利用微观构造估算方法重建平顶山矿区燕山期构造应力幅值

《ACS Omega》：Reconstruction of Tectonic Stress Magnitude of the Yanshanian Period in the Pingdingshan Mining Area by Using the Microstructural Estimation Method

　　

为探讨平顶山矿区构造变形机制及古构造应力场的定量特征，研究人员基于构造物理学与岩石力学理论方法，结合构造变形观测数据，对宏观、微观及超微观尺度的构造变形特征与机制进行了研究。研究获得了古构造应力场的演化期次，并确定了矿区构造岩的主要成岩期。进一步对矿区晚燕山期的古构造应力幅值进行了定量计算。结果表明：二叠纪—石炭纪砂岩地层中的宏观裂隙以构造裂隙为主，另有部分裂隙属于成岩裂隙。构造裂隙类型包括层控张裂隙、切层剪裂隙和平行层理剪裂隙。研究区微观裂隙类型包括张裂隙、剪裂隙、压剪裂隙和张剪裂隙。构造岩的超微观构造类型包括位错线和位错墙。构造岩晶内塑性变形机制以内位错滑移（dislocation glide）和位错攀移（dislocation climb）为主。平顶山矿区主要经历了印支期、燕山期和喜马拉雅期3个阶段的构造应力场活动，最大主应力方向经历了NS → NW → NE → NNE的转变过程。在多期构造应力场作用下，矿区在梨口向斜控制下形成了一系列NWW–NW向褶皱与断裂，并发育NNE–NE向次级断裂。矿区构造岩的主要成岩期为晚燕山期。基于晶格位错密度测量法，对构造岩样品成岩期次生石英加大边的超微观结构进行了测试，获得晚燕山期古构造应力幅值为40.70–62.50 MPa。并采用亚颗粒粒径方法对结果精度进行了验证。且越接近梨口向斜轴部，古构造应力越大。研究结果为平顶山矿区古构造应力场的定量分析提供了理论依据。

该文发表于《ACS Omega》，聚焦平顶山矿区古构造应力场的期次划分、方向演化与强度定量恢复问题。古构造应力研究通常包括形成时代、主应力方向及应力幅值三方面内容，但既有研究往往侧重局部现象，对三者缺少整体统筹，特别是在应力强度定量恢复方面，常因方法精度不足而导致认识分歧。平顶山矿区位于华北板块南缘，其构造演化受秦岭—大别造山带及周缘板块相互作用显著控制，自石炭—二叠纪含煤地层形成以来，先后经历印支期、燕山期和喜马拉雅期等多阶段构造改造，形成了复杂的褶皱—断裂体系。此前关于该区古构造应力场演化规律存在不同观点，重要原因在于研究者未能将构造变形特征、应力方向判识和应力强度恢复置于统一框架下分析，也缺乏对构造岩形成时代与超微观变形信息之间关系的系统论证。因此，开展该项研究不仅有助于厘清矿区多期构造叠加过程及其动力学背景，也为矿区构造裂隙发育规律、煤矿地质条件分析以及古应力场定量恢复提供基础支撑。

研究人员以平顶山矿区为整体对象，围绕宏观裂隙、微观裂隙、超微观位错结构及共轭节理组合展开系统分析。结果显示，矿区二叠纪—石炭纪砂岩中的裂隙以构造裂隙为主，宏观上可识别层控张裂隙、切层剪裂隙和平行层理剪裂隙，局部发育成岩裂隙；微观上可识别张裂隙、剪裂隙、压剪裂隙及张剪裂隙；超微观上则以位错线和位错墙为主要特征，表明岩石在构造作用过程中发生了显著的晶内塑性变形。结合节理切割关系、地层产状恢复及区域构造演化背景，研究人员将矿区古构造应力场划分为4期方向阶段，并归并为印支期、燕山期和喜马拉雅期3个主要演化时期，揭示最大主应力方向由近NS向依次转变为NW向、NE向和NNE向。进一步结合构造岩主要成岩期判定，选取晚燕山期次生石英加大边开展透射电镜分析，以位错密度法定量恢复古构造应力幅值，并采用亚颗粒粒径法进行交叉验证，最终得到晚燕山期古构造应力幅值为40.70–62.50 MPa。研究表明，矿区靠近梨口向斜轴部的部位古构造应力更高，反映出区域主控构造对差应力分布具有明显控制作用。该研究的重要意义在于，从宏观—微观—超微观多尺度证据出发，实现了矿区古构造应力场期次、方向与强度的统一重建，为复杂叠加构造区古应力场定量分析提供了可操作的技术路径与理论依据。

研究所采用的关键技术方法主要包括以下几类。首先，在野外与井下开展裂隙构造观测，于首山一矿和八矿等区域布设测点，获取2600组节理产状数据，用于共轭剪节理识别与古应力方向恢复。其次，从矿区10个采样点采集244组构造岩样品，筛选10组样品开展扫描电子显微镜（SEM，扫描电子显微镜）观察，识别微观裂隙组合与构造变形特征。再次，制备超薄离子减薄样品，利用场发射透射电子显微镜（FETEM，场发射透射电子显微镜）观察次生石英加大边中的晶格位错结构，结合位错密度法与亚颗粒粒径法定量估算古构造应力幅值。研究样本来源明确，包括地表露头与井下巷道、断层和向斜轴部等部位。

在“构造变形特征与机制”部分，研究首先从宏观尺度揭示矿区构造样式及裂隙成因。矿区总体受NW向梨口向斜控制，两翼次级褶皱和NWW–NW向、NNE–NE向两组断裂均较发育，显示明显的复合构造特征。通过野外与井下联合观察，研究人员认为二叠纪—石炭纪砂岩地层主要发育构造裂隙，其中层控张裂隙反映张性应力场作用，切层剪裂隙和平行层理剪裂隙则分别对应较强压缩—剪切作用与逆冲型压应力作用，局部层状成岩裂隙则具有近水平分布、延伸较短等特征。据此得出，矿区裂隙形成以压剪构造应力场为主控。

在“微观构造变形特征与机制”部分，研究人员对10组构造岩样品进行了SEM观察。不同样品表现出原碎裂岩（protocataclasite，初碎裂岩）、碎裂岩（cataclasite，碎裂岩）、原糜棱岩（protomylonite，原糜棱岩）和糜棱岩（mylonite，糜棱岩）等不同变形等级。部分样品以张裂隙占优势，裂隙宽度较大、方向不规则；部分样品以剪裂隙占优势，常见共轭剪节理，裂面平直光滑；还有部分样品同时保存早期剪切裂隙与晚期开张裂隙，表现为张剪复合特征；强变形样品则可见波状、鳞片状、弯曲状裂隙及小型平卧褶皱，反映较强压剪作用。综合这些现象，研究认为研究区微观裂隙主要包括张裂隙、剪裂隙、压剪裂隙和张剪裂隙，其中压剪应力场是微裂隙形成的主要控制因素。

在“超微观构造变形特征与机制”部分，FETEM结果显示，构造岩内晶格位错结构以位错线和位错墙为主。位错线又可细分为平直位错线、弯曲位错线、位错环及位错缠结等类型，不同样品中表现出平行排列、方向紊乱、环状封闭及强烈缠结等多种形态。研究据此判断，矿区构造岩的主要超微观变形机制并非单纯脆性破裂，而是以晶内塑性变形为主，具体表现为位错滑移与位错攀移。这一认识为后续利用位错结构恢复古应力强度提供了显微结构基础。

在“古构造应力场期次划分”部分，研究人员利用2600组节理产状数据和Stereonet 11投影分析，结合褶皱恢复与共轭剪节理几何关系，重建了不同阶段的主应力方向。研究识别出4期应力方向：第一期近NS向，第二期NW向，第三期NE向，第四期NNE向。进一步结合区域构造背景，将第一期归属于印支期，第二期归属于早燕山期，第三期归属于晚燕山期，第四期归属于喜马拉雅期。研究指出，矿区在多期应力场叠加下最终形成以NWW–NW向褶皱和断裂为主体、NNE–NE向断裂为次级的构造格局。与此同时，来自高沟逆断层、沟里峰断裂、白石山背斜轴部、新店断裂、张湾断裂和焦赞向斜轴等部位的构造岩样品均被判定为晚燕山期主要成岩产物，从而为后续选定古应力恢复时段提供了依据。

在“古构造应力幅值分析”部分，研究首先采用位错密度法进行定量计算。研究基于石英晶体中位错密度与差应力（differential stress，差应力）之间的经验关系，通过统计超微薄片图像中随机线与位错线交点数，计算样品的自由位错密度，再根据石英适用公式换算晚燕山期古构造应力幅值。10个测点的结果显示，古构造应力幅值介于40.70–62.50 MPa之间，平均值为54.10 MPa。随后，研究采用亚颗粒粒径法进行验证，所得结果范围为46.46–68.63 MPa，平均值为56.89 MPa，与位错密度法总体一致，说明位错密度法结果具有较高可靠性。仅个别样品因断层尺度较小、切割浅、变形温度较低，导致两种方法差异较大。总体上，两种方法相互印证，支持矿区晚燕山期古构造应力幅值的定量恢复结果。

在“讨论”部分，研究进一步将应力幅值空间差异与矿区主控构造位置联系起来。首山一矿与八矿分别位于梨口向斜轴两侧，无论地表强变形糜棱岩测点，还是井下巷道断层测点，均表现出越接近梨口向斜轴部，古构造应力越大的规律。例如，首山一矿高沟逆断层与沟里峰断裂、八矿张湾断裂与新店断裂的对比都显示出这一趋势。说明梨口向斜不仅控制矿区总体构造格局，也对晚燕山期差应力分布具有明显约束作用。研究同时指出，尽管亚颗粒粒径法可用于验证，但位错密度法在本研究中的结果总体更为可靠。

研究结论可概括为：平顶山矿区二叠纪—石炭纪砂岩地层的宏观裂隙以构造裂隙为主，微观裂隙包括张裂隙、剪裂隙、压剪裂隙和张剪裂隙，构造岩超微观构造以位错线和位错墙为主，其晶内塑性变形机制主要为位错滑移和位错攀移。矿区主要经历印支期、燕山期和喜马拉雅期3个主要构造应力场演化阶段，最大主应力方向经历NS → NW → NE → NNE的演化过程，并在梨口向斜控制下形成NWW–NW向褶皱断裂与NNE–NE向次级断裂组成的构造格局。构造岩的主要成岩期为晚燕山期。基于次生石英加大边超微观结构的位错密度测量，研究恢复出晚燕山期古构造应力幅值为40.70–62.50 MPa，且越接近梨口向斜轴部，应力幅值越高。整体而言，该研究实现了平顶山矿区古构造应力场从定性识别到定量恢复的多尺度综合分析。