恭城恭城栗木斷裂帶中的斷溶角礫巖一種新型斷層巖

恭城恭城栗木斷裂帶中的斷溶角礫巖一種新型斷層巖

斷裂帶是作者在研究公城-麗木斷裂帶時首次發(fā)現(xiàn)和命名的一種特殊類型的斷裂巖石。其形成取決于碳酸鹽巖發(fā)育區(qū)域的溶蝕環(huán)境和擾動活動的結構特征。所謂斷溶角礫巖,就是在斷裂活動與巖溶塌陷共同作用下,由斷層角礫巖與巖溶崩塌角礫巖多次疊加并沿斷裂帶斷續(xù)展布,局部地段大面積出露的一種的斷層巖。與普遍意義的斷層角礫巖不同,斷溶角礫巖的角礫包括斷層角礫和巖溶崩塌角礫兩種,其膠結物也兼具斷層作用和溶蝕崩塌作用的特征。斷溶角礫巖的研究,其重要意義在于兩方面:①通過這種特殊的斷層巖的構造特征來推斷恭城—栗木斷裂帶的形成環(huán)境及演化過程;②掌握恭城地區(qū)地下與斷裂帶有關的溶洞的分布狀況及其發(fā)生、發(fā)展、滅亡的規(guī)律,奠定該地區(qū)巖溶塌陷預警的基礎。恭城—栗木斷裂既是一條深大斷裂,又是一條受多期應力作用的長壽斷裂,它對研究區(qū)不同構造階段的沉積建造和巖漿活動都起到了控制作用并制約著各地質歷史時期中坳陷與隆起的展布和演化。恭城—栗木斷裂帶總體走向近S—N,由四條主干斷裂組成1。組成恭城—栗木斷裂帶的各斷裂所切割的地層主要是泥盆系和石炭系巖性較純的灰?guī)r和白云巖,巖溶較為發(fā)育。由于恭城—栗木斷裂帶為脆性斷裂,其斷層巖以斷層角礫巖和碎裂巖為主。1斷層角礫巖的特征斷溶角礫巖是在恭城—栗木斷裂帶中發(fā)育的主要斷層巖類型之一,由保持原有圍巖特點的巖石碎塊組成。角礫膠結物由磨碎的巖屑、巖粉及巖石壓溶物質和外源物質組成。斷溶角礫巖中角礫的棱角常被磨蝕,多呈透鏡狀、橢圓狀。恭城—栗木斷裂帶中的斷溶角礫巖最突出的特點是記錄了斷層的多期活動。在虎尾斷層露頭上,可見到一個大角礫中發(fā)育了兩條方解石脈,一條切過大角礫延伸到膠結物中并切穿其它的角礫,而另一條則被大角礫的邊界所圍限。同時,這個大角礫也是由前期的角礫和膠結物構成的。這說明此斷裂經(jīng)歷了三次以上的活動。在研究斷裂帶斷層角礫巖的過程中,筆者發(fā)現(xiàn)有一類特殊的斷層角礫巖(圖1),其在江貝、虎尾、清水塘等地沿斷裂帶呈線性展布,既不是普通的斷層角礫巖和單純的巖溶角礫巖也有別于汪勁草等提出的流體動力角礫巖。這種角礫巖的角礫及其膠結物兼具斷層作用和溶蝕崩塌作用的特征:角礫的膠結物既有白色的結晶方解石也有紅色的鈣、鐵物質及鈣華,角礫則分為斷層角礫和崩塌角礫兩種。在鏡下觀察時發(fā)現(xiàn),角礫及溶洞膠結物中均發(fā)育有方解石e雙晶等應力作用的產(chǎn)物,這說明這種角礫巖在形成之后又經(jīng)歷過構造變動。對于這種特殊的角礫巖,筆者將它命名為斷溶角礫巖,雖然該命名的科學性有待于進一步探究,但它卻能形象地概括,這種特殊角礫巖的特點:斷溶角礫巖是斷層角礫巖與巖溶崩塌角礫巖多次疊加的結果,是在多次斷裂活動和巖溶崩塌先后作用的背景下形成的一種特殊角礫巖。我們所見到的斷溶角礫巖是包含巖溶崩塌角礫的斷層角礫巖,而其中有的巖溶崩塌角礫還是由前期斷層角礫膠結而成的。在斷溶角礫巖中多期斷層角礫和巖溶崩塌角礫互為彼此的組成部分,構成了復雜的“礫中礫”現(xiàn)象。斷溶角礫巖中斷層角礫和巖溶崩塌角礫的含量則因不同的產(chǎn)出地點而各異,有的是斷層角礫多,而有的則是巖溶崩塌角礫占優(yōu)勢。恭城—栗木斷裂帶產(chǎn)出的斷層角礫巖中有很大一部分是筆者上面提到的這種斷溶角礫巖。1.1巖石礦物變形顯微構造斷溶角礫巖是在斷裂和溶蝕崩塌的共同作用下形成的。巖石在經(jīng)受應力作用后,不僅在宏觀上表現(xiàn)出變形特征,而且在微觀上,巖石結構和組成礦物也均表現(xiàn)出豐富多彩的變形特征,形成各種變形顯微構造。恭城—栗木斷裂帶中的斷溶角礫巖所表現(xiàn)出的變形顯微構造主要有顯微裂隙、變形礦物的光性異常、機械雙晶及壓溶縫合線等。1.1.1焊接式固結特點在研究區(qū)的斷溶角礫巖中所形成的顯微裂隙,以各種方式完成了固結和愈合,且固結方式大多以焊接式為主。所謂焊接式固結是指膠結物以相同的成分和不同的結晶方位將顯微裂隙固結。一般認為顯微裂隙是脆性變形的產(chǎn)物,但劉瑞認為天然變形巖石中的顯微裂隙與蠕變有關。1.1.2正常的未變形礦物的光性能在偏光顯微鏡下觀察變形礦物時,可以發(fā)現(xiàn)它們與正常的未變形礦物在光性上存在著差異。這種現(xiàn)象在變形巖石中極為普遍。研究區(qū)斷溶角礫巖中的光性異常主要為波狀消光和方解石晶體的突起異常兩種。1.1.3斷層巖中e雙晶的發(fā)育機械雙晶較易出現(xiàn)在一些對稱性較低或粒內滑移系統(tǒng)較少的礦物(如方解石和白云石)中。在恭城—栗木斷裂帶的斷溶角礫巖中普遍存在有方解石的機械雙晶(圖2)。方解石的機械雙晶是e雙晶。研究區(qū)斷層巖中發(fā)育的e雙晶除具有普遍的共性外,還兼有如下特點:①往往是幾組雙晶同時發(fā)育,根據(jù)幾組雙晶的相互切割關系,可以判斷出它們是同期形成的或是先后形成的;②早期形成的e雙晶頁理再次遭受應力作用之后,發(fā)生了彎曲和扭折現(xiàn)象;③e雙晶條帶常由更細的雙晶紋組成。一般認為,在較低溫度和較快應變速率條件下有利于機械雙晶的發(fā)育。1.1.4“型”和“h”型按照壓溶縫合線的形態(tài),可將其分為“V”型和“H”型兩種。在研究區(qū)的斷溶角礫巖中所觀察到的壓溶縫合線為“V”型,“V”字的尖頂指示出應力σ1的方向。1.2應變測量的方法應變測量的方法有很多,常用的有Fry法、Rf-?法、Panozzo法等。不同的方法有各自的適用條件及優(yōu)點。結合實際情況,筆者在此次應變測量中采用了Ramsay的Rf-?法。通過對恭城—栗木斷裂帶的斷溶角礫巖代表性應變測量,可以探討它與斷裂帶的成因關系。1.2.1應變類型分類領導在納壓,壓包成平面應變?yōu)橹?表現(xiàn)為平面應變?yōu)橹魉鶞y斷溶角礫巖的K值變化范圍在0.32～1.67間,應變類型基本上以壓扁型應變和平面應變?yōu)橹鳌９С恰跄緮嗔褞且粭l自東向西運動的中高角度的逆斷層,斷溶角礫巖的應變類型也是整個斷裂帶的一個縮影。1.2.2平均方位利用恭城—栗木斷裂帶中不同產(chǎn)出部位的斷溶角礫巖所測得的應變主軸方位,具有較明顯的一致性。其中1+ex為256°～293°∠9°～32°;1+ey為346°～32°∠1°～31°;1+ez為116°～169°∠52°～72°。平均方位:1+ex為276°∠21°;1+ey為9°∠16°;1+ez為142°∠62°。1+ex軸的平均方位與恭城—栗木斷裂帶的整體運動方向基本上是一致的。1.3斷溶角礫巖的組構分析目前能成功地作出動力學推論的是以方解石e雙晶和白云石f雙晶滑移系及石英變形紋較為成熟。在恭城—栗木斷裂帶的斷溶角礫巖中,方解石e雙晶是比較發(fā)育的,從而使我們能夠進行斷溶角礫巖的組構分析。恭城—栗木斷裂帶所截切的巖石主要為泥盆系和石炭系的灰?guī)r、白云巖。e雙晶主要發(fā)育在斷層巖中,而遠離斷裂帶,e雙晶則不甚發(fā)育,可見e雙晶是斷裂作用的產(chǎn)物。因此,根據(jù)方解石e雙晶分析所得到的應力方位可以代表斷裂帶形成時的應力方位。根據(jù)鏡下觀測所取得的數(shù)據(jù),并運用相關的投影方法得到相應的優(yōu)選方位:恭城—栗木斷裂帶的相對擠壓方向為近E—W向,平均方位為96°～276°,傾角為23°;相對拉伸方向為近S—N向,平均方位為172°5′～352°5′,傾角為42°。1.4差異應力值在應力作用下,方解石及白云石雙晶面上沿滑動方向的分解剪應力τr與差異應力間的關系為τr=(σ1-σ3)·cosx1·cosy1式中:x1,y1分別是最大主應力與雙晶面極點及滑動方向的夾角。cosx1·cosy1為分解剪應力系數(shù),記為S1,即τr=(σ1-σ3)·S1。當τr等于臨界分解剪切應力值τc即τr=τc時,雙晶開始滑動。只有當τr>τc時,雙晶才會發(fā)育。由此可知,產(chǎn)生雙晶的臨界差異應力值σ1-σ3=τc/S1,其中τc為常數(shù)。根據(jù)Friedman和Heard的實驗結果,方解石的τc為10MPa。S1的大小和礦物顆粒的雙晶化程度有關,并可以從方解石、白云石的雙晶化密度與S1的Jamison和Spang關系曲線圖中得到。在本次研究過程中共觀測了F208,F410等11塊薄片,每塊薄片觀測方解石顆粒100～200顆,具體數(shù)據(jù)見表1。一般,在e雙晶率所估算的差異應力值中以兩組雙晶所估算出的差異應力值精度為高。因此,在綜合大多數(shù)樣品的分析結果后,筆者認為差異應力值應當在30～50MPa間。即恭城—栗木斷裂帶的斷溶角礫巖基本上是在埋深5～8km的脆性變形環(huán)境下形成的。2斷裂帶形成的原因斷溶角礫巖作為恭城—栗木斷裂帶中斷層巖的一種,它的形成自然與斷裂作用息息相關。那么,對于斷溶角礫巖同時具有巖溶角礫巖的某些特征又如何解釋呢?由于恭城—栗木斷裂帶形成于巖溶發(fā)育的石灰?guī)r地區(qū),這種角礫巖存在的理論依據(jù)如下。①在斷裂通過的地區(qū),由于受形成斷裂的擠壓力的作用,在斷裂的旁側形成了軸向與斷裂走向一致的褶皺,這些褶皺的核部發(fā)育有張節(jié)理和虛脫空間。②斷裂作用形成了沿斷裂帶展布的構造薄弱帶,在外動力侵蝕作用下這樣的構造薄弱帶極易形成地形低洼的負地形。③周圍高地形的地表水匯集并沿著構造薄弱帶向下滲透,通過縱張節(jié)理等裂隙到達褶皺核部的虛脫空間。與此同時,斷裂和裂隙也為地下徑流提供了運移通道,地下徑流在大型裂隙與虛脫空間或層面相交處迅速擴大流通空間并發(fā)展成具有一定斷面積的溶蝕管道。管道內的水流具有更大的動能,除了繼續(xù)加速管道壁的溶蝕外,還有很強的機械侵蝕和刨蝕作用,使其斷面不斷擴大。④在地表滲透水和地下徑流的持續(xù)作用下,碳酸鹽巖不斷被溶蝕、帶走。隨著時間的推移,空洞不斷加大。空洞沿垂直方向向下擴展到一定深度后,褶皺核部原先的各層虛脫空間及大型裂隙便融會貫通,從而形成了沿斷裂走向水平發(fā)育的大型溶洞。⑤地下水水位上升或地表水的滲入不僅使巖石受到侵蝕也使巖石的物理力學性質發(fā)生改變——巖石的含水量增大、抗剪強度降低,從而降低了其抵抗?jié)B透變形的能力。另一方面,對于封閉性較好的溶洞,地下水的迅速下降還會對溶洞產(chǎn)生真空吸蝕作用。這些因素使得溶洞處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。⑥當斷裂再次活動時便誘發(fā)了某些處于臨界狀態(tài)的溶洞坍塌。此后,溶洞崩塌角礫與斷層角礫混雜堆積在一起并被膠結形成斷溶角礫巖。有些斷溶角礫巖在成巖后還有可能再次接受斷裂作用的改造。巖溶塌陷的形成是多種因素的影響和綜合作用的結果,總之,其形成與巖溶洞隙的存在和地下水的活動有關。而在恭城地區(qū),溶洞塌陷與斷溶角礫巖形成的主導因素則是恭城—栗木斷裂帶的活動。它是一條多期活動的長壽斷裂。恭城—栗木斷裂帶斷溶角礫巖的形成過程見圖3。早期斷裂作用下形成的褶皺,其核部發(fā)育有大量的縱張節(jié)理及虛脫空間,這為地表水的滲漏和地下水的流動提供了條件;在地表水與地下水的交互作用下,巖石被逐漸溶蝕,溶洞開始形成;隨著溶蝕作用的持續(xù),地下溶洞不斷地的貫通、擴大;在斷裂作用的誘發(fā)下,溶洞坍塌,坍塌下來的角礫經(jīng)膠結壓實后,形成斷溶角礫巖。和普通的溶洞相比,與斷裂伴生的溶洞規(guī)模更大,影響范圍更廣,發(fā)生坍塌的危險性更大。另外,與斷裂伴生的溶洞從形成到坍塌比普通的溶洞更有規(guī)律可循:在空間上順著斷裂帶展布,波及的范圍有一定的限度;在時間上受斷裂活動的影響,斷裂活動是其演化的主導因素。通過對恭城—栗木斷裂帶及其斷溶角礫巖的詳細研究可以掌握該地區(qū)與斷裂帶有關的地下溶洞的分布狀況及其發(fā)生、發(fā)展、滅亡的規(guī)律,做到有效預測,以減少或防止因巖溶塌陷而帶來的損失。此外,對斷溶角礫巖的研究還為恭城—栗木斷裂帶的構造分析提供了第一手的資料。3斷溶角礫巖的形成模式及意義斷溶角礫巖是恭城—栗木斷裂帶中斷層巖的一種,