北秦岭瓦穴子—乔端断裂带的构造特征及形成温度—压力条件探讨

涂文传，宋传中，任升莲，李加好，张欢

合肥工业大学资源与环境工程学院，合肥，230009

内容提要：瓦乔(瓦穴子—乔端)断裂带是北秦岭尤为重要的断裂带之一，该带经历了长期的变质变形作用，记录了二郎坪弧后盆地向华北板块南缘俯冲消亡的信息。本文运用多种方法，对瓦乔断裂带几何学、运动学及形成温压条件进行研究和探讨，得出以下几点认识：① 瓦乔断裂带产状基本倾向NNE，带内线理发育，表现为由N向S逆冲的运动学特征，且存在左旋剪切的分量；② 瓦乔断裂带变形岩石显微构造特征明显，反映了挤压应力下塑性流变的特征；③ 运用角闪石全铝压力计，得到瓦乔断裂带形成压力为0.64GPa。越靠近瓦乔断裂带中心，压力逐渐变大，位于断裂带中心压力达到0.68 GPa，已达到中压相系环境；④ 运用角闪石—斜长石地质温压计算得瓦乔断裂带形成温度范围500～550℃，属中温环境。

瓦乔(瓦穴子—乔端)断裂带是东秦岭构造带中尤为重要的断裂带之一。该带位于北秦岭中部，其走向与北部的洛南—栾川断裂带及南部的商(南)丹(凤)缝合带近于平行，向西至陕西商州，向东延伸到河南南召县东部没入南阳盆地，走向NWW，延绵近千千米。长期以来瓦乔断裂带一直被认为是宽坪岩群和二郎坪岩群的地质界线(王润三等，1990；刘国惠，1993；张二朋等，1992)。前人研究表明，瓦乔断裂带南侧的二郎坪群蛇绿岩具有弧后小洋盆的特点(张国伟，1988；张本仁，1990；李亚林等，1998)，是早古生代末古商丹洋洋壳向华北板块之下俯冲消减——碰撞过程中保留下来的残余洋片。而其北侧的中晚元古界宽坪群则为被动陆缘的裂谷洋盆，是华北板块南缘大陆裂解作用的产物(闫全人等，2008)。该断裂带西段商州以北的宽坪群内部，发育有北秦岭宽坪变质地体的韧性剪切体系(许志琴等，1986，1988，1997；张寿广，1991a，1991b)。断裂带东段表现为：大型镁铁质基性糜棱岩和镁铁质超糜棱岩带，宽度超过两百米，剪切带倾向北，倾角近直立(李亚林等，1998)。张宏远(2006)对瓦乔断裂带的演化历史作了概括，先是同区域热变质作用启动，然后韧性剪切带活动，最后形成区域性浅表层脆性剪切带。前人对瓦乔断裂带的研究主要集中在断裂带宏观地质特征和构造属性等方面，但对断裂带微观构造特征精细研究和韧性剪切带形成温压条件的研究涉及较少。基于上述存在问题，本文尝试对其进行研究。

图1 瓦穴子—乔端断裂带地质简图及面理线理赤平投影(据张二朋等，1992)Fig. 1 Simplified geological map of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone(after Zhang Erpeng et al.， 1992)and stereographic projection drawings of foliations and lineationsa、b、c、d—分别对应AB、CD、EF、GH剖面上的面理投影；e、f、g、h—分别对应AB、CD、EF、GH剖面的线理；SDFZ—商南—丹凤断裂带； ZXFZ—朱阳关—夏馆断裂带；WXFZ—瓦穴子—乔端断裂带;LLFZ—洛南—栾川断裂带 a，b，c，d—attitude of foliations of AB，CD，EF，GH tectonic section；e，f，g，h—attitude of lineations of AB，CD，EF，GH tectonic section；SDFZ—Shangnan—Danfeng fault zone；ZXFZ—Zhuyangguan—Xiaguan fault zone；WQFZ—Waxuezi—Qiaoduan fault zone；LLFZ—Luonan—Luanchuan fault zone

1 瓦乔断裂带的宏观构造特征

瓦乔断裂带南侧为二郎坪群基性黑云斜长片岩、片麻岩及糜棱岩，北侧为宽坪群云母石英片岩、角闪片岩、千枚岩及糜棱岩，断裂带内被卷入的岩石还有加里东期的变形花岗岩、闪长岩等。断裂带宽几千米至十几千米不等，带内岩石片理、片麻理及糜棱面理产状基本一致，倾向NNE。线理产状则变化较大。带内发育数十条不同时期不同构造层次的断层，包括韧性剪切带、脆—韧性剪切带及脆性断层，各断层产状基本一致：走向NWW，倾向NNE，倾角多变，一般20°～80°。本次研究主要以造山期韧性剪切带为主。

1.1 瓦乔断裂带几何学特征

野外选取了横穿瓦乔断裂带的上庄坪—栗扎树村剖面(AB)、北大庄—十里庙(GH)剖面，断裂带南侧的洞街—乔端剖面(CD)和断裂带北侧的马市坪—焦园剖面(EF)进行重点考察研究(图1、图2)。

图 2 瓦穴子—乔端断裂带构造剖面图[其中(b)图据宋传中，2000修改]Fig. 2 Tectonic section maps of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone[map(b) was compiled from Song Chuanzhong，2000]

经野外考察发现，瓦乔断裂带不是单一的一条剪切带，而是由数十条韧性向脆性过度的不同变形层次的剪切带共同组成的宽度十多千米的变形—变质带。各剪切带走向近乎相互平行，走向NWW，倾向NNE，倾角20°～80°，甚至直立。靠近断裂带中心部位，见多条性质相同，规模不一，产状一致的韧性剪切带，剪切带内发育糜棱岩。糜棱岩成分主要为长英质及镁铁质。在洞街南仙人洞发育一套大理岩及碳酸质糜棱岩，与二郎坪群基性火山岩呈渐变接触，糜棱面理产状为：15°～35°∠30°～60°之间。在乔端桥头之下，十余米的带内就见数十条强弱相间的小型韧性剪切带，带宽一般2～10cm，最宽可达20cm。剪切流变带内夹有基性岩和石英脉及透镜体，基性岩透镜体规模一般为5m×1m，小者可达3～10cm×1cm，断断续续平行于糜棱面理分布。流变带内柔皱发育，褶皱枢纽一般近直立，轴面近直立与糜棱面理平行。断裂带内发育的线理多为倾伏角较小的近水平线理，倾伏角0°～20°居多，倾伏向NWW或SEE。同时，也可见倾伏向NE的倾向线理和斜向线理(图1)。

1.2 瓦乔断裂带的运动学特征

瓦乔断裂带卷入了二郎坪群、宽坪群、加里东期的花岗岩及花岗闪长岩等变形—变质岩片。这些岩片被一系列韧性剪切带或断裂分割，彼此近于平行，形成界线明显的一系列小型逆冲构造岩片(席)，各岩片均由N向S逆冲(宋传中等，1999)。韧性剪切带内或两侧发育一系列剪切变形时产生的石英脉，愈靠近断裂带中心，石英脉愈多，说明这些石英脉应为韧性剪切阶段的分异脉。石英脉多发生变形，被改造成S面理，或不对称小褶皱，褶皱北翼长南翼短，小褶皱轴面向北倾，指示了由N向S逆冲的运动学特征(图3a、b)。同时在平面上也可见轴面直立的不对称小褶皱(图3c)、S形石英透镜体与围岩构成S—C组构等，均指示了左旋剪切的分量。这可能表明了二郎坪地块向北斜向俯冲于宽坪地块之下的迹象，同时根据野外线理特征，发现较多的倾伏向北东的斜向线理，与斜向俯冲(宋传中，2006)一致。故笔者等认为野外观察的由N向S逆冲及左旋剪切的运动学特征为同期构造，分别为斜向俯冲在剖面和平面上的分量。

图 3 瓦穴子—乔端断裂带野外特征照片及岩石显微照片Fig. 3 Field characteristics photos and microphotographs of rocks of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone (a) 二郎坪群中石英脉不对称小褶皱，指示由北向南逆冲；(b) 二郎坪群中石英透镜体被改造成S面理，指示由北向南逆冲；(c) 糜棱岩中石英脉不对称褶皱指示左旋剪切； (d) 长英质初糜棱岩中斜长石BLG型动态重结晶；(e) 长英质糜棱岩中σ型残斑；(f) 长英质糜棱岩中石英GBM型动态重结晶；(g) 镁铁质糜棱岩；(h) 镁铁质超糜棱岩；(i) 钙质超糜棱岩(a) asymmetric small folds of quartz veins developed in the Erlangping Group, indicates the thrusting from north to south；(b) quartz len developed in the Erlangping Group was transformed into S-shaped foliation, also indicates the thrusting from north to south; (c) asymmetric small folds of quartz veins developed in mylonite, indicates the sinistral shearing；(d) BLG-type dynamic recrystallization of plagioclase in felsic sub-mylonite；(e) σ-typle porphyroclast in felsic mylonite；(f) GBM type dynamic recrystallization of quartz in felsic mylonite；(g) mafic mylonite；(h) mafic ultramylonite；(i) calcium ultramylonite

2 瓦乔断裂带的显微构造分析

瓦乔断裂带中发育有不同程度变形的糜棱岩，糜棱岩化花岗岩、初糜棱岩、糜棱岩、超糜棱岩均有发育，以长英质糜棱岩和镁铁质糜棱岩为主，含少量钙质糜棱岩。

(1)长英质糜棱岩系：包括初糜棱岩、糜棱岩及超糜棱岩，主要发育在脉状花岗闪长岩、花岗岩内部或边部。残斑矿物主要包括斜长石、石英等。斜长石常见显微破裂、波状消光、机械双晶等现象，也有发生动态重结晶。大多斜长石残斑被压扁旋转成σ型和δ型残斑(图3e)。不对称压力影发育，阴影部位多为细粒化的石英和云母微晶。石英残斑常见波状消光及动态重结晶(图3d、f)现象， 常见鼓胀式(BLG)、亚颗粒旋转式(SR)、颗粒边界迁移式(GBM)动态重结晶及静态恢复重结晶现象。糜棱岩中不同的石英、斜长石重结晶类型，可反映不同的温度。据此可推测瓦乔带糜棱岩形成温度大概在300～630℃(Stipp et al.,2002；Mancktelow et al.,2004；向必伟等，2007)。基质主要矿物为石英和云母。石英亚晶粒发育，且亚晶粒被拉长定向，平行或斜交糜棱面理排列，表现强烈的塑性流变的特征。云母颗粒细长条状，少数发生扭曲，强定向排列，常围绕残斑，形成压力帽。

(2)镁铁质糜棱岩系：包括镁铁质糜棱岩及超糜棱岩(图3g、h)。其原岩主要为宽坪群或二郎坪群的基性变质岩—角闪岩、角闪片岩等。残斑矿物包括角闪石、黑云母、斜长石、绿帘石等。角闪石晶内裂隙或穿晶裂隙发育，部分被拉长扭曲成矿物鱼。黑云母扭折，较强定向性。斜长石机械双晶发育。基质主要为细小的角闪石，斜长石、黑云母、石英、绿泥石等，塑性流动现象明显。

(3)钙质糜棱岩系：在洞街出露较好，主要是钙质糜棱岩和超糜棱岩(图3i)。残斑主要为方解石、石英，少量为角闪石、黑云母等暗色矿物。方解石：多为卵状，定向排列。少数大的残斑为眼球状。基质主要为方解石和石英，弱定向。

3 瓦乔断裂带形成压力的确定

为了探讨瓦乔断裂带的形成压力，笔者等选取了4块断裂带岩石进行电子探针分析及压力计算。样品编号分别为WQ22(镁铁质糜棱岩)、WQ26(镁铁质超糜棱岩)、XN144(镁铁质糜棱岩)及XN113(角闪斜长片麻岩)。选取样品位置如图1所示。前三块样品探针选取角闪石残斑周围的新生角闪石，即受韧性剪切影响而产生的角闪石新晶。样品XN113则探针选取角闪石颗粒边缘。电子探针实验是在中国科学技术大学电子探针实验室完成，仪器型号为津岛EPMA-1600，加速电压15kV，电子束流15nA，束流直径5μm。以23个氧为标准计算角闪石阳离子系数。

压力计算的方法为角闪石全铝压力计，不同研究者提出的压力计公式如下：

P1=-0.392+0.503n(Al)total，r2=0.80(允许误差为±0.30GPa，Hammarstrom & Zen，1986)；

P2=-0.476+0.564n(Al)total，r2=0.97(允许误差为±0.10GPa，Hollister et al.，1987)；

P3=-0.346+0.423n(Al)tatal，r2=0.99 (允许误差为±0.05GPa，Johnson & Rutherford，1989)；

P4=-0.301+0.476n(Al)total，r2=0.99(允许误差为±0.06GPa，Schmidt，1992)。

龚松林(2004)已对上述压力计进行了介绍，在此不再赘述。本文根据上述四种压力计分别进行计算，各标本打3～7个点，探针数据见表1，计算结果见表2。

根据表2不难发现，P3(Johnson&Rutherford，1989)较其余三个压力计偏差较大，P1、P2和P4三种压力计法得出的压力结果相近，较为可信。各样品再取三种方法的平均值得出WQ22的压力值为0.60GPa，WQ26的压力值为0.63GPa，XN113的压力值为0.64GPa，XN144的压力值为0.68GPa。结合采样点位置(图1)，发现越靠近瓦乔断裂带中心，压力值逐渐变大，位于断裂带中心的样品XN144压力最大，达到0.68GPa，相当于中压环境，压力最低的为远离瓦乔断裂带中心的样品WQ22，为0.60GPa。将三个糜棱岩样品压力取均值得到瓦乔断裂带形成压力为0.64GPa，应代表韧性剪切带形成时的压力。XN113所测的压力值0.64GPa可能代表了岩石经历区域变质的压力，由于探针选取角闪石边缘位置，所以原岩成分可能受到韧性剪切活动的影响，实际区域变质压力值可能更大，在此仅用于对比分析。

表 2 北秦岭瓦穴子—乔端断裂带角闪石全铝压力计计算结果Table 2 Calculation results of Al-in-hornblende barometer of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone

注：P1据Hammarstrom & Zen，1986，允许误差为±0.30 GPa；P2据Hollister et al.，1987，允许误差为±0.10 GPa；P3据Johnson & Rutherford，1989；允许误差为±0.05 GPa ；P4据 Schmidt，1992，允许误差为±0.06 GPa。

图 4 瓦穴子—乔端断裂带斜长石成分中An含量与温度关系图解(原图据Plyusnina，1982)Fig. 4 Diagram of the relationship of temperature and An content in plagioclase composition of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone(based on Plyusnina，1982)

4 瓦乔断裂带的温度估算

为了确定断裂带形成的温度，作者选取了WQ22(镁铁质糜棱岩)、WQ26(镁铁质超糜棱岩)和XN113(角闪斜长片麻岩)三块标本，WQ22和WQ26选取与角闪石新晶相邻的斜长石新晶作为共生矿物对，进行电子探针分析，XN113探针位置则选取与角闪石相邻的斜长石边缘，探针数据见表1和表3。

Plyusnina(1982)指出：在斜长石—角闪石组合中，斜长石中An的含量会随温度而变化，与压力无关，所以根据斜长石中An值可求得平衡温度。同时，角闪石中的Al总量与温度和压力都有关，可以作为温度计和压力计。根据∑AlHb和CaPl即可求得形成时的P—T条件。当角闪石和斜长石中Al和Ca的分析数据精度为±1.0(摩尔百分数)时，所得到的压力标准偏差为±0.1MPa，温度偏差为10～15℃。

样品中的斜长石牌号An变化幅度为23.4～34.5(表3)属更长石—中长石系列，样品WQ22中An均值为23.9，WQ26中An均值为32.2，XN113中An均值为33.1。运用Plyusnina(1982)的斜长石成分中An含量与温度关系图解(图4)可得TWQ22=513℃，TWQ26=536℃，TXN113=543℃。

运用此方法投图得出的结果显示离断裂带中心最远的WQ22温度最低为513℃，而离断裂带较近的WQ26温度明显高于WQ22，这可能暗示了远离断裂带中心，温度有下降的趋势。因此断裂带中心的温度可能会超过536℃。而XN113所测的温度可能代表动力变质之前的区域变质的温度，因此，虽然离断裂带中心较WQ26远，温度却高于WQ26。

再运用角闪石—斜长石地质温压计，将WQ22、WQ26及XN113三个标本的角闪石和斜长石矿物成分进行分析，运用Plyusnina(1982)的角闪石—斜长石实验地质温压计，对之前的实验数据进行验证。应用斜长石—角闪石地质温压计的时候，应注意：① 岩石中除钙质角闪石和斜长石以外，应有绿帘石或黝帘石；② 温压计中的角闪石限于钙质或次钙质角闪石，必须含Ca>1.5、Na<1.0；③ 当组合中出现单斜辉石时，Ca在斜长石和角闪石中的分配将受到很大的影响，此温压计不再适用。本次样品均满足以上条件。结果如图5所示。

表 3 北秦岭瓦穴子—乔端断裂带斜长石电子探针分析Table 3 Electron microprobe analysis ofplagioclsae of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone in north Qinling

图 5 瓦穴子—乔端断裂带角闪石—斜长石地质温压计结果(底图据Plyusnina，1982)Fig. 5 Result of hornblende—plagioclase T—P meter of the Waxuezi—Qiaoduan fault zone(based on Plyusnina，1982)Ⅰ—低压相系；Ⅱ—中压相系；Ⅲ—高压相系Ⅰ—Low-pressure phase；Ⅱ—Mediun-pressure phase；Ⅲ—High-pressure phase

结果显示，TWQ22≈525℃，PWQ22≈0.6GPa；TWQ26≈548℃，PWQ26≈0.6GPa；TXN113≈545℃，PWQ26≈0.58GPa。三个样品均为中压相系(图5)，与全铝压力计计算的结果近乎一致。因此，在误差允许的范围内，笔者等认为瓦乔断裂带形成温度范围为500～550℃，往断裂带中心可能会稍有偏高。

综上所述，笔者等认为瓦乔断裂带形成于中温—中压环境，变质相为高绿片岩相至低角闪岩相。

5 结论

本文在野外地质路线调查基础上，结合室内显微构造观察、测试分析等研究结果，对瓦乔断裂带主要得出以下几点认识：

(1) 几何学特征：瓦乔断裂带是由数十条韧性向脆性过渡的不同变形层次的剪切带共同组成的宽度十多千米的构造带。各剪切带走向近于相互平行，倾向NNE。断裂带内岩石产状基本倾向NNE，发育倾向拉伸线理、斜向拉伸线理、水平拉伸线理和水平皱纹线理。

(2) 运动学特征：野外的同变形石英脉、石英透镜体、不对称小褶皱、线理，以及镜下观察的显微构造分析均表明，瓦乔断裂带表现为由N向S逆冲(由S向N俯冲)的运动学特征，且存在左旋剪切的分量，指示了二郎坪弧后盆地向N斜向俯冲于宽坪地块之下的信息。

(3) 显微构造特征：瓦乔断裂带以长英质和镁铁质变形岩石为主，角闪石，斜长石等较刚性矿物多以显微破裂为主。石英塑性变形明显，亚晶粒发育且常被拉伸变形，见BLG、SR、GBM型动态重结晶及静态恢复重结晶现象。表明瓦乔断裂带受到较强的挤压应力作用。

(4) 温度、压力条件：运用角闪石全铝压力计，根据多种方法求均值得到瓦乔断裂带形成压力为0.64GPa。属中压相系环境。越靠近瓦乔断裂带中心，压力值逐渐变大，位于断裂带中心压力达到0.68GPa。运用角闪石—斜长石地质温压计算得瓦乔断裂带形成温度范围为500～550℃，属中温环境，断裂带中心的温度可能更高。