秦岭山脉绵芦韧性剪切带的流变学、有限应变及运动涡度分析：对中国中部中生代造山作用的意义

《Journal of Structural Geology》：Rheology, finite strain and kinematic vorticity analyses of the Mianlue ductile shear zone, Qinling mountains: implications for Mesozoic orogeny in Central China orogeny

　　

摘要

勉略剪切带（MSZ）记录了秦岭造山带内的中生代造山动力学。通过对流变学、有限应变和运动涡度的详细分析，明确了控制该系统构造演化的洲内变形机制。石英c轴织构的开放角度表明，在早期推覆剪切过程中（550?°C–660?°C），变形温度高于晚期走滑剪切过程（390?°C–570?°C）。这些温度明显高于周围低级变质岩的温度，这表明剪切加热和同构造岩浆热输入对剪切带的热演化起了重要作用。结合年代数据，这些结果表明，在MSZ中，推覆和走滑剪切作用部分同时发生。两个阶段的应变率（10^?11–10^?12 s^?1 和 10^?12–10^?13 s^?1）均显著超过了造山尺度的平均值（10^?14 s^?1），反映了强烈的应变局部化现象。利用莫尔圆和Rs-θ方法估算的平均涡度数（Wm）值表明，早期推覆剪切（0.51–0.89）和晚期走滑剪切（0.41–0.69）都以纯剪切为主。此外，有限应变测量结果显示，早期推覆剪切伴随着挤压应变，而晚期走滑剪切则伴随着扁平化。通过整合多尺度应变指标，我们建立了MSZ演化的运动-动力学模型，揭示了两个阶段：（1）同碰撞期的NNE-SSW压缩作用产生了以推覆为主的剪切；（2）挤压作用产生了以NE-SW走滑为主的变形，并伴随有局部推覆结构。

引言

已知塑性推覆剪切带和走滑剪切带的形成与演化主要与海洋俯冲、地壳增生、弧-大陆碰撞以及造山运动的收缩阶段相关（Xu等人，1997年）。近年来，理解构造汇聚区内的大规模地壳塑性剪切带的变形和运动机制已成为一个重要的研究课题（例如，Mohajjel等人，2003年；Sarkarinejad等人，2008年；Thigpen等人，2010年；Law等人，2010年；Mukherjee和Koyi，2010年；Faghih和Soleimani，2015年；Montomoli等人，2015年；Sarkarinejad等人，2017年；Samani等人，2020年；Dutta和Mukherjee，2021年；Mahmoudi Sivand等人，2021年；Ebrahimi等人，2021年；Soleimani等人，2021年）。野外数据分析、显微结构观察和数值研究是探索自然剪切带变形特征的基本方法。这些研究中使用了各种变形指标，如微观/宏观化石、斑岩碎屑和变质沉积岩中的沉积碎屑。分析这些指标有助于了解应变模式和变形历史。

作为此类研究的天然实验室，位于中国中部的秦岭造山带是一条东西向的复杂大陆造山带（Zhang，2015年）。这条造山带北起卢南-栾川断层，南至商南-丹凤（商丹）断层和勉县-略阳断层，周围环绕着华北、秦岭和华南陆块（Meng和Zhang，2000年）（图1a）。勉略剪切带（MSZ）是一条由多个推覆断层构成的广阔复合大陆构造带。该带包含不同年龄的构造板块（Zhang等人，2003年）；此外，蛇绿岩和岛弧火山碎屑的存在表明其在秦岭造山带中具有重要的海洋缝合带特征，与商丹缝合带并肩（图1b）（Zhang等人，1995年、1996年、2001年、2003年、2004年）。近年来，基于地球化学（Law等人，2010年；Xu等人，2016年）、地质年代学（Li等人，1996年；Sun等人，2000年；Li等人，2009年；Lin等人，2013年；Xu等人，2021年；Yan等人，2008年；Liu等人，2022年）、变质岩石学（Li等人，2003年）、岩石学和沉积学（Feng等人，1996年；Yin等人，1996年；Liu等人，2001年；Wu等人，2021年）以及构造学（G.W. Zhang等人，2001a、b、2004年；Pei等人，2002年；Li等人，2007年、2021a、2021b；Dong等人，2011年；Zhao等人，2021a、b）等多个学科，对勉略构造带进行了广泛研究。然而，与大陆汇聚相关的塑性剪切构造变形尚未得到足够的关注。

在勉略剪切带（MSZ）中，暴露出多种岩石类型（如片麻岩、花岗岩类和变质沉积岩）。这些岩石经历了广泛的塑性变形，并形成了多种类型的糜棱岩。糜棱岩是有限应变和流变信息的有效记录者，使其成为定量分析塑性变形过程的理想对象。

本研究对MSZ进行了综合的显微结构和构造分析，MSZ是秦岭造山带中的关键结构。通过研究定向糜棱岩薄片中石英和长石的变形特征，本文描述了晶体织构并量化了控制剪切带动力学的关键流变参数。我们的方法将微观尺度的运动指标与宏观尺度的构造过程联系起来，揭示了渐进塑性变形过程中的应变局部化和分配机制。结合构造、流变和岩石学证据以及区域地质动力学约束，我们建立了一个精细的演化模型，揭示了MSZ的双模态构造特性：既是同碰撞期的地壳尺度推覆系统，也是碰撞后的挤压剪切带。

章节片段

区域地质

勉略剪切带（MSZ）位于秦岭造山带的南部边缘（图1a和b）（Li等人，1996年、2002年、2007年；Pei等人，2002年；Feng等人，2004年；Zhang等人，2004年）。值得注意的是，该带通过庄源北断层和黑耶巴断层与秦岭地块和华南地块（在康县-略阳段）分隔开（图1c）。MSZ的核心区域普遍存在蛇绿岩混合岩，标志着

石英c轴织构

我们分析了从勉略构造带高应变区采集的样品的薄片（图1c）。使用配备通用载物台的光学显微镜确定了石英c轴晶格优选方向（LPO），并将这些测量结果绘制在下半球的施密德立体投影图上。通用载物台是一种五轴装置，采用折射率为1.552的玻璃半球。为了消除

石英重结晶机制

传统上，核-幔结构被认为是亚颗粒旋转重结晶（SGR）的指标（Gifkins，1976年；White，1976年）。然而，在我们的样品中，石英颗粒几乎完全重结晶，没有保留核-幔结构，动态重结晶的石英颗粒表现出平滑的叶片边界（这是SGR主导机制的特征）（图8a）。SGR后的石英糜棱岩过渡到颗粒边界迁移（GBM）重结晶

应变局部化

Pfiffner和Ramsay（1982年）基于圣安德烈亚斯断层的测量数据（Whitten，1956年）和冰川等静力调整的测量数据（Hicks和Shofnos，1965年），提出了一个“常规地质应变率”为10^?14±1?s^?1。这一估计自从他们的经典论文发表以来被广泛采用，该论文基于造山带的有限应变记录（Fagereng和Biggs，2019年）。我们从勉略构造带采集的样品提供了应变率

结论

• (1)
  MSZ经历了异常高的变形温度（550–660?°C和390–570?°C），反映了剪切加热和同构造岩浆作用的综合热效应叠加在区域变质作用上的结果。
• (2)
  勉略剪切带（MSZ）的应变率数据表明，早期推覆剪切阶段（10^?11–10^?12 s^{?1?12–10?13 s?1?14 s?1}

CRediT作者贡献声明

李晓兵：撰写——原始稿件，软件，方法论，概念化。裴先志：撰写——原始稿件，监督，方法论，概念化。李建飞：撰写——审稿与编辑，形式分析，数据管理。王新平：撰写——审稿与编辑，验证。李卓成：调查，形式分析。李瑞宝：调查，形式分析。王猛：方法论，调查，形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山西省基础研究计划（自由探索）项目（202303021211137，202203021212401）和陕西地质矿业集团有限公司研究基金项目（KY202302）的共同资助。

李晓兵，1986年出生于宁夏回族自治地区，拥有博士学位，现任山西师范大学副教授。他的研究结合多尺度结构分析和构造岩浆学，旨在解读原始特提斯域的造山演化，重点研究东昆仑-秦岭造山带的野外工作。电子邮件：[e-mail]。

李晓兵|裴先志|李建飞|王新平|李瑞宝|王猛山西师范大学地理科学学院，太原，030031，中国