台湾中部楚iang 突破断层传播褶皱卓兰砂岩中的变形带：构造、微构造、矿物学对应变 localize 的约束

《Journal of Structural Geology》：Deformation Bands in the Cholan Sandstone of the Chushiang Breakthrough Fault-propagation Fold, Central Taiwan: Structural, Microstructural, Mineralogical, Constraints on Strain Localization

　　

变形带是孔隙砂岩中应变局部化的重要记录，但其在收缩型断层传播褶皱中的特征与构造意义仍缺乏充分记载。本研究考察了台湾中西部浊水溪（Chi-Chi堰下方）出露的粗香断层传播褶皱系统中，位于Cholan砂岩内的变形带。研究综合野外观察、岩石薄片与X射线衍射（XRD）分析，以刻画其分布、微观构造、矿物学特征及构造关系。共识别出四类变形带：碎裂带（D带）、压碎带（C带）、聚集体压碎带（A带）与剪切滑移带（S带）。其分布随构造位置而变化：D带主要出现在顶下州背斜东翼，而C、A、S带则集中于褶皱上盘域并向粗香断层方向富集。走向分析表明，变形带的发育主要受褶皱相关缩短作用控制，其中一组与粗香断层近于平行，另两组共轭组与褶皱几何形态及推断的挤压应力场一致。变形带的空间分布与微观构造特征支持了断层传播褶皱过程中渐进式应变局部化的模型：随着靠近粗香断层，压碎程度、基质发育及滑移局部化程度逐渐增强。这些结果表明，褶皱几何控制变形带的组织格局，而距粗香断层的距离则影响上盘损伤域内的变形强度与应变局部化程度。

引言

应变局部化是控制岩石在构造缩短过程中如何承载变形的基本过程。在褶皱逆冲带中，出露式断层传播褶皱的构造演化（Suppe & Medwedeff, 1990）呈现出高度复杂的应变历史，变形由早期的弥散折叠向强烈的局部化断裂转变。由于地质构造的多期叠印，解读这种由弥散到局部化的渐进转变往往颇具挑战。然而在孔隙砂岩中，变形带可保存重要的局部变形记录。其空间分布、几何形态、微观构造及矿物学特征因此可作为构造标志，用于研究应变的空间组织与渐进局部化。

变形带是孔隙砂岩中一类构造不连续体，为浅壳层早期应变局部化提供了出色的记录（Fossen et al., 2007）。它是孔隙粒状材料（尤其是孔隙度大于15%的砂岩，Fossen et al., 2018，以及非固结沉积物）内部应变强烈局部化的独立区域，通常发育为毫米至厘米级宽度的平面至板状构造（Fossen et al., 2007）。变形带与断层不同之处在于单条变形带上的滑动通常可忽略不计，应变主要通过对粒状流动（有或无压碎）以及通过压实或扩容引起的局部孔隙度变化来承载（Aydin, 1978; Fossen et al., 2007, 2018; Fossen and Bale, 2007; Rotevatn et al., 2008）。由于变形带会改变颗粒组构与孔隙几何形态，因而可显著改变砂岩储层与含水层的力学与水力性质，并在渐进变形过程中常常先于、伴随或与断层相互作用乃至演化为断层（Antonellini et al., 1994; Ballas et al., 2015; Fossen et al., 2007）。渗透率降低的幅度强烈依赖于变形机制、粒度减小程度和黏土含量（Fossen et al., 2007, 2018; Torabi and Fossen, 2009）。在压碎型变形带中，渗透率通常降低1–3个数量级，局部甚至可达5–6个数量级（Torabi and Fossen, 2009; Nogueira et al., 2021）。

广泛应用的有两套互补的分类框架。运动学方案根据体积变化和剪切组分，将变形带分为压实、扩容、剪切和剪切增强压实带（Aydin et al., 2006）。机理（过程）方案则依据主导变形机制——粒状流动、层状硅酸盐涂抹、颗粒破裂与磨损、以及溶解-沉淀伴胶结物生长——将变形带分为碎裂、层状硅酸盐、压碎和溶蚀-胶结带（Fossen et al., 2007; Rotevatn et al., 2008）。两套方案虽非一一对应，但共同构成了将中尺度几何形态与微观尺度过程相联系的坚实基础。

自Aydin (1978) 和 Aydin and Johnson (1978) 的开创性研究以来，变形带作为孔隙砂岩中的应变局部化构造已被广泛研究。它们通常先于或伴随滑移面发育，并可强烈影响流体流动性质（例如 Fossen et al., 2007; Rotevatn et al., 2008; Wibberley et al., 2008）。变形带簇可能在断层带不规则处优先形成，如弯折、台阶、接力段与拖曳带，反映了浅部断层带发育过程中的渐进局部化（Nicol et al., 2013）。在微观尺度上，粒度减小、优先磨蚀及层状硅酸盐富集可降低孔隙度并改变渗透率，即使在浅埋藏深度也是如此（Exner & Tschegg, 2012）。

近期研究进一步表明，变形带应被视为空间可变的网络，而非孤立构造。网络连通性通常向断层核部增高，其中变形带的簇聚、终止与相交形成良好连通的低渗透性区域（Torabi et al., 2017; Del Sole et al., 2020; Silva et al., 2022; Heggernes et al., 2023; Honório et al., 2025）。这些研究强调需要整合野外尺度格局与微观构造、岩石物理观测。

在挤压环境下，变形带群体可能在断层传播褶皱与渐进缩短过程中演化，随着褶皱放大其密度、几何与变形样式发生系统性变化。在圣拉斐尔单斜，早期层理平行带在低前倾角处形成，随后持续褶皱促进了横切式共轭剪切相关带的发育（Zuluaga et al., 2014）。类似现象也出现在弱埋藏褶皱系统中，早期带在持续挤压中被纳入更复杂的网络（Gambino et al., 2019）。总体而言，这些研究表明褶皱几何、有效正应力、剪切位移及围岩成分共同影响变形带发育（Goldsby et al., 2024; Jiang et al., 2025）。

尽管有上述进展，但变形带在出露式断层传播褶皱中如何空间组织、如何记录褶皱与断层过程中的渐进应变局部化，仍缺乏充分约束。尤其是变形带分布、断层距离、褶皱构架与变形机制之间的关系尚未被充分厘清。回答这些问题需要将野外尺度构造观察与微观构造、矿物学分析相整合。

本研究通过对台湾中西部浊水溪（Chi-Chi堰下方）出露的新近纪末—更新世初Cholan组砂岩（下文简称Cholan砂岩）中变形带的综合野外与实验室分析来解答上述问题。这些变形带出现在东倾粗香断层的上盘及相关的石嘴子向斜与顶下州背斜中，二者共同构成一个出露式断层传播褶皱系统。本研究刻画变形带类型及其空间分布，考察其与断层距离和褶皱构架的关系，并整合野外观察与微观构造、矿物学分析，评估变形机制和应变局部化在断层-褶皱系统内的差异。随后基于这些观测评估变形带的构造意义，并约束粗香出露式断层传播褶皱的渐进发育过程。

片段

区域构造框架

台湾是由菲律宾海板块与欧亚板块以约82 mm/yr的汇聚速率碰撞形成的活动造山带（Teng, 1996; Yu et al., 1997; Shyu et al., 2005）。主构造走向NNE–SSW，以逆冲滑动为特征（图1）。自西向东可识别出几个主要构造单元——海岸平原、西部麓山带、雪山山脉、中央山脉和海岸山脉——它们被主要逆冲系统所分隔（Ho, 1986）。The

方法

本研究将砂岩变形带的中尺度野外观察与微观尺度实验室分析相结合。为保持术语一致性，本研究使用三个术语来区分所考察的对象。"变形带"指砂岩内部可见的局部变形区。"围岩"指相对未变形、可代表原始砂岩组构的砂岩，作为参照。"变形带邻域岩"

变形带的野外分布与几何（A–D区）

为记录变形带的分布、几何形态与群集特征及其与区域构造的关系，依据露头质量和可达性选择采样点。这些点位沿浊水溪划分为四个区域（A–D）：A区为顶下州背斜东翼；B区为顶下州背斜西翼延伸至石嘴子向斜轴迹；C区为石嘴子向斜轴迹之间的区域……

变形带的构造分布与应变局部化

Cholan砂岩中的变形带在粗香断层传播褶皱系统的上盘内分布不均，并优先发育于厚层砂岩中（图2和图4）。其空间分布随褶皱几何和距粗香断层的距离而变化，表明构造位置强烈影响变形样式和局部化强度。在顶下州背斜东翼（A区），变形带相对稀少……

结论

在粗香断层传播褶皱系统的上盘内，变形带发育良好，并优先由Cholan组的厚层砂岩所承载。其分布总体呈现空间变化：变形带集中于褶皱上盘域（B、C区），在反盘（D区）稀疏，仅在顶下州背斜东翼（A区）局部发育。该分布体现了强烈的构造控制作用，即CRediT作者贡献声明T. L. C. Nguyen：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，方法论，调查研究，形式化分析，概念设计。Wen-Jeng Huang：撰写—审阅与编辑，可视化，监督指导，方法论，概念设计。

未被引用文献

Antonellini and Aydin, 1994; Chen et al., 2016; Chinnery, 1961; Schultz, 2019; Yang et al., 2014.

数据可用性

数据应要求提供。

生成式人工智能与AI辅助技术使用声明

在准备本研究期间，作者使用ChatGPT以改进稿件的语言和可读性。在使用该工具/服务后，作者对所撰写内容进行了审阅和编辑，并承担已发表文章内容的全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在已知可能影响本研究结果的财务利益或人际关系冲突。

致谢

我们感谢Victor Alania和一位匿名审稿人的建设性意见和建议，这帮助提升了本手稿的质量和清晰度。我们衷心感谢地质力学研究小组的陪伴、支持以及富有启发性的讨论，无论是在办公室还是在野外工作期间，特别是Yi-Wei Chiou、Tsung-Chi Huang和Chung-Wei Chang。

T.L.C. Nguyen|W.J. Huang

台湾中央大学应用地质研究所