混合侵位机制与构造相互作用：对韩国东南部岩墙-断层-裂缝系统的深入解析

本文通过精细野外填图与拓扑分析，揭示了始新世镁铁质岩墙侵入晚白垩世花岗岩基岩过程中的混合侵位机制。研究阐明了岩墙-断层-裂缝（DF2）系统的结构演化受岩墙侵位与构造继承性共同控制，提出了强力破裂与被动侵入的混合模式，为理解大陆地壳中岩浆-构造耦合过程提供了关键案例。

　　

引言

岩浆迁移路径通常利用地壳中的构造薄弱带，导致岩墙侵位。作为主要的岩浆输运结构，岩墙展现出多样的几何形态，受岩浆成分、粘度、基岩特性和先存裂缝共同影响。岩浆压力超过基岩抗拉强度时，会诱发破裂产生新的上升通道或利用先存裂缝进行主动侵入。虽然力学过程主导岩墙扩展，但热弱化（如热诱发变质降低围岩强度）和化学相互作用（如挥发分驱动的交代作用）可能进一步促进侵位。这些岩浆构造的后续构造变形，结合围岩非均质性，可导致相互连接的岩墙-断层-裂缝（DF²）系统的发育。

地质背景

研究区位于韩国蔚山瑞山面，属于庆尚盆地东南部。该区域由白垩纪沉积岩和后期侵入的火成岩组成，上覆第四纪冲积沉积。广泛分布的沉积单元称为伊川里组，包括砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩。瑞山面地貌主要由晚白垩世至古近纪花岗岩构成，角闪花岗岩为主要类型，在日光矿区附近局部出现黑云母花岗岩。角闪花岗岩被酸性和镁铁质岩墙侵入，交叉切割关系表明镁铁质岩墙侵位更晚。这些岩墙可能侵位于始新世至渐新世，与太平洋-欧亚俯冲带后撤和东海张开同时。花岗岩基岩年龄为65.8–63.2 Ma（K-Ar法）和67.3–62.8 Ma（Rb-Sr法），岩墙群为玄武质至流纹质成分，属于通常与俯冲相关火山弧相关的钙碱性岩浆系列。放射性数据指出两期玄武质岩墙侵位：内陆期约48 Ma，沿海期约44 Ma。日光断裂是一条NNE至NE走向的走滑断裂，定义了研究区西界，代表梁山断裂系最东端构造。

方法论

为精确测绘DF²系统，在露头建立1 m × 1 m网格。每个网格单元的详细草图记录了岩墙、裂缝和断层之间的空间关系，包括交叉切割关系和运动学指标（如擦痕线和次级裂缝）。使用Adobe Photoshop构建高分辨率照片镶嵌图，为构造填图提供连续视觉基底，实现约200 m × 200 m暴露区的特征数字化。执行几何复原以确定岩墙侵位期间的局部扩张方向，并重建侵入前围岩配置。该过程涉及数字移除展现复杂几何形态（如锯齿状模式）的岩墙，并将关键穿刺点（如膝折弯曲、裂缝交叉点）重新对齐至原始位移前位置。拓扑分析可表征DF²系统的几何形态和空间连通性。该方法通过区分不变拓扑属性（如连接计数）与可变几何属性（如长度或面积）来量化裂缝系统的连通性。在二维中，裂缝被建模为由节点和分支互连的迹线（线条）。节点分类为I-节点（孤立裂缝末端）、Y-节点（分叉/合并裂缝的连接点）或X-节点（两条裂缝的交点）。分支分类为II（孤立）、IC（连接孤立和连接节点）或CC（连接两个连接点），三元图可视化它们对连通性的比例贡献。分析两个关键指标：二维裂缝强度（P₂₁），计算为单位面积总裂缝迹线长度（面积计数法）；每分支连接数（C_B），一个无量纲指数（0–2），其中0代表孤立II分支，接近2表示高度连接的IC/CC网络。

结果与解释

裂缝网络分析

广泛暴露的花岗岩基岩包含镁铁质岩墙群、裂缝和断层。裂缝网络显示两个主导趋势：ENE-WSW（或E-W）和NNE-SSW（或N-S）。NE-SW走向裂缝展现良好连续性，横切两个主导裂缝集并增强网格状网络的连通性。岩墙群区域，主断层以西，呈现网格状裂缝网络，裂缝方位随接近断层而系统变化。主断层延伸超过250 m，既切割也沿着高度变形的NE走向岩墙边界发育，其特征为这些岩墙内部和沿边缘5–10 cm厚的断层泥带和角砾岩化。

被动岩墙侵入与表观断层位移

岩墙轨迹受剪切应力与先存裂缝之间的力学相互作用控制，围岩非均质性和岩浆超压进一步影响扩展动力学。在岩墙端部，张性裂缝转变为剪性裂缝，因岩浆压力和围岩非均质性旋转主应力方向。这种应力重新配置驱动雁列裂缝阵列发育，并通过局部应变积累促进断层再活化。研究区三种不同岩墙方位反映这些应力-裂缝相互作用：ENE走向岩墙展现尖锐、平面状边界和广泛侧向连续性，终止于或沿NNE取向裂缝侵入或发育拖尾几何。NNE走向岩墙显示有限连续性，在与ENE走向岩墙相互作用处形成弯曲（锯齿状）几何。NE走向岩墙保持侧向连续性尽管边界不规则和厚度可变，偶尔利用先存NNE或ENE走向裂缝作为通道。岩墙扩展方向通常与σ₃方向一致。然而，在由被动侵入导致复杂几何形态区域，如岩墙弯曲、分支或不规则终止，这种关系变得不明确。三种主导岩墙方位表明受局部应力场旋转或先存裂缝网络控制的可变扩展路径，使σ₃方向识别复杂化。为解决不确定性，应用几何复原方法解析复杂应力场并重建与非线状裂缝模式相关的应力体制。岩墙边界被几何复原，它们与裂缝的关系被分析。最短路径连接这些点显示约332°的扩张方向（σ_Hmin: 332°, σ_Hmax: 062°）。研究区观察到岩墙侵入正交裂缝网络，不规则NE和ENE走向岩墙展现钝化端部和断层控制几何，指示被动侵入，其中岩浆跟随先存裂缝并被构造屏障偏转。一些薄岩墙（厘米级）具收缩端部独立形成并终止于N-S走向断层。岩墙几何，包括偏移和厚度变化，暗示构造控制侵位。N-S走向断层沿西段产生表观左旋位移，沿东段产生表观右旋位移。这种位移称为“表观”因为它并非源于侵位后断层滑动，而是侵入岩浆无法跨越先存不连续面。相反，岩浆沿断层面偏转，产生不连续岩墙段，在平面图上显现偏移。跨断层不对称厚度和分布变化确认同侵位构造控制而非侵入后断层作用。

岩墙侵位后脉体形成

方解石主导脉体优先充填与岩墙方位一致先存裂缝，并沿岩墙边缘和内部集中，此处热液流体强烈蚀变岩墙。脉体形成发生于岩墙冷却后，如交叉切割关系所示。晚期热液活动通过机械弱化带选择性溶解产生网状脉网络和角砾岩化岩墙内部。

ENE走向断层再活化

研究区裂缝系统以两个主要方位主导。若干ENE走向裂缝在NE水平应力下再活化为左旋断层。研究区一条左旋断层与8 m宽端部损伤带相关，包含密集簇状次级裂缝（平均长度10 m），趋势045°具陡倾角。

岩墙控制裂缝系统与拓扑分析

为研究DF²系统构造相互作用，在研究区东南部采用拓扑分析。数字化裂缝迹线使用QGIS的NetworkGT工具包计算两个指标（P₂₁和C_B）。裂缝强度与每分支连接数分析显示，域1（6.14 m^?1）的P₂₁比域2（2.16 m^?1)高2.84倍，域面积比1:4.34。裂缝强度尖锐对比与岩墙边界一致。域1显示均匀高裂缝强度，而域2显示裂缝集中于断层连接带和断层-张性裂缝交叉带。这种分区反映域1岩墙主导裂缝控制和域2断层驱动过程。C_B值域1为1.29，域2为1.17，表明尽管域1裂缝强度显著更高，但其连通性略高。域间C_B小变化暗示与P₂₁弱相关。裂缝连通性主要控制C_B，但节点和裂缝总数也起作用。较大区域通常比较小区域包含更多节点和裂缝，即使裂缝强度不同。域1和域2总节点数（14,920 vs. 12,058）和裂缝数（6,732 vs. 5,651）相当。面积差异解释节点和裂缝数微小变化，导致域间C_B小差异。岩墙作为力学屏障分析表明，与A-A′横切线相交裂缝被识别和计数以构建累积频率图。结果显示裂缝频率随接近岩墙变化，岩墙对裂缝模式控制强于周围断层。研究区由侵入花岗岩基岩的镁铁质岩墙组成，后期被E-W走向左旋走滑断层横切。这些断层产生具高裂缝密度侧向损伤带；然而，岩墙作为力学屏障，限制裂缝扩展和生长。这种屏障效应源于力学对比，包括岩墙与花岗岩之间刚度和抗拉强度差异。这些对比改变局部应力场，限制侧向裂缝扩展，并影响周围岩体变形动力学。应力和应变集中于这些力学不连续面附近，导致沿岩墙边缘局部化变形。

讨论

岩墙-断层几何与断层再活化

岩墙侵入期间，岩浆驱动应力（如超压和沿裂缝剪切耦合）重新定向局部应力场。这些应力扰动可触发沿先存裂缝滑动或产生平行于NE σ_Hmax（062° ± 10°）的新张性裂缝，该应力主导岩墙侵位主阶段。这些裂缝和相关正断层作为优先岩浆通道，通过循环损伤积累促进断层系统成熟。研究区这些裂缝和相关正断层随后作为岩浆迁移优先通道，促进循环损伤积累和断层带渐进成熟。该过程被正弦曲线岩墙几何和叠加擦痕线证明。重复侵入将断层带转化为复杂网络，产生次级裂缝、附属断层和分支几何。成熟断层系统容纳具复杂几何岩墙，与未变形基岩中更简单几何对比。

岩墙侵位机制：强力与被动侵入

强力侵入通过超过完整岩石抗拉强度产生新裂缝，而被动侵入在中等岩浆压力下利用先存裂缝。这些机制常共存，反映岩浆压力与基岩结构裂缝复杂性之间相互作用。研究区岩墙侵位通过两种主要侵位机制发生。ENE和ENE走向裂缝形成网格状模式，岩墙沿裂缝侵入或部分穿透它们。指示被动侵入的锯齿状几何在不同尺度被观察到。这些几何复原暗示σ_Hmax方向062°与强力岩墙面一致。与剪切变形相关岩墙侵入形成雁列结构和再活化N-S走向裂缝。NE走向岩墙跟随主扩展，在强力侵位期间产生断层平行或亚平行裂缝。岩墙侵位后断层作用涉及水力破裂。

基于观察提出整合被动和强力侵入机制的混合模型。整个同侵位阶段，岩墙采用双重机制：利用基岩先存裂缝和通过岩浆超压扩展通过完整基岩。侵位后ENE走向左旋运动发生于旋转应力场下，其中NE σ_Hmax变主导。该运动被岩墙侵位期间σ₁和σ₂轴反转促进，这也触发沿再活化断层带热液蚀变。混合侵位似乎广泛适用，取决于三个相互依赖控制因素。深度-流变学：在浅层（约<5 km）低平均应力促进强力I型岩墙。在脆-韧过渡带（5–15 km）张性破坏和构造再活化共存，产生真杂交。约15 km以下高温韧流将岩浆限制于先存各向异性。主岩岩性：沉积序列沿层理产生岩床-岩墙网络，而高级片麻岩引导岩浆沿叶理。岩浆流变学：低粘度（约10²–10⁴ Pa s）有利于渗透裂缝渗滤，中间值（约10⁴–10⁶ Pa s）优化杂交行为，高粘度（>约10⁶ Pa s）使侵入偏向断层控制通道。

结论

本研究阐明了岩墙侵位、裂缝网络和断层再活化之间动态相互作用。通过整合野外观察、几何复原和拓扑分析，证明岩墙侵入通过混合机制发生，结合完整基岩强力破裂和先存裂缝被动利用，受岩浆和构造过程同侵位阶段耦合控制。关键发现包括：混合侵位机制：NE走向岩墙展现强力（NW-SE σ₃下I型破裂）和被动（受ENE-WSW/NNE-SSW裂缝集引导）侵入样式。它们共存反映岩浆超压与构造继承性之间相互作用，岩墙几何（如锯齿模式、钝化端部）作为这些过程特征标志。岩墙-断层力学相互作用：岩墙作为双重力学特征，既作为抑制裂缝扩展屏障也作为促进断层再活化应力集中器。跨岩墙边界裂缝强度（P₂₁）和连通性（C_B）对比突出其在分区变形中作用。DF²系统中构造继承性：先存裂缝和断层控制岩墙轨迹，引导岩浆沿力学薄弱带。当岩墙侵入时，它们产生局部应力变化，促进断层再活化、成核和沿其边缘和内部应变集中。这种相互作用导致结构互连岩墙-断层网络，其中重复再活化强化这些带作为长期地壳薄弱带。