湖南梅城—寒婆坳地区煤田显微构造成因_武玉良.pdf

第 45 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.3 2017 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 3. Hunan Coal Geological Exploration Institute, Changsha 410014, China Abstract The microstructural phenomena in the rock of Meicheng-Hanpo’ao area were analyzed from the micro- scopic scale, in combination with the regional tectonic background, the genesis of structure in the coalfield was analyzed from macroscopic and microscopic analysis. The results show that the study area is dominated by low temperature brittle deation, multiple fracture sets show that the staggered development of the stress field in several times, the maximum principal compressive stress field of NW-SE direction in the first phase of Indosinian period was obtained by inversion of stylolites and the NE-SW compressive stress field in the second phase. The average differential stress is 5070 MPa, shows that since the Indosinian tectonic deation in the process of coal and rock experiencing tectonic stress action in middle low strength. Comprehensive conclusion is that the coalfield structure in the Meicheng-Hanpo’ao area was ed under the condition of multi medium and low intensity and complex tectonic movement dominated by brittle-ductile deation. Keywords Meicheng-Hanpo’ao; microscopic structure; tectonic deation environment; paleostress field 许志琴等 [1-2]提出了现代构造地质学研究范 围从微观的 10–8 cm 到宏观的 108 cm 的尺度内变 化，从微观构造的断层擦痕到宏观构造的区域应 力场、微观构造的线理劈理、褶皱到宏观构造的 韧性剪切带、微观的有限应变分析到宏观的变形 机制等方面，阐明了微观构造和宏观构造的关系 和重要性。 有学者通过岩石变形试验和地质实例的研究， 得出一定条件下，岩石的显微构造可以记录岩石变 形时的温度、应力、应变率等变形环境因素[3]。从 应力应变条件、变形温压条件以及变形历史等对一 个地区进行详细的显微构造分析，可以帮助我们全 面科学地认识该区的构造变形和演化历史[4-5]。 煤田构造变形发生于地壳浅部，其微观构造变 形主要表现为脆性变形为主， 脆性与韧性变形共存， 并且在变形构造和应力应变之间存在简单明了的对 ChaoXing 14 煤田地质与勘探 第 45 卷 应关系[6-7]。因为煤田构造自身的特点，使得显微构 造研究在煤田构造成因机制分析中十分重要。 通过对湖南梅城寒婆坳地区变形岩石的显微 构造研究，反演古应力场的最大主应力的方向，估 算研究区古应力值，恢复研究区的变形环境，并用 宏观和微观相结合的综合分析方法，阐述煤田构造 成因机制， 进而全面科学地认识地质构造发育规律， 对寻找新的煤炭资源具有重要意义。 1 区域地质背景 梅城寒婆坳地区位于湖南中部涟邵煤田西部， 出露的地层由新到老主要有第四系Q、白垩系K、 三叠系T、石炭系C、泥盆系D，区内含煤岩系为 二叠系上统龙潭组P2l和石炭系下统测水组C1c， 其 中测水组含可采煤层，龙潭组不含可采煤层。 研究区东界为集云断裂， 西界为大口水栗林铺 断裂，区内褶皱断裂较为发育，构造线总体走向为 NE 向，在平面上呈略向 NW 凸出的弧形条带[8-10]， 剖面上主要的构造样式为叠瓦状，且早期形成的褶 皱被断层破坏严重。 2 定向标本的采集与薄片的制作 正确的采集和记录定向标本是室内显微构造分 析最基本的前提要求和最重要的工作。本次野外踏 勘工作采用以点带线、以线带面的方式，重点围绕 含煤向斜两侧以及断裂带附近展开工作， 完成了161 个点的观测和描述，达到了对研究区内发育的主要 地质构造褶皱和断裂进行控制的目的，并从采集 到的130块岩石标本中筛选出61块进行产状恢复及 切片制作。 在室内恢复了定向标本的野外产状，并切制了 水平切片后开始镜下观测。本次显微构造的观测和 照片记录是在中国矿业大学北京“煤炭资源与安全 开采”国家重点实验室和中国地质大学北京地学实 验中心完成。 3 区内显微构造现象及其揭示的构造变形环境 目前在岩石中，已经识别出的变形主要包括破 裂与微破裂、位错蠕变、扩散物质迁移以及颗粒边 界滑移等[11]。依据显微构造形成的机制不同，将构 造岩显微构造现象划分为 4 类，分别与破裂作用、 晶质塑性变形、颗粒边界滑移和扩散物质迁移等有 关。总体来讲，岩石经应力作用后，不仅表现出宏 观变形特征，而且在显微尺度上也会表现出丰富的 变形特征，就矿物的力学性质来说，矿物的变形分 为脆性和塑性变形 2 种图 1。 3.1 显微破裂现象 主要指破裂作用产生的显微裂隙和显微构造变 形现象，显微裂隙具体可分为晶内裂隙、晶间裂隙 和穿晶裂隙 3 种[12]。 a. 晶内裂隙 可分为剪裂隙和张裂隙，他们是 不同温度和压力条件下矿物颗粒变形的结果[13]。如 图 1a 在石英颗粒内发育有平直、紧密的剪裂隙，裂 隙间没有填充物，显示其形成于较低的温度和压力 条件下采样位置水碓冲民房屋后；岩性石炭系 测水组细砂岩。图 1b 为张裂隙，其中一组裂隙被 另一组裂隙所切割，表明多期次运动，同时张裂隙 被颗粒大小不均、边界被磨圆的方解石及长英质矿 物充填，张裂隙的发育是晶体颗粒在脆韧性转变 条件下变形的结果采样位置将军岩；岩性石炭 系下统测水组砂质泥岩。 b. 晶间裂隙 典型破裂样式是围绕变形颗粒 出现的张裂隙。外界施加应力的大小和方向以及颗 粒边界形状都影响着晶间裂隙的生长和延伸方向。 如图 1c 所显示的晶间裂隙，裂隙宽度不均，石英颗 粒边界破坏形态总体上随着颗粒边界形态变化采 样位置张家湾北 300 m 公路边；岩性二叠系下 统栖霞组石英砂岩。 图 1 典型显微构造特征正交偏光 Fig.1 Typical microstructure featuresThe orthogonal polariscope ChaoXing 第 3 期 武玉良等 湖南梅城寒婆坳地区煤田显微构造成因 15 c. 穿晶裂隙 往往是由晶内裂隙发展而来的， 在外界施加的应力影响下， 穿晶裂隙的发展延伸方向 也会发生变化。如图 1d 穿晶裂隙，外应力的作用使 得穿晶裂隙的方向趋于一致采样位置半山 SE170 250 m 处；岩性二叠系下统栖霞组石英砂岩。 3.2 晶质塑性变形现象 晶质塑性变形主要指在岩石变形过程中，由错 位滑移、错位攀移、动态恢复和动态重结晶作用等 晶质塑性变形机制形成的显微构造变形现象[13]。研 究区主要的塑性变形有波状消光、带状消光、变形 纹、机械双晶、扭折。 a. 波状消光 图 1e 石英的波状消光是晶质塑性 变形的一种重要标志，在正交偏光显微镜下，石英中 显示一种不均匀消光现象，实质是受到应力作用使石 英晶格产生错位滑移不均匀或晶格发生弯曲而导致的 光学现象，总的来看石英颗粒的结晶程度较好，但晶 体边缘模糊， 表明受到压性或剪性的应力活动作用采 样位置界头岭；岩性石炭系下统孟公坳组砂岩。 b. 带状消光 如图 1f 的中部， 石英颗粒呈带状 消光，在转动载物台时消光带表现出由此带到彼带 的跳跃式过渡现象， 并且不同消光区是截然不同的、 突变的。石英带状消光是应力使晶格产生规律的错 位壁进而形成的消光区域，表明了岩石的轻度变形 采样位置肖家坳 SW250 500 m 小路边；岩性 石炭系下统测水组石英砂岩。 c. 变形纹 自然界中常见的变形纹有 5 种[14]， 研究区内发育的变形纹有 平行排列的变形纹和“X” 型变形纹又称吕德尔线，变形纹产生的主要原因 是晶内错位滑移。如图 1g，显示为石英晶内发育一 组平行排列的变形纹采样位置张家湾北 300 m 公 路边；岩性二叠系下统栖霞组砂岩。如图 1h 石 英晶粒的变形纹， 其中左侧石英晶体内存在多组“X” 型变形纹， “X”型变形纹的锐角等分线指示了局部主 应力方向；右侧石英晶体存在共轭裂隙，裂隙较平 直，后期裂隙将前期裂隙错开采样位置龙湾港口 公路边；岩性石炭系下统测水组石英砂岩。 d. 机械双晶 机械双晶也叫变形双晶，是塑性 变形的标志之一，如图 1i 由于双晶滑移产生的斜长 石机械双晶采样位置尖栗岩西 850 m 小路边；岩 性石炭系下统测水组砂岩。 e. 扭折 扭折是塑性变形的标志之一，微观尺 度的扭折带多出现在云母等矿物中。研究区中的扭 折带现象图 1j为云母的扭折，其扭折带边界就是 晶格中有规律排列的错位壁， 扭折形成原因是位错的 滑移和攀移构成的错位排列采样位置 稠树坳西50 m； 岩性石炭系下统测水组砂岩。 3.3 研究区显微构造现象应变环境分析 煤田构造具有典型的沉积构造特征，虽然总体 上位于地壳浅部脆性–脆韧性变形域， 但是在煤田的 局部区段内，不同的构造部位或构造环境产生不同 的变形，导致发育的显微构造组合也不同[15]。 对研究区内典型岩样的显微镜下观察结果分 析，区内的裂隙多呈现为平直规整，显示较低的温 度和压力条件下的变形结果图 1a、图 1d；多期裂 隙的发育图 1b、图 1d、图 1h，呈现相互切割，表 明多期次运动的发生。X 型纹的锐角等分线指示了 局部主应力方向图 1h。 图 2 为研究区内镜下相应视域内观察到的显微 构造现象数量结果。 图 2 镜下视域的显微构造特征数量统计 Fig.2 Statistics of microscopic structure features under microscope 综上分析可知，梅城寒婆坳地区主要发育脆 性变形，少量的塑性形变以波状消光、带状消光、 变形纹等塑性序列的低级成分为主，而构造岩中未 见石英颗粒的亚晶粒和动态重结晶现象，由此反映 出研究区构造变形环境总体上属于低温、低围压的 浅层脆性–脆韧性构造域。 4 古应力场方向 显微构造用于确定古应力方位的优势在于，某些 显微构造现象与应力状态之间的简单而确定的几何关 系可被完整地观察和精确地测量，能够提供反映应力 状态的定量数据。在岩组动力学分析中，方解石和白 云石的双晶纹以及石英变形纹是目前经常被用来确定 主应力方位的显微构造要素， 而煤田构造变形岩石中， 显微破裂、缝合线等也可用于确定主应力方位。 显微破裂与构造应力状态之间具有明确的几何 关系，即共轭剪性破裂交线的锐角平分线平行于最 大挤压应力 σ1，钝角平分线平行于 σ3[16]。在岩层平 缓条件下，采用切制水平定向薄片，在普通显微镜 下测量统计，求得主应力方位在水平面的投影，由 于古构造应力场 σ1σ3面多数近于水平，则此简化 ChaoXing 16 煤田地质与勘探 第 45 卷 测量方法可近似反映应力场面貌。 研究区石炭系灰岩中显微共轭破裂锐角等分线 方位角测量结果如表 1 所示。 表 1 显微共轭破裂锐角等分线的方位角 Table 1 Azimuth of acute bisectrix of micro conjugate rupture 灰岩照片号 等分线走向/ 灰岩照片号 等分线走向/ G8-14 82.50 G19-7 321.12 G8-15 317.03 G19-8 314.07 G8-17 334.09 G19-11 310.2/195.67 G8-18 329.76 G19-12 311.59 G8-19 315.13 G26-1 238.54 G16-3 339.86 G96-1 206.97 G16-17 341.90 G96-2 190.10 G17-25 314.13 G96-3 236.59 G19-1 300.67/308.2 G96-4 235.67 G19-2 223.91/310.89 G96-5 221.94 G19-3 311.57 G132-7 320.01 G19-4 326.71/313.96 G132-13 309.71/298.06 G19-6 311.43 共25个视域，30组共轭破裂 由显微破裂锐角等分线方位玫瑰花图图 3得 出，以 NWSE 向的最大主应力为研究区应力场的 主要挤压应力，以 NESW 的挤压应力场次之。这 一结果与云武等[8]、 徐志斌等[9]对涟源凹陷应力场的 研究结果基本一致，证明了显微构造方法适应于研 究区古应力场方向的判定。 图 3 玫瑰花图 Fig.3 Rose diagram 5 研究区古应力值估算 20 世纪 70 年代，有学者开始利用显微构造方 法对古构造应力值进行估算[17-19]。笔者采用 W R Jamison 等[19]提出的估算古应力值方法，运用方解 石双晶化颗粒百分比估算古应力值。双晶滑移的最 低差应力表达式为 Δστc/S1 1 式中 Δσσ1－σ3；τc为实验确定的常数，通常取方 解石的 τc为 10 MPa；S1为分解剪应力系数。本次工 作在镜下统计了视域内发育的一组、二组、三组变 形双晶颗粒占总颗粒的百分比，并从图 4 中查出相 应的 S1，代入式1求出古应力值。 图 4 方解石动力双晶发育与 S1的关系曲线[4,19] Fig.4 Relationship between dynamic bicrystals development and S1 of calcite 由表 2 可以看出，研究区估算平均差应力值为 5070 MPa，根据 G Ranalli 等[20]总结的不同地质环境 中平均水平应力随深度的变化关系图，可以得出印支 期以来煤田构造变形岩石经历了中等偏低强度的构造 应力作用，并通过比较不同区域的差应力强度值图 5 可知，研究区北段应力大于中段，西带应力大于东带。 表 2 方解石动力双晶统计分析结果 Table 2 Statistical analysis result of dynamic bicrystals of calcite 双晶化颗粒数占总颗粒数的百分比/ S1 值 Δσ/MPa 点号 位置 一组 二组 一组 二组 一组 二组 平均值 G132 北段西带 66 25 0.19 0.12 53 83 68.0 G17-1 北段中带 66 15 0.19 0.17 53 58 55.5 G25-1 北段东带 52 19 0.28 0.15 36 67 51.5 G8-1 中段西带 50 20 0.29 0.14 34 71 52.5 G128 中段东带 54 16 0.26 0.16 38 63 50.5 6 结 论 a. 梅城寒婆坳地区以发育显微破裂现象为 主，同时发育少量波状消光、变形纹等低级别的塑 性变形，反映了区内构造变形环境总体上属于低温 低围压的浅层脆性–脆韧性构造域。 ChaoXing 第 3 期 武玉良等 湖南梅城寒婆坳地区煤田显微构造成因 17 图 5 不同观测点差应力强度值 Fig.5 Differential stress intensity of different observation points b. 通过微观尺度的变形构造研究可得出，研究 区印支期第Ⅰ期为 NWSE 向的最大主压应力场， 第Ⅱ期 NESW 向挤压应力场次之，与宏观研究一 致，进一步证明了显微构造方法可准确研究判定古 应力场方向。 c. 估算出梅城寒婆坳地区平均差应力为 5070 MPa，表明印支期以来煤田构造变形过程中， 岩石经历了中等偏低强度的构造应力作用，并通过 比较不同区域的差应力强度值可知，研究区北段应 力大于中段，西带应力大于东带。 参考文献 [1] 许志琴. 地壳变形与显微构造[M]. 北京地质出版社，1984. 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