计,利用赤平投影网探求它们之间的几何关系。在分析中,如果看到一套与褶皱轴面不对称的面理,而且从褶皱的一翼到另一翼方位稳定,构成一个大圆,那么就可以肯定,这套面理是晚期的。如果看到一期面理的投影不具一致的产状,则说明它受到晚期构造的改造。如果被弯曲成褶皱,则应考虑两期叠加褶皱的性质,是弯褶皱叠加于弯褶皱之上,还是剪褶皱叠加于弯褶皱;是弯褶皱叠加于剪褶皱,还是剪褶皱叠加于剪褶皱,不同的叠加类型均有其不同的几何图像。

构造要素的几何分析是一个复杂而多解的课题,这项工作的中心环节仍然是在野外露头上对地质构造的系统观测。

(二)构造的样式分析

变质岩区构造的复杂多样是它区别于沉积岩区构造的特点之一。这种复杂性主要表现当在一个不大范围内,具有不同世代的不同风格和特征的构造共存。因此,在变质岩区的构造分析中,不仅要十分重视各种类型构造的形态、大小和空间方位,更要注意它们产出的“样式”。

所谓构造样式是指一群有成因联系的构造总体的几何特征,正像一座建筑物的总体风格那样独具特色。

构造样式分析一般在褶皱的横截面上进行。解析的内容有：

1.褶皱岩层厚度在空间上的变化规律;

2.褶皱岩层之间的不协调性;

3.褶皱的紧闭程度以及翼间角的大小;.

4.褶皱的对称性;

5.褶皱转折端的弯曲型式;

6.褶皱的圆柱状程度。

描述构造的样式,不仅要注意不同风格的褶皱或断层,而且要十分重视其内部组成的微观特征。详细解剖与褶皱有关的面理、线理,把变形样式与变形组构的研究结合起来。

(三)构造变形相的分析

变质岩区构造之所以有别于沉积岩区构造,主要在于它是一种与变质环境有关的产物。因此,构造环境的分析有其特定的意义,对太古界变质杂岩区构造环境的分析就尤为重要。

在变形环境分析中,可以引用地质学中关于“相”的概念。就是说包括构造岩石本身的各种构造,都是在特定变形环境中对变形条件的反映。因此,在野外通过对构造的研究,可以恢复其变形时的物化环境,探讨不同构造群所处的构造层次,进而阐明各世代构造之间的叠加关系和演化系列。

影响岩石变形环境的因素包括温度、围压、地球化学溶液、作用力方向和应变速率等

等。这些因素都可以看成是岩石变形习性的函数。同类岩石变形表现为粘性流动或塑性流动,韧性剪切或脆性破坏,都与它们所处的变形环境有着密切的关系。不同的变形环境必然铸成不同变形相的构造。反之,同类岩石在相同的变形环境中以相同方式变形,也必然会产生同一变形相的构造组合。这样,就有可能根据已知构造样式的研究,去推定那些隐伏的,具看相同环境中生成的构造,用以指导区域的填图和找矿。

(四)构造的序列分析

对具有多期变形的变质岩区进行构造解析中,构造序列的建立是认识构造生成及演化的根本。其目的在于透过多样复杂的叠加复合关系,探索构造形成顺序和排列规律,划分构造演化的阶段性。构造是以不可逆过程作旋回式发展的。一个变形旋回可分出若干构造幕,每一幕中又可以按不同的变形过程和变形方式所造成的不同样式的构造,划分成若干构造世代。同一构造世代中,又可根据同一变形环境和变形方式条件下生成构造的先后顺序再划分为若干次。构造的序列分析的任务就是把露头上看到的各种构造分人不同的世代,确定其生成的先后顺序。

研究构造的序列,首先要认识各种叠加褶皱及复合断裂的关系。这种关系表现如下：

第一,被变形的构造老于使其变形的构造;

第二,横切的构造晚于为其所切割的构造。在野外实践上,建立构造序列必须抓住两个环节：一是主期构造,二是中间构造。主期构造一般是指一个研究地区的多期构造中分布广泛、特征清楚、参数多样、易于识别的一期构造。它们一般都能通过一定比例尺的系统填图,在地质图上得到表现。主期构造的变形面可以是层理,也可以是成层的片理或片麻理,它们在一个地区最终构造格局的建立上起着定型和控制作用。认识并确立了主期构造,就易于把先期

构造加以恢复,对后期构造加以筛分。中间构造主要是两期变形之间发育的构造,如岩浆岩侵入体一类的构造。这些构造不一定是透人性的,但它们却反映了构造的不同阶段和条件。其中以岩墙群最为重要。实践证明,不同世代岩墙群往往各具有不同的组分、规模、方位和变形特征,成为划分不同构造演化阶段的标志。

当然,在变质岩区建立构造序列,还必须相应研究与构造有密切关系的变质序列及混合岩化序列。

(五)构造的力学分析

构造力学分析的主要目的在于重建不同时期的变形场和构造应力场。例如,通过某些变形标志进行应变测量和进行递进变形分析,研究断裂带的力学性质,分析褶皱的形成方式等,从而重建当时的变形场和构造应力场,恢复起一个地区的应力－应变历史。

变质岩区构造的力学分析,一般包括以下几方面：

1.构造在几何上的对称性往往由变形作用中的力、应力和内部运动的对称性所控制,通过岩层或岩体内部构造的对称分析,就可以揭示岩石变形时的运动状态和应力状态;

2.分析构造的递进变化,即应变状态的改变和转化过程;

3.分析构造样式的重大变化,这种变化可能标志着构造应力场和运动方式的重大转换,用以揭示构造发展的阶段性。

当然,对变质岩构造分析来说,建立在弹性力学基础上的许多准则已经不完全适用了。当我们在研究深层次的,或太古代、元古代时期的构造时,不能不充分重视高温条件下蠕变的重

要意义,切忌简单搬用表层构造的力学分析方法。

二、构造解析的基础一一地质制图

(一)变质岩区地质制图的原则

地质制图是一切地质工作的基础,也是进行构造解析的基本手段。随着人们对变质岩区构造特点认识的深入,认识到变质岩区地质制图工作的原则和方法应与沉积岩区制图的原则和方法有所不同,一般采用“先构造,后地层,地层和构造工作并举”的工作方法。

(二)变质岩区地质制图的步骤

在变质岩区,尤其在地层层序不清的变质－混合岩化强烈地区,地质制图可按以下步骤进行。

1.填绘构造岩性图 在深变质杂岩区地质制图的最初阶段,只能填绘构造岩性图。构造岩性图包括两方面内容：

(1)各种岩性单位,包括各类变质岩及其组合,各类混合岩、侵入体等等,按岩石露头圈绘,对其中具有控制意义的标志层或标志层组合以及各种构造要作详细的工作,注以标记;

(2)均匀地标注各种构造数据,包括层理、面理、线理、褶皱、断层等的产状方位。

构造岩性图是一切地质图件的基础,是第一性实际材料,它的质量直接影响后续整个工作。这张图上一切界线都应该是实测的。因此,每一片露头都要圈定出来,逐步进行详细的观测。

2.编制或填绘形面图 形面图是表示一个地区透入性变形面理空间展布趋势的图件,目的在于把一个地区的构造形象反映出来。因此,正确确定主期褶皱变形面的性质和展布就成为这项工作的关键。主期褶皱变形面可以是残余的层理,也可以是新生的面理,究竟选定哪种,应视测区岩石的变质程度及构造置换程度而定。

3.选择关键地段深入进行构造研究 所谓关键地段,一般是指能比较直观地认识各种构造要素的几何特征、力学性质及其相互关系的地段。这种地段也是有利于恢复地层上、下关系,恢复一个地区地质历史的地段,如主期褶皱的转折端等地段。在这种地段上应进行深入详细的工作。现将其研究内容概括如下:

(1)详细观测各种残余构造和新生构造,层理和劈理及其相互关系,以及不同期次劈理、片理和线理的产状特征和相互关系;

(2)详细研究大小褶皱之间,褶皱与断裂之间,以及褶皱、断裂与其他构造之间,在产状和样式等方面的几何关系及成因关系;

(3)详细研究主体构造的叠加干扰型式及各种小型构造之间的形成顺序;

(4)结合岩石学和地层学的研究,鉴别变质岩石的性质及其演变,并查明岩石本身力学性质及不同形变环境中可能的变形习性。

4.测制地质剖面和全面建立地层系统 在剖面工作中要注意以下几点:

(1)剖面应尽可能横切主期褶皱的岩性单元,此外,还应有适当的辅助剖面;

(2)要注意利用残余及新生结构要素的特点和关系,确定地层的正倒;

(3)按一定尺度要求划分岩性组合,确定地层单元;

(4)审定构造岩性图上各种地质界线的地质含义,确定地质界线及成图地层单元。

至于建立起来的地层系统是沉积褶叠地层系统,还是褶皱变质的混合杂岩地层系统,或是两者的结合,应依工作区的地质条件而定。

5.成图阶段 按新审定的地层系统对构造岩性图及形面图进行全面综合,然后再到野外进行实地修图。在修图过程中,一定要注意叠加褶皱型式的多样性及古断裂的特殊性。

变质岩区地质图的图面结构一般是比较复杂的,为了避免图面负担过重,要求工作目的明确,有针对性地突出重要的地质现象。有时也可以采取单项制图,分别测制岩石分布图、构造图,甚至更详细的面理、线理分布图及混合岩化程度图等。

三、构造数据的收集和分析

根据近年来在变质岩区构造研究工作的经验,在实际工作中收集和分析构造数据可按以下方法进行。

(一)均匀地布置观测点

这项工作一般在完成构造岩性图或形面图的基础上进行。测点要按工作的不同尺度要求布置。测量前,必须分清各种构造的形态特征、力学性质、生成顺序和空间展布等,并按不同的世代和类型分别予以测量和编录。测量的数量应以达到统计学要求为原则。如需对某些关键部分进行详细研究时,应该改换尺度,加大比例尺。必要时,还要采集定向标本,以便在室内进行详细观测。

(二)划分构造均匀区段并分区进行统计

构造解析数据的整理工作必须以构造均匀区段为单位进行。所谓构造均匀区段,就是把研究区划分为许多较小的地段,使每个地段内的一种或几种构造在给定尺度上具有共同规律,以区别于相邻区段上构造的特点。区段的大小,应根据构造解析的要求而定。尺度大小又应以能否控制最主要的构造为准绳,必须满足以下三个条件：

(1)褶皱在该地段必须是圆柱状的,如果褶皱为非圆柱状时,就要将褶皱分段,使各段具有近似圆柱体的几何特征;

(2)褶皱几何形态相同的连续变形区段;

(3)某种面状构造的产状基本一致的地段。如果面状构造不明显,也可以选取同期线状构造产状稳定一致的地段。

构造均匀区段一般应在野外划分。在划分均匀区段工作中,应与室内工作配合,反复进行,不断修正和调整,其原则是要最大限度地满足划分区段的要求。

(二)方位图解的解释和对比

1.鉴别方位图解的型式 方位图解的不同型式代表面状或线状构造优选方位的性质和程度,构造研究中常见的优选方位型式有以下几种:

(1)极密型(图9—26A) 代表有关构造统计上平行性;

(2)大圆环带型(图9—26B) 如果这些极点代表线状构造,则表示这些线都在一个平

面上,如果是面状构造的极点,则这些面为一个绕环带轴B的圆柱状带中,显示出褶皱轴的优选方位;

(3)小圆环带型(图9—26C) 在图中呈小圆环状分带,反映绕轴旋转的锥状分布的线状构造的投影。

自然界构造图解往往十分复杂,除典型型式外,还有许多过渡型式。

2.确定图解的组构对称性 常见的岩石组构对称型式及其构造意义如下几种:

（1）轴对称（图9—27A） 代表轴应变,反映原生成层组构或完全置换成新生的褶皱变质岩层组构；

（2）斜方对称(图9—27B、图9—28A、B) 代表典型的均匀三轴应变;

（3）单斜对称(图9—27C,9—28C、D) 代表各种旋转应变,是均匀剪切变形的图型,也是变形岩石中最普遍的对称型式;

（4）三斜对称(图9—27D、9—28E) 一般代表两期以上的构造叠加。

3.对不同区段图解进行对比在对各区段的方位图解解释之后,还必须把各区段图解统一起来考虑,通过不同型式和对称型的比较,对区域构造特征作出判断。常常发现一个大型直立复式背斜两翼上的小构造的对称性,总比轴部的对称性为低。又如在叠加变形地区,早期褶皱控制区段的组构图解一般比较简单,而叠加改造强烈区段的组构图解要相对复杂等等。

四、区域构造模式的建立

变质岩区构造研究的主要目的,在于鉴定古构造型式以及各级构造对矿床、矿带的控制作用。进行地质填图及构造解析的具体目标,就是正确选定或建立一个能给所有实际资料以最简明概括的解释。因此,全面的构造综合,就是要按照以构造运动为主线,把沉积、变形、变质、岩浆活动和成矿作用诸方面联系起来综合研究。通过上述构造研究及岩石、地层等方面的工作,建立起一个地区的构造变形史和变质史,进而建立起一个地区的能阐明地壳演化和指导找矿的构造模式。

建立变质岩区区域构造模式一般应注意如下几个方面和步骤。

(一)大构造背景

同其他岩类的构造一样,不同时代和不同地质构造单元内的区域变质岩石的构造均有其发育的背景。众所周知,古老结晶地盾区的变质岩构造与年青造山带的变质岩构造,无论在变形变质特征上还是在形成的构造动力学条件和热力学条件上,都有着明显的差别。就是在结晶地盾区的稳定地块里,作为克拉通内核的花岗质杂岩区和其中绿岩带的构造也各不相同。因此,要建立起一个地区的构造事件序列和相应的古构造型式,必须首先注意研究区的区域性大构造背景,然后再把观测和统计分析的成果放置到更大尺度的构造中去分析。须知,任何一场构造－热事件中所铸成的构造是由许多不同尺度和不同类型的各种变形变质岩石组成的整体,区域变质岩石的构造一般均涉及上千、上万平方公里的广大区域。研究区的构造,仅仅是这个统一整体的一个部分,决不能只见树木不见森林。但是,变质岩石的构造是透入性的,一块小小标本或薄片,常常同整个区域的事件有着明显的联系,并且在其中有较多的反映。因此,完整的构造解析,应包括大、中、小、微各个尺度的构造研究,当然也包括认识一个地区变质构造发育的大型乃至巨型的构造背景,如果失去总的前提,一切具体的论断都将失去依托。

(二)建立构造群落

在对变形变质岩石的构造要素或单体进行解析的过程中可以发现,尽管一个地区同一时代所生成的构造常常具有多种类型和多种形态,但只要透过这些千差万别的表象去分析,常常发现,这些构造是在同一变形环境中以同一机制发生的。这些相互联系和相互依存的构造形迹就可以组合成为一个有机的统一整体。正像同一生态环境中组合而成的生物群落一样,这种具有特定风格而又相互依存的一套构造可称为构造群落(Tectonic community)。构造群落是从构造发育角度来阐明构造共生组合的术语。同一群落的构造都有其相应的变形相的特征。

建立构造群落一般应遵循如下原则:

1.同一群落的构造应该有类同性质的构造变形面;

2.同一群落的构造中类同岩石的变形应有相同的风格:

3.同一群落的构造一般都有其特定的变形组构;

4.同一构造群落中的各种变形岩石都是属同一变质相。

(三)划分构造层次

地壳在垂直方向上的构造环境是变化的,具有分带性的,加之岩石的物性差异和界面的分割,各个不同的构造群落就会相应集中于一定的构造变形区段或层位,即隶属于一定的构造层次。例如,混合花岗岩化构造群落,是地壳最深层次高温热变形的构造;广泛发育劈理、片理和线理的固态流变构造群落,是地壳较深层次的热－动力构造等等。

如果某一地区的同一层位中有多个构造群落相重叠。那么,在分别确定不同构造群落的层次归属以后,就可以发现,该地区曾出现多个构造层次的转换。根据构造群落划分构造层次,就可以把野外观测的具体构造与其生成的构造－变质环境统一起来。

(四)确定构造变形场

不同地区的构造都归属不同的构造变形场。构造变形场是构造的动力与环境的综合,是由某一特定变形机制为主导的。构造变形场一般包括水平压缩、侧向伸展、水平剪切和左右走滑四种基本格式,其间还存在各种各样的过渡型式和组合。确定构造变形场首先要确定其构造的尺度和层次。一般来说,一个地区某一构造发展阶段所属的构造变形场,可以通过其一定尺度范围内的构造层次中的不同类型的构造来确定。例如,在褶皱造山带较深构造层次的区域变质作用过程中,变形主要是大规模近水平的剪切流变,形成近水平劈理带,大型平卧褶皱、韧性剪切带和构造滑动断裂等现象。这种大规模的固态流动变形场(水平力偶作用下的剪切)可能起因于更高一级的地壳缩短,也可能起因于更大规模的深部地壳伸展(图9—29)。此外,变质岩区常见的面理褶皱带、片麻岩穹窿、走滑断裂系及交叉断裂网络等构造,都无一不受某一特定变形场的控制。把不同构造发展阶段的构造复原,按其在空间的配置确定其总体或局部变形场,才能为进一步研究各构造发展阶段的古构造应力场提供依据。

(五)进行构造综合地壳上各种构造、事件和过程是相互制约和相互联系的,并统一于一个有规律的运动过程造成的整体。构造解析的目的就是要阐明地壳中的各级各类构造及其内部构造要素之间的密切联系,即构造综合。构造综合既包括不同尺度、不同层次和不同世代的各种构造的综合,也包括沉积、变形、变质、岩浆活动和成矿作用的全面综合。当然,影响变质岩区岩石变形的因素一般比未变质岩区的因素多得多。即使是构造本身的许多因素也还未被人们认识。在变质岩区的构造研究上仍面临着重重困难,还没有一套符合各方面实际的工作程式。这需要我们通过实践不断探索,不断总结,逐步达到认识变质岩区构造这个

复杂领域的目的。