恭城恭城栗木断裂带中的断溶角砾岩一种新型断层岩

恭城恭城栗木断裂带中的断溶角砾岩一种新型断层岩

断裂带是作者在研究公城-丽木断裂带时首次发现和命名的一种特殊类型的断裂岩石。其形成取决于碳酸盐岩发育区域的溶蚀环境和扰动活动的结构特征。所谓断溶角砾岩,就是在断裂活动与岩溶塌陷共同作用下,由断层角砾岩与岩溶崩塌角砾岩多次叠加并沿断裂带断续展布,局部地段大面积出露的一种的断层岩。与普遍意义的断层角砾岩不同,断溶角砾岩的角砾包括断层角砾和岩溶崩塌角砾两种,其胶结物也兼具断层作用和溶蚀崩塌作用的特征。断溶角砾岩的研究,其重要意义在于两方面:①通过这种特殊的断层岩的构造特征来推断恭城—栗木断裂带的形成环境及演化过程;②掌握恭城地区地下与断裂带有关的溶洞的分布状况及其发生、发展、灭亡的规律,奠定该地区岩溶塌陷预警的基础。恭城—栗木断裂既是一条深大断裂,又是一条受多期应力作用的长寿断裂,它对研究区不同构造阶段的沉积建造和岩浆活动都起到了控制作用并制约着各地质历史时期中坳陷与隆起的展布和演化。恭城—栗木断裂带总体走向近S—N,由四条主干断裂组成1。组成恭城—栗木断裂带的各断裂所切割的地层主要是泥盆系和石炭系岩性较纯的灰岩和白云岩,岩溶较为发育。由于恭城—栗木断裂带为脆性断裂,其断层岩以断层角砾岩和碎裂岩为主。1断层角砾岩的特征断溶角砾岩是在恭城—栗木断裂带中发育的主要断层岩类型之一,由保持原有围岩特点的岩石碎块组成。角砾胶结物由磨碎的岩屑、岩粉及岩石压溶物质和外源物质组成。断溶角砾岩中角砾的棱角常被磨蚀,多呈透镜状、椭圆状。恭城—栗木断裂带中的断溶角砾岩最突出的特点是记录了断层的多期活动。在虎尾断层露头上,可见到一个大角砾中发育了两条方解石脉,一条切过大角砾延伸到胶结物中并切穿其它的角砾,而另一条则被大角砾的边界所围限。同时,这个大角砾也是由前期的角砾和胶结物构成的。这说明此断裂经历了三次以上的活动。在研究断裂带断层角砾岩的过程中,笔者发现有一类特殊的断层角砾岩(图1),其在江贝、虎尾、清水塘等地沿断裂带呈线性展布,既不是普通的断层角砾岩和单纯的岩溶角砾岩也有别于汪劲草等提出的流体动力角砾岩。这种角砾岩的角砾及其胶结物兼具断层作用和溶蚀崩塌作用的特征:角砾的胶结物既有白色的结晶方解石也有红色的钙、铁物质及钙华,角砾则分为断层角砾和崩塌角砾两种。在镜下观察时发现,角砾及溶洞胶结物中均发育有方解石e双晶等应力作用的产物,这说明这种角砾岩在形成之后又经历过构造变动。对于这种特殊的角砾岩,笔者将它命名为断溶角砾岩,虽然该命名的科学性有待于进一步探究,但它却能形象地概括,这种特殊角砾岩的特点:断溶角砾岩是断层角砾岩与岩溶崩塌角砾岩多次叠加的结果,是在多次断裂活动和岩溶崩塌先后作用的背景下形成的一种特殊角砾岩。我们所见到的断溶角砾岩是包含岩溶崩塌角砾的断层角砾岩,而其中有的岩溶崩塌角砾还是由前期断层角砾胶结而成的。在断溶角砾岩中多期断层角砾和岩溶崩塌角砾互为彼此的组成部分,构成了复杂的“砾中砾”现象。断溶角砾岩中断层角砾和岩溶崩塌角砾的含量则因不同的产出地点而各异,有的是断层角砾多,而有的则是岩溶崩塌角砾占优势。恭城—栗木断裂带产出的断层角砾岩中有很大一部分是笔者上面提到的这种断溶角砾岩。1.1岩石矿物变形显微构造断溶角砾岩是在断裂和溶蚀崩塌的共同作用下形成的。岩石在经受应力作用后,不仅在宏观上表现出变形特征,而且在微观上,岩石结构和组成矿物也均表现出丰富多彩的变形特征,形成各种变形显微构造。恭城—栗木断裂带中的断溶角砾岩所表现出的变形显微构造主要有显微裂隙、变形矿物的光性异常、机械双晶及压溶缝合线等。1.1.1焊接式固结特点在研究区的断溶角砾岩中所形成的显微裂隙,以各种方式完成了固结和愈合,且固结方式大多以焊接式为主。所谓焊接式固结是指胶结物以相同的成分和不同的结晶方位将显微裂隙固结。一般认为显微裂隙是脆性变形的产物,但刘瑞认为天然变形岩石中的显微裂隙与蠕变有关。1.1.2正常的未变形矿物的光性能在偏光显微镜下观察变形矿物时,可以发现它们与正常的未变形矿物在光性上存在着差异。这种现象在变形岩石中极为普遍。研究区断溶角砾岩中的光性异常主要为波状消光和方解石晶体的突起异常两种。1.1.3断层岩中e双晶的发育机械双晶较易出现在一些对称性较低或粒内滑移系统较少的矿物(如方解石和白云石)中。在恭城—栗木断裂带的断溶角砾岩中普遍存在有方解石的机械双晶(图2)。方解石的机械双晶是e双晶。研究区断层岩中发育的e双晶除具有普遍的共性外,还兼有如下特点:①往往是几组双晶同时发育,根据几组双晶的相互切割关系,可以判断出它们是同期形成的或是先后形成的;②早期形成的e双晶页理再次遭受应力作用之后,发生了弯曲和扭折现象;③e双晶条带常由更细的双晶纹组成。一般认为,在较低温度和较快应变速率条件下有利于机械双晶的发育。1.1.4“型”和“h”型按照压溶缝合线的形态,可将其分为“V”型和“H”型两种。在研究区的断溶角砾岩中所观察到的压溶缝合线为“V”型,“V”字的尖顶指示出应力σ1的方向。1.2应变测量的方法应变测量的方法有很多,常用的有Fry法、Rf-ϕ法、Panozzo法等。不同的方法有各自的适用条件及优点。结合实际情况,笔者在此次应变测量中采用了Ramsay的Rf-ϕ法。通过对恭城—栗木断裂带的断溶角砾岩代表性应变测量,可以探讨它与断裂带的成因关系。1.2.1应变类型分类领导在纳压,压包成平面应变为主,表现为平面应变为主所测断溶角砾岩的K值变化范围在0.32～1.67间,应变类型基本上以压扁型应变和平面应变为主。恭城—栗木断裂带是一条自东向西运动的中高角度的逆断层,断溶角砾岩的应变类型也是整个断裂带的一个缩影。1.2.2平均方位利用恭城—栗木断裂带中不同产出部位的断溶角砾岩所测得的应变主轴方位,具有较明显的一致性。其中1+ex为256°～293°∠9°～32°;1+ey为346°～32°∠1°～31°;1+ez为116°～169°∠52°～72°。平均方位:1+ex为276°∠21°;1+ey为9°∠16°;1+ez为142°∠62°。1+ex轴的平均方位与恭城—栗木断裂带的整体运动方向基本上是一致的。1.3断溶角砾岩的组构分析目前能成功地作出动力学推论的是以方解石e双晶和白云石f双晶滑移系及石英变形纹较为成熟。在恭城—栗木断裂带的断溶角砾岩中,方解石e双晶是比较发育的,从而使我们能够进行断溶角砾岩的组构分析。恭城—栗木断裂带所截切的岩石主要为泥盆系和石炭系的灰岩、白云岩。e双晶主要发育在断层岩中,而远离断裂带,e双晶则不甚发育,可见e双晶是断裂作用的产物。因此,根据方解石e双晶分析所得到的应力方位可以代表断裂带形成时的应力方位。根据镜下观测所取得的数据,并运用相关的投影方法得到相应的优选方位:恭城—栗木断裂带的相对挤压方向为近E—W向,平均方位为96°～276°,倾角为23°;相对拉伸方向为近S—N向,平均方位为172°5′～352°5′,倾角为42°。1.4差异应力值在应力作用下,方解石及白云石双晶面上沿滑动方向的分解剪应力τr与差异应力间的关系为τr=(σ1-σ3)·cosx1·cosy1式中:x1,y1分别是最大主应力与双晶面极点及滑动方向的夹角。cosx1·cosy1为分解剪应力系数,记为S1,即τr=(σ1-σ3)·S1。当τr等于临界分解剪切应力值τc即τr=τc时,双晶开始滑动。只有当τr>τc时,双晶才会发育。由此可知,产生双晶的临界差异应力值σ1-σ3=τc/S1,其中τc为常数。根据Friedman和Heard的实验结果,方解石的τc为10MPa。S1的大小和矿物颗粒的双晶化程度有关,并可以从方解石、白云石的双晶化密度与S1的Jamison和Spang关系曲线图中得到。在本次研究过程中共观测了F208,F410等11块薄片,每块薄片观测方解石颗粒100～200颗,具体数据见表1。一般,在e双晶率所估算的差异应力值中以两组双晶所估算出的差异应力值精度为高。因此,在综合大多数样品的分析结果后,笔者认为差异应力值应当在30～50MPa间。即恭城—栗木断裂带的断溶角砾岩基本上是在埋深5～8km的脆性变形环境下形成的。2断裂带形成的原因断溶角砾岩作为恭城—栗木断裂带中断层岩的一种,它的形成自然与断裂作用息息相关。那么,对于断溶角砾岩同时具有岩溶角砾岩的某些特征又如何解释呢?由于恭城—栗木断裂带形成于岩溶发育的石灰岩地区,这种角砾岩存在的理论依据如下。①在断裂通过的地区,由于受形成断裂的挤压力的作用,在断裂的旁侧形成了轴向与断裂走向一致的褶皱,这些褶皱的核部发育有张节理和虚脱空间。②断裂作用形成了沿断裂带展布的构造薄弱带,在外动力侵蚀作用下这样的构造薄弱带极易形成地形低洼的负地形。③周围高地形的地表水汇集并沿着构造薄弱带向下渗透,通过纵张节理等裂隙到达褶皱核部的虚脱空间。与此同时,断裂和裂隙也为地下径流提供了运移通道,地下径流在大型裂隙与虚脱空间或层面相交处迅速扩大流通空间并发展成具有一定断面积的溶蚀管道。管道内的水流具有更大的动能,除了继续加速管道壁的溶蚀外,还有很强的机械侵蚀和刨蚀作用,使其断面不断扩大。④在地表渗透水和地下径流的持续作用下,碳酸盐岩不断被溶蚀、带走。随着时间的推移,空洞不断加大。空洞沿垂直方向向下扩展到一定深度后,褶皱核部原先的各层虚脱空间及大型裂隙便融会贯通,从而形成了沿断裂走向水平发育的大型溶洞。⑤地下水水位上升或地表水的渗入不仅使岩石受到侵蚀也使岩石的物理力学性质发生改变——岩石的含水量增大、抗剪强度降低,从而降低了其抵抗渗透变形的能力。另一方面,对于封闭性较好的溶洞,地下水的迅速下降还会对溶洞产生真空吸蚀作用。这些因素使得溶洞处于一种不稳定的状态。⑥当断裂再次活动时便诱发了某些处于临界状态的溶洞坍塌。此后,溶洞崩塌角砾与断层角砾混杂堆积在一起并被胶结形成断溶角砾岩。有些断溶角砾岩在成岩后还有可能再次接受断裂作用的改造。岩溶塌陷的形成是多种因素的影响和综合作用的结果,总之,其形成与岩溶洞隙的存在和地下水的活动有关。而在恭城地区,溶洞塌陷与断溶角砾岩形成的主导因素则是恭城—栗木断裂带的活动。它是一条多期活动的长寿断裂。恭城—栗木断裂带断溶角砾岩的形成过程见图3。早期断裂作用下形成的褶皱,其核部发育有大量的纵张节理及虚脱空间,这为地表水的渗漏和地下水的流动提供了条件;在地表水与地下水的交互作用下,岩石被逐渐溶蚀,溶洞开始形成;随着溶蚀作用的持续,地下溶洞不断地的贯通、扩大;在断裂作用的诱发下,溶洞坍塌,坍塌下来的角砾经胶结压实后,形成断溶角砾岩。和普通的溶洞相比,与断裂伴生的溶洞规模更大,影响范围更广,发生坍塌的危险性更大。另外,与断裂伴生的溶洞从形成到坍塌比普通的溶洞更有规律可循:在空间上顺着断裂带展布,波及的范围有一定的限度;在时间上受断裂活动的影响,断裂活动是其演化的主导因素。通过对恭城—栗木断裂带及其断溶角砾岩的详细研究可以掌握该地区与断裂带有关的地下溶洞的分布状况及其发生、发展、灭亡的规律,做到有效预测,以减少或防止因岩溶塌陷而带来的损失。此外,对断溶角砾岩的研究还为恭城—栗木断裂带的构造分析提供了第一手的资料。3断溶角砾岩的形成模式及意义断溶角砾岩是恭城—栗木断裂带中断层岩的一种,