地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (5): 981-1000
引用本文
李东旭, 宋立才, 张林炎. 旋扭构造研究的进展[J]. 地质力学学报, 2019, 25(5): 981-1000.
LI Dongxu, SONG Licai, ZHANG Linyan. PROGRESS IN RESEARCH ON ROTATION-SHEAR STRUCTURE[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(5): 981-1000.
旋扭构造研究的进展
李东旭1 , 宋立才2 , 张林炎2     
1. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083;
2. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081
摘要:文章综述了中国地质学家对旋扭构造研究的历史与成果,也介绍了国外相关研究成果。李四光先生通过四篇论著奠定了旋扭构造的理论基础。在后来的研究和找矿实践、多种模拟仿真新方法试验以及力学解析中进一步丰富了旋扭构造的研究内容,深化了对旋扭构造几何学、运动学特征与动力学机制等的认识,提出了有些旋扭构造是螺旋运动的结果及旋扭构造的形成很可能与地球旋转动力问题有关;特别是在找矿勘探方面取得的成功和经济效益,提高了成矿理论认识的水平。文章最后提出今后研究旋扭构造应注意的问题。
关键词旋扭构造    螺旋运动    旋扭构造控矿    旋扭构造模拟    旋扭构造力学解析    旋扭构造动力学    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.05.080     文章编号:1006-6616(2019)05-0981-20
PROGRESS IN RESEARCH ON ROTATION-SHEAR STRUCTURE
LI Dongxu1 , SONG Licai2 , ZHANG Linyan2     
1. China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China;
2. Institude of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: This paper reviews the history and progress of geomechanics research on rotation-shear structure in China. It also reflects the relevant research results abroad. J.S.Lee laid the theoretical foundation of rotation-shear structure through four theses. The subsequent research and ore-prospecting practice, as well as a variety of new methods for simulation tests and mechanical analysis, further enrich the research contents of rotation-shear structure, deepen the understanding on rotation-shear structure geometry, characteristics of kinematics and dynamics mechanism, proposing the idea that some rotation-shear structures are the results of spiral motion, and the formation of rotation-shear structure is likely to be related to the Earth rotation dynamics. Especially the success and economic benefit achieved in prospecting and exploration have improved the understanding on metallogenic theory. Finally, the paper puts forward the problems that should be paid attention to in the future study of the rotation-shear structure.
Key words: rotation-shear structure    spiral movement    rotation-shear structure in control of ore deposits    rotation-shear structure simulation    mechanical analysis of rotation-shear structures    dynamics of rotation-shear tectonics    
0 引言

旋扭构造是中国地质力学研究中发现的一种重要的构造型式,有点类似于地球表层大气圈中的大气旋流、水圈中的涡流等已被人们所熟知的物质旋转运动形式。然而,地球岩石圈的固体地壳中存在的旋转运动,因表现形式极为缓慢,不易被察觉,不像旋风和涡流那样瞬间消失,而是永久地停留在那里供人们发现和研究。这种客观存在的大量事实却长期没有得到更多构造地质学家的关注和认知。

早在1929年,李四光先生在《东亚一些构造型式及其对大陆运动问题的意义》一文中就提出,扭动(剪切)分两种类型:第一种是平行或直线扭动(parallel or rectilinear shear),第二种是旋扭(torsional shear),并建立了帚(υ)状、歹(η)字型等旋卷构造型式[1]。至今90年过去,在国内外构造地质学教科书中仍然只讲直线纯剪切(pure shear)和简单剪切(simple shear);还没有认识到旋转剪切(rotation shear)的重要意义和普遍意义。

1954年,李四光先生在《旋卷构造及其他有关中国西北部大地构造体系复合问题》一文中建立了旋扭构造学的理论系统[2]。他指出:首先,“在弥满岩石的空间中,任何一个岩块或地块发生旋转的时候,那就不是简单的旋转运动,而是旋转扭动。”其二,旋扭构造的旋轴分(近)垂直、(近)水平两大类;按规模大小将旋轴近直立的旋扭构造分为:小、中、大(巨)三类,并举例阐述。其三,根据旋扭构造的普遍型式——帚状构造,制定了一套描述旋扭构造的几何学和运动学术语,诸如:旋回面、旋回层、砥柱(旋涡)、外旋层、内旋层、收敛方面、撒开方面、外旋方向、内旋方向等。其四,根据旋转剪切力学图解,制定了不同力学性质(压、张、扭)的帚状构造的指向法则;该法则是判断旋扭运动方向的力学原理,具有极高的科学价值。

1957年,李四光先生通过《莲花状构造》一文以大连白云山庄旋扭构造为例示范了鉴定小型旋扭构造的工作方法[3]

1962年,李四光先生在《地质力学概论》中根据旋扭构造的几何形态划分了帚状构造、莲花状或环形构造、一部分正弦曲线状构造或S状和反S状构造、辐射状构造和歹字型构造五种类型,并给出了相应的实例[4]

以上四部论著奠定了中国特色的旋扭构造的理论与方法的基础,这个时期只有极少数地质工作者关注旋扭构造;1971年李四光先生辞世以后旋扭构造才得到较多的注意和研究,伴随着地质力学在全国地质行业的普及,相关理论研究和实践成果不断涌现,从而丰富发展了旋扭构造的理论和方法,并在找矿勘探应用中取得了显著的经济效益。现从以下四方面简述有关旋扭构造的研究历史与现状。

1 多种类型旋扭构造型式的发展与构造解析

在不同时代(从太古宙到现今)、不同岩性(沉积岩、岩浆岩、变质岩)中都发育不同尺度(图 1)、不同类型旋扭构造现象,而且表现形式和形成边界条件也复杂多样。这里简介几项具有代表性研究成果。

图 1 微型帚状构造(牛口峪大南坡一块滚石) Fig. 1 Photo of micro brush structure (a rolling stone from Dananpo, Niukouyu)
1.1 中小型旋扭构造的构造解析

早在1957年李东旭[5]就发现北京房山区牛口峪村一带有丰富多彩的中小型旋扭构造现象(图 2)。该区位于弯月状北岭向斜的东南转折端(图 3),是一个极为罕见的旋扭构造经典实例。因为,该区既发育有弧形断裂组成的帚状构造(半环形)构造,又有褶皱组成的涡轮状构造,它们共同构成同心式连环旋扭型式。此外,在该区还发现轴近直立的小型旋扭穹窿砥柱(图 4图 5)与轴近水平的小型旋扭构造(图 6图 7)组成伞轮式连环旋扭型式[6](图 8)。经1962年在中国地质学会32届年会报告和现场参观、1963年聆听李四光先生亲临现场指导、1964年的再次观测,李东旭发现有两种旋扭构造复合现象:一种是晚期旋扭断裂切割早期旋扭褶皱;另一种是轴近直立与轴近水平两个曲度旋扭节理的复合叠加(图 9),从而表明该区曾发生旋扭作用之后,房山断裂又有一次低角度逆冲;此外,还发现了明确指示断层扭动方向的两个序次的帚状构造露头。如此种类齐全的小型旋扭构造现象集中出现在这么小的地区,实为难得。遗憾的是,时隔半个多世纪,许多精彩现象已被人工破坏,好在详细记录尚存,大的轮廓依稀可见,对今后研究仍有参考价值。

1—以扭性为主的弧形断裂;2—背斜和向斜轴线;3—推测背、向斜轴线;4—张性兼扭性断裂;5—轴近水平的小旋扭构造及其倾伏方向和外旋层扭动方向;6—扭或张扭性断层;7—横断层;8—低角度逆掩断层;9—高角度冲断层;10—地质界线;11—标志层界线;12—地层产状;13—第四系;14—杨家屯煤系(包括清水涧组);15—下、中奥陶统灰岩;16—上寒武统;17—中寒武统;18—下、中寒武统;19—景儿峪组;20—下马岭组;21—铁岭组灰岩;22—高于庄组灰岩;23—前震旦纪变质岩系;24—花岗闪长岩(γδ)或花岗岩(γ);25—石英斑岩 图 2 牛口峪旋扭构造图[5, 8] Fig. 2 Rotation-shear structure map of the Niukouyu region[5, 8]

1—第四系;2—长辛店组;3—九龙山组;4—龙门组;5—窑坡组;6—南大岭组;7—双泉组;8—红庙岭组;9—下石盒子组及山西组;10—太原组及本溪组;11—马家沟组;12—亮甲山组—冶里组;13—上寒武统;14—中寒武统;15—下寒武统;16—景儿峪组-长龙山组;17—下马岭组;18—铁岭组;19—洪水庄组;20—雾迷山组;21—大洪峪组;22—团山子组;23—串岭沟组;24—常州沟组;25—太古宇;26—花岗闪长岩;27—石英闪长岩;28—断层;29—岩层产状 图 3 房山地区地质图[7, 9] Fig. 3 Geological map of the Fangshan region[7, 9]

图 4 大南坡小旋扭构造砥柱 Fig. 4 Photo of the nuclear column of small scale rotation-shear structure in Dananpo

1-变质硬砂质砂岩; 2-灰黑色板岩; 3-砂质板岩及变质砂岩; 4-含砾变质砂岩; 5-断裂; 6-岩层产状; 7-旋扭面; 8-张性兼扭性断裂 图 5 大南坡小型旋扭构造砥柱及周缘断裂[6] Fig. 5 The nuclear column of small scale rotation-shear structure and its surrouding small faults in Dananpo[6]

图 6 骰子沟轴近水平的小型旋扭构造 Fig. 6 Small scale rotation-shear structure with near horizontal axis in Shaizigou

图 7 骰子沟中旋轴近于水平的小型旋扭构造[5, 8] Fig. 7 Small scale rotation-shear structure with near horizontal axis in Shaizigou[5, 8]

图 8 轴近直立的旋扭构造导生出低序次轴近水平的旋扭构造三维模式[8] Fig. 8 3-D model of rotation-shear structure (RSS), the vertical RSS leads to horizontal RSS which is secondary[8]

1—弧形张剪性节理;2—派生张节理或剪节理;3—擦面产状;4—擦线方向;5—第三序次压剪帚状劈理;6—小石英脉(a)轴近直立的张剪性帚状节理(b)Ⅰ-Ⅰ′剖面示轴水平的叠加帚状节理A—旋轴直立帚状节理;B—旋轴水平帚状节理;CP—杨家屯煤系;O2—马家沟灰岩(c)奥陶纪灰岩段片旁侧杨家屯煤系的帚状构造 图 9 牛口峪西沟小型旋扭构造序次、复合关系露头图解 Fig. 9 Diagram of structural sequence, compositive relation of small rotation-sheer structure in Niukouyu Xigou

牛口峪旋扭构造发现的重要意义在于,通过小型旋扭构造的详细研究,可对房山花岗岩体的侵位机制和北岭向斜构造形成与形变等区域构造问题进行合理的力学解析(图 10),同时通过该研究成功预测了凤凰山一带存在与牛口峪旋扭构造的扭动方向相反的帚状构造[7](图 12),得出房山花岗岩岩体沿房山断裂自东而西斜上方两次强力侵位的认识(图 11)。致使在岩体西部边缘形成了糜棱岩带(见图 1011),造成了晚古生代东西向的北岭盆地变成弯月形向斜,从而造成北岭向斜西部最大弯曲处出现走向东西的南窖地堑,整体应力分布型式相当一平置的弯褶曲(图 10)。

1—花岗闪长岩;2—石英闪长岩;3—第四系;4—九龙山组;5—龙门组;6—南大岭组—窑坡组;7—双泉组;8—杨家屯煤系;9—奥陶系;10—寒武系;11—青白口系;12—下马岭组;13—长城系;14—太古宇;15—北岭向斜轴线;16—推覆构造;17—飞来峰;18—滑覆断层;19—正断层;20—糜棱岩带;21—剪切断裂;22—倒转褶皱;23—岩体侵位方向;24—岩体西缘挤压方向;25—外凸弧拉张方向;26—岩体南北边缘剪切方向 图 10 房山岩体与北岭向斜构造[6-7] Fig. 10 Sketch map of the Fangshan intrusion and Beiling syncline structure[6-7]

F—岩体斜冲侵位方向;H—斜冲侵位水平分力;G—.垂直分力;Q—第四系;J2—中侏罗系九龙山组砂岩;J1—下侏罗统窑坡煤组龙门砾岩等;T—三叠系双泉统;C2+3-P—清水涧组杨家屯煤系、红庙岭砂岩;-O—寒武-奥陶纪各类灰岩 图 11 房山岩体斜冲侵位水平分力[7] Fig. 11 Horizontal components of oblique emplacement of the Fangshan intrusion[7]

1-压扭性断裂; 2-张扭性断裂; 3-凤凰山向斜; 4-倒转褶皱; 5-旋扭方向 图 12 凤凰山帚状构造[7-8] Fig. 12 Fenghuangshan brush structure[7-8]
1.2 S状与反S状构造解析与分类

在《地质力学概论》一书中,将S状和反S状构造列为旋扭构造的一种亚类,其主要依据是孙殿卿为首的科研团队(1956—1958)在柴达木盆地发现的一系列反S状排列的短背斜;并在书中首次提出旋扭轴近水平的褶皱轴面可扭转成麻花状螺旋面[4]。李东旭据谭以安对铜官山S状背斜的详细研究[10]及利用卫星照片编制构造体系图发现诸多所谓的S状及反S状构造型式的实际构造形迹的性质和组合细节有很大差别,它们的形成机制和边界条件也多有不同。正如李四光先生所说,呈这种形状的褶皱带或断裂带,至少有一部分起源于旋扭运动。为了更加确切的表达这类构造型式的几何学和运动学的差别,李东旭[11]将S及反S状构造细分为扭动成因和复合成因两大类:雁列状S-反S型构造、对帚状S-反S型构造、麻花状S-反S型构造;断裂牵引型S-反S状构造、限制型S-反S状构造、叠加型S-反S状构造、归并型S-反S状、联合型S-反S状构造。

经过对铜陵地区的铜官山S状背斜构造综合解析及模拟试验研究发现这个S状背斜是两期构造变形叠加复合的结果:早期是由于东西向断裂的限制构成局部扭曲形成S状(图 13),后期是在原来基础上发生旋轴近水平麻花状扭曲[12]。发现该区一个精彩露头,有5个并排枢纽向西倾斜的小褶皱,北(部)边小褶皱的枢纽向上凸起,南(部)边小褶皱的枢纽向下凹陷,这证明它们是由轴近水平的旋扭作用形成的(图 14)。铜官山大背斜的层间拖曳褶皱和层面擦线也佐证了麻花旋扭特征这个研究结果对于整个长江中下游北东向褶皱构造的形成机理研究都有参考价值。

1-北北东向断裂; 2-北东向断裂; 3-东西向断裂; 4-直立褶皱; 5-歪斜褶皱; 6-倒转褶皱 图 13 铜陵地块中S状褶皱群[12] Fig. 13 S-shaped bundle of folds within the Tongling masif[12]

图 14 沿北东向轴旋转的北西西向褶皱及其形状和产状[12] Fig. 14 NWW-trending small folds twisted along the NE-trending axial line and their morpholog and attitude[12]
1.3 岩浆岩同侵位旋扭构造

李四光先生曾提出[4]:“有些岩浆岩体也可能呈螺旋上升侵位,即旋扭构造的旋扭动力来源也可以是内旋主动”。在河北省邯邢铁矿闪长岩-二长岩-正长岩岩体中发育流线构造和奥陶纪灰岩顶板悬挂体中的褶皱都呈涡轮状展布,岩体外围接触带奥陶纪灰岩也有弧形褶皱发育[13](图 15)。这表明有些旋扭构造的形成与岩体旋转侵位有关,该岩体中心呈顺时针方向旋转。值得注意的是岩体的东侧还有三条北北东向新华夏系压剪性走滑断裂通过。

1—二叠系;2—石炭系;3—中奥陶统;4—闪长岩-二长岩类;5—闪长岩类;6—背斜(实测与推断);7—向斜(实测与推断);8—压性与压扭性断层;9—剪切劈理;10—性质不明及推断断层;11—石板坡-马家脑环形褶皱带;12—西四门挤压带;13—白露寺-全呼帚状构造束;14—矿山村褶皱;15—五家子弧形侧转向斜;16—玉石洼弧形褶皱群;17—北各河弧形向斜;18—燕山弧形褶皱群;19—上焦寺帚状褶皱群;20—锁会“螺线”式中小型旋扭构造;21—王窑反“S”型旋扭构造;22—岩体流线;23—剖面;24—铁矿床 图 15 河北邯邢矿山村构造草图[13] Fig. 15 Skech map of structures of Han-Xing Iron Mine[13]

张治洮[14]从卫星相片中发现新疆哈密尾亚花岗岩性环带,通过流动构造形迹观察,也推断岩体环带是因岩浆呈右旋螺旋上升侵位形成的。

根据岩体特征值分布趋势面,在岩浆上升侵位、分异演化、冷却成岩过程中矿物结晶顺序存在旋转运动。李东旭等[15-16]通过岩体内部流动构造、内外接触带构造观测及磁组构分析,进一步证明岩体呈螺旋上升侵位(图 16),并与岩体两侧北北东向断裂左行走滑有关。

图 16 凤凰山岩体内部及接触带旋扭构造形迹及形成动力条件[16] Fig. 16 Rotation-shear structural features in the contact zone and inner of the Fenghuangshan intrusion and dynamic conditions[16]

值得注意的是Hippertt[17]通过巴西Bacao杂岩体的大量面理、线理、糜棱岩等组构数据研究,将该杂岩体分出中央和边缘两大相,进而勾画出五个流动中心,均为顺时针流动(图 17),进而根据流面和流线产状提出螺旋底辟模式(model of helicoidal diaprism)。

图 17 伴随有右螺旋上升流变过渡的理想示意图[8, 17] Fig. 17 Ideal sketch showing the rheological transition associated with a clockwise up-flow spiral[8, 17]
1.4 太古宙古老地块中的旋扭构造

1975年,李东旭[8]曾在迁安铁矿太古宙黑云母斜长片麻岩中发现条带状磁铁石英岩构成的轴近水平的小型旋卷构造的砥柱(图 18)。实际上,在华北地区出露的基底古老变质岩系中普遍发现有帚状旋扭褶皱, 在1989年的《山西省区域地质志》[18]中分别命名为:阜平褶皱构造、邢台褶皱构造、侯马-运城帚状构造、岢岚帚状构造及高阳-天镇帚状构造,从而表明在地壳形成早期就有旋扭构造存在。

图 18 迁安铁矿轴近水平的小型旋扭构造[8] Fig. 18 Small scale rotation-shear structure with nearly horizontal axis in Qian'an iron mine[8]

全球各大陆太古宙地块图件多显示有环状花岗片麻岩穹窿型式出露,详细分析不难发现其中不少具有旋扭构造特征[8]。诸如:乌克兰地盾滨第聂伯花岗-绿岩区大穹窿构造。其西侧存在一条北北东走向的深位压剪韧性断裂带,断裂东部还有一大一小两个相连的旋扭片麻岩穹窿,北部穹窿直径约20~30 km,南部穹窿直径60~80 km。两者外旋层均为顺时针扭动(图 19)。

1—片麻岩、花岗片麻岩、混合岩;2—角闪岩、细碧岩、角闪岩及其他片岩;3—碳质-石墨质陆源岩石;4—石墨片岩-大理岩;5—含铁建造;6—石英岩;7—石英岩-砾岩;8—黑云母片岩-大理岩;9—斜长花岗岩;10—微斜长石花岗岩;11—深断裂;12—强磁异常 图 19 乌克兰地盾克里沃罗格构造省萨卡萨杂诺斯科环装花岗岩穹隆构造图[8] Fig. 19 A ring-like granite dome in Ukraine shield[8]
1.5 变质核杂岩构造的旋扭成因

滇东南老君山变质核杂岩位于走向北西的文山-麻栗坡大型走滑断裂的西南侧[19-20]。杂岩核是由南温河变质杂岩和老君山花岗岩浆杂岩组成,外形轮廓呈σ旋转斑晶状,周围为中寒武纪以上沉积盖层,核部条带状混合岩有糜棱岩化现象且呈弧形帚状,沉积盖层中的断裂褶皱也呈弧形(图 20)。值得注意的是:沉积盖层普遍发生顺层拆离现象,拆离面上保留两组擦痕,早期擦线近水平,晚期擦线平行岩层倾向。据此,李东旭认为[8]:这个变质杂岩核的形成第一动力不是盖层伸展拆离,而是由于杂岩体隆升导致盖层伸展,即,文山—麻栗坡走滑断裂拖动基底螺旋运动,引起岩浆杂岩隆升。老君山变质核杂岩的构造演化过程详见图 21

1—老君山花岗岩;2—花岗岩质糜棱岩及片麻岩;3—眼球状糜棱岩化混合岩;4—条痕状糜棱岩化混合岩;5—糜棱面理;6—拆离断层;7—走滑断层;8—压扭断层;9—压性断裂;10—张性断裂;11—背斜或向斜;12—旋转方向 图 20 老君山地区变质核杂岩和旋转构造图[8] Fig. 20 Structual map of the Laojunshan area showing metamorphic core complex and vortex structure[8]

图 21 老君山变质核杂岩的构造演化[8] Fig. 21 Tectonic evolution of the Laojunshan metamorphic core complex[8]

进而查阅江西庐山[21]、辽宁医巫闾[22]、安徽洪镇[23]等地变质核杂岩的形成地质构造背景,不难发现它们的边侧都存在有大型走滑断层。再对比变质核杂岩概念的发祥地北美科迪勒拉亚利桑那的地质构造背景,很明显在北美西海岸存在一系列平行圣安地利亚斯的右行走滑大断裂[24]。Caire[24]等认为在断裂带内的盆地和岩浆侵位隆起具有旋扭性质,Carie称其为滚柱构造。从而说明沿科迪勒拉出现的变质核杂岩的伸展现象不是造成变质核杂岩的主因,而是核杂岩隆升的后果。

1.6 南半球海域旋扭构造

以康玉柱为首的研究团队编制的构造体系图[25]首次拟定了南半球海域列岛组成的帚状构造。它们是西印度洋帚状构造体系及西南太平洋构造体系,并提出南极双环复合式旋转构造体系。

2 旋扭构造对矿产资源的控制作用

1971年李四光先生逝世后,地质矿产部曾在江西瑞金举办了一次全国各省地矿局负责人参加的地质力学学习班。自此之后出现运用地质力学方法找矿勘探高潮,取得显著经济效益。其中不乏旋扭构造控矿实例。

2.1 旋扭构造对内生金属矿床的控制

(1) 提出帚状构造控制内生金属矿产分布

吴淦国等[26]发现内蒙白乃庙金矿受帚状石英脉控制;赵剑畏等[27]发现江苏溧水地区构造成矿作用受帚状构造控制;候俭[28]发现陕西黄龙铺铅矿富集部位靠近帚状构造端;广西巴马发现压性蚀变帚状断裂控制铜矿化等等。赵剑畏等[27]对江苏溧水帚状构造中的成矿元素分布的控制规律总结为,在帚状构造收敛端以含锗的赤铁矿为主;撒开端出现锶、铀、磁铁矿、金矿;而在帚状构造中段多出现铅锌矿。

(2) 提出环状构造控矿多与中酸性侵入岩有关

常家骏[29]认为皖浙交界清凉峰环状构造的旋扭作用有两期,早期为压扭性构造,外旋层为反时针方向;晚期为张扭性,外旋层为顺时针方向。燕山期岩浆活动有三期,前两期严格受环状断裂控制。内生金属矿床的成矿温度受控于环状构造,高温钨、钼、铍、铋矿带分布于外环;中温至中高温铜、铅、锌、白钨矿带位于环状构造中部;低温汞、锑矿带沿NE断裂分布。付庆哲[30]在甘肃北山地区发现的望旭山小型环状构造似班状二长花岗岩沿环状断裂侵入于早期黑云母斜长花岗岩中,沿旋扭面见有铜矿和黄铁矿化。

(3) 提出旋扭构造控矿地球化学研究新方向

李四光先生在《地质力学概论》[4]中曾深刻提到:“应力作用不独影响到岩石内部颗粒与颗粒之间,并且达到颗粒内部及颗粒之间的基质的内部,即组成它们的分子和原子的内部,同时也影响到离子之间的吸引力与排斥力的平衡。”这个论断启示了地质力学与地球化学的结合,是形成新的边缘学科构造地球化学的主导思想。也就是说构造应力包括旋扭应力对于岩石矿物中元素的分布存在内在的关系。

天津地质研究所在河北邯邢铁矿研究中提出,西郝庄岩体接触交代型矿床有沿岩体接触带自下而上螺旋分布的特点[13],储国正、陈玉山[31]认为安徽狮子山铜矿也有沿接触带螺旋就位的特点。由此可见旋扭构造应力对矿液具有驱动作用。张治洮[14]根据航空卫星相片解译详细岩石鉴定和构造资料后认为甘肃磁海铁矿的各种岩石和矿体分布皆受旋扭构造应力场控制。由于旋扭动力对熔浆的影响产生压滤作用,在应力强的部位熔浆中早晶出的辉石和基性斜长石易于停留在原地;而呈熔融状态的偏酸性的成分的熔浆向地应力区渗滤。反映到化学元素的排列是铁、镁、钙、铝、钾、钠、硅的顺序。董树文[32]曾对安徽沙溪斑岩铜矿田的帚状构造控矿进行了构造应力场与物质场之间的研究。虽然忽略了较复杂的地质因素,简化为理想模式,但就研究方法来说应是一个新方向。

李四光先生曾经说“麻花状构造与流体的关系就像拧湿毛巾”。韩雄刚和李佐海[33]通过岩石裂隙率、岩溶发育程度和岩层的富水性研究了湖南恩口—斗笠山煤矿麻花状向斜构造与地下水的关系。发现在该构造中段曲率最大的部位,裂隙密集,且多为张性,茅口灰岩的岩溶最发育,岩层富水性最强。往麻花状构造两端,裂隙密度渐稀,多为剪切性质,岩溶减少,岩层富水性最弱。

2.2 旋扭构造对油气能源的控制

1954年,李四光先生[2]在《旋卷构造及其他有关中国西北部大地构造复合问题》一文中就提出“纵观中外油田构造大都有一个共同的特点,即多属扭动和旋扭构造型式”。鉴于近半个多世纪以来国内外有关实例较多,文中仅进行简要概述。

继1956年在李四光指导下以孙殿卿为首的科研团队在柴达木盆地发现一系列反S状构造形式之后,时隔40年,黄汉纯等[34]又进行了深入研究,并做了有限单元数字模拟及力学解析。

松辽盆地中的反S状构造型式比较特殊,一是弯曲度不如柴达木盆地的那么明显,二是与基底构造不一致。海西期以前存在走向北北东的背向斜略呈S状排列;但是从沉积盖层中的葡1组顶板等高线圈闭的大庆长垣上有8个短轴背斜,它们呈左行雁行排列,总体轮廓却呈反S状。这种现象被解释为晚期盖层滑脱的结果[35-36]

其他,如,在四川盆地发现仪陇—平昌、龙女寺、威远等旋扭构造控油气;在江汉盆地潜江坳陷发现周矶旋扭构造[8]。刘泽荣等[37]认为在太行山与郯庐断裂之间华北平原内冀中坳陷、黄骅坳陷、济阳坳陷是环绕鲁西地块的大型帚状构造,它们分别控制三个生油带。

3 旋扭构造的仿真模拟与力学解析 3.1 数字模拟和递进应变模拟

在黄汉纯早期的泥浆模拟和黄庆华的光弹模拟的基础上,上世纪70年代之后开始发展数字模拟和递进应变模拟,并探索诸多新方法。诸如:王连捷及范雪玲[38]首先采用有限单元法对旋扭构造进行了数值模拟。谭以安和李东旭[10-11]根据铜官山S状背斜详细构造解析,进行了两种模拟实验。对限制型S状构造进行了递进应变模拟;采用明胶包裹在三维圆筒上,施加扭力,用网格法模拟麻花状构造扭转变形。曾佐勋及刘立林[39]采用含气泡的明胶冻做实验材料模拟旋扭构造。王成金等[40]采用全息光弹法模拟涡轮状褶皱,并对全球旋转动力学进行了不同的探讨。近年来,计算机模拟仿真技术已普及到诸多领域,相比之下,旋扭构造模拟仿真并不复杂。

3.2 旋扭构造力学解析

闫恩德[41]运用弹性平面应力理论对无限平板应力场进行了初步解析。黄庆华[42]应用弹性稳定理论解析了涡轮状旋扭褶皱屈曲波数与边界条件的关系;王成金等[40]认为决定旋扭构造不同型式的边界条件,不仅与内外环半径大小有关,同时也与不同方式的作用力相关;决定旋扭构造性质的是拉梅方程斜率(B)。彭建兵[43]也曾考虑到旋转剪切作用与挤压或伸展作用的应力叠加问题。孙荀英[44]假设地块为线性粘弹性体(Kelvin体),利用对应原理,通过Laplace变换,计算出旋回面随时间变化的规律;又在粘弹性解析基础上,有进一步对旋扭构造进行了粘性解析。岳石[45]根据粘弹性体与弹性体中瞬时应力分布的时间对应关系,通过旋扭构造力学分析的弹性解,然后以三元件Ross粘弹性模型模拟岩石力学性质,求出粘弹性体中的瞬时应力应变解析解,再代入岩石的粘弹性常数,算出精确数字解答,最后作出应力应变的时间演化图。

4 旋扭构造动力学与地球旋转动力学问题

首先要明确的是,旋扭构造动力学与地球旋转动力学是有联系又有区别的两个概念。顾名思义,前者是以地壳岩石旋扭构造形迹作为主要研究对象,探讨地壳运动问题;后者是以地球整体旋转为研究对象,探讨影响地球运动的各种动力因素;但是它们研究的最终结论应该经受实地观察到的构造形迹的检验。按现代科学学(Science of Science)分类,前者应属狭义地质力学或经典地质力学范畴,即构造地质学通往动力地质学的桥梁;而后者则属于广义地质力学范畴,即现代的复杂性地球系统科学。为此,这里仅举几个与旋扭构造有关的论点供参考。

4.1 古陆核涡旋动力焊接机制

白瑾等[46]根据中国华北早前寒武纪陆核构造研究提出“涡旋动力焊接机制”的构想;其主要证据是围绕古陆核的弧形面理普遍发育近水平a线理;从而说明古陆核曾经沿近直立的轴发生过旋转。相继根据太古代五台群绿岩带自下而上三个构造层从角闪岩相、绿片岩相变为次绿片岩相,平卧褶皱轴、韧性剪切带方位的反时针旋转等提出“地幔柱螺旋上升”模式(图 22);又提出将五台山、太行山、吕梁山、嵩山、小秦岭等地出露的太古宙岩块同归入临汾陆核,并认为它们的局部旋转与整体旋转都是反时针方向,构成“轴承构造”模式(图 23)。

图 22 涡旋构造地幔柱运动学示意图[8, 46] Fig. 22 Sketch map showing whirl motion of the mantle plume[8, 46]

左图中实线封闭区域为露头区; 点断线为陆核边界; ○为次级构造域; 弧线为叶理核褶皱走向; 半箭头为剪切方向 图 23 临汾陆核出露的区域构造样式及其运动状态示意图[8, 46] Fig. 23 Tectonic style and kinematic state based on the outcrop region of the Linfen continental core[8, 46]
4.2 前寒武纪岩石圈旋卷构造体系图

苏联乌克兰学者斯连扎克[47]在研读了李四光著作后,首先在乌克兰地盾和东欧地台上鉴定出在前寒武基底为旋扭构造体系。进而扩展到整个欧洲将波罗的海地盾和西欧划分出两个巨型旋扭构造体系,并将各大陆、各大洋,包括南北两极都画出巨型旋扭构造体系(图 24)。该文有三个特点,时间在前寒武纪、影响深度包括上地幔顶部的岩石圈、全球只有一种旋扭构造类型。值得注意的是,在其图中绘制的中国区域的每一旋回带似乎与实地构造并不一致,令人难于理解。

1—印度尼西亚旋扭构造体系;2—复活节岛旋扭构造体系;3—非洲及周缘旋扭构造体系;4—南美(迪迪喀喀湖)旋扭构造体系;5—南乔治亚;6—阿拉斯加;7—加勒比地区;8—亚洲贝加尔旋扭构造体系 图 24 岩石圈旋转构造体系复合现象略图[47] Fig. 24 Outline of the composite phenomenon of the lithospheric rotational tectonic system[47]
4.3 全球旋扭构造图

法国Caire[24] 曾根据岩石圈中的雁列走滑断层组群有序构造组合推断岩石圈单元间的滑移和蠕动构成差速旋转,勾画出一幅全球旋扭构造图(图 25)。图中突出两条漫长的滑移路线,一条是右旋线路,从北美阿拉斯加延至大西洋的罗曼奇,其中在中美地段可能有间断,向东至非洲部分不明显,而且在佩鲁兹线路的东北部分左旋滑块起作用。第二条是一条左旋运动线路,这条线路连接东西方的各部分,从南大西洋至南安德的列斯群岛,然后到南太平洋,分两支;一分支沿着埃尔塔宁断裂滑移,又从斐济直到班达海,至印度支那;另一分支绕过澳大利亚南部,延至印度西部滑移;它们折拢成弓形。Caire[24]认为除非洲大陆有轻微逆时针旋转;南美大陆、北美大陆及其它岩石圈板块也存在反时针转动。与其相反,北极地区则呈顺时针转动。

图中两条漫长的滑移曲线,一条是右旋线路,从北美的阿拉斯加延至大西洋的罗曼奇;另一条是左旋线路,从南大西洋延至南安的列斯群岛,然后至南太平洋分两支,北支沿埃尔塔宁,经斐济、班达海,延至印度;南支经澳大利亚南部至西印度。 图 25 差速旋转、岩石圈单元的滑移和蠕动的主要线路[8, 24] Fig. 25 Main lines of differential rotation, slippage and creeping of the lithospheric units[8, 24]
4.4 全球扭转构造体系

张永鸿[48-49]认为全球主体构造是走向北西西向的螺旋形压裂系统,还有北北东向的扭张系统和南东向和东西向准共轭剪切系统(图 26)。

图 26 环球螺旋形扭转断裂系统[48] Fig. 26 Sketch of the global torsion tectonic systems[48]

此外,考虑到地球自转速率周期性变化引起的惯性离心力、磁极移、轴摆动、科里奥利力效应、固体潮等等因素,有诸多不同的探讨。Doglioni[50]根据地球表面新生代拉张与挤压轴的连线绘制出一幅岩石圈相对软流圈的流线图,他认为导致波动的原因是由于地球自转轴的摆动;板块向西运动是由于不同角速度的结果。Storvedt[51]据古地磁数据推断晚白垩—早第三纪时期南北两半球大洋化差异和不对称的原因。Meyerhoff[52]提出涌动构造说(surge tectonics),认为在侏罗纪和更晚的褶皱带、走滑带和裂谷之下都有涌动通道存在,它们和高热流带、微震带一致,并构成全球通道网络,在通道交叉或叠加处易形成涡流状旋卷构造。也可将其看做是一种对旋扭构造成因的看法。

总之,自上世纪板块构造学说出现后,有关地球动力来源的探讨较多,不一一列举。其中较多的共识是北半球岩石圈有顺时针向西螺旋上升的趋势,南半球水圈有逆时针向东螺旋下降的趋势。

4.5 北半球大陆边缘反S状造山带三维模式的启示

在过去地质力学论著中是将青藏歹字型构造体系与班达海旋卷构造分别作为两个体系论述;北美西部大陆边缘反S型造山带与加勒比海旋卷构造分别论述。但李东旭[53]认为,从现今全球构造地貌景观看来,可以把它们连在一起,构成一个联合的反S状构造整体。它们的头部都是顺时针螺旋上升,分别构成亚洲珠穆朗玛峰和北美大陆阿拉斯加的麦金利最高山峰,而它们尾部则是反时针螺旋下降,分别构成班达海和加勒比最深海盆。于是(构)形成一个高差悬殊的反S状三维螺旋模式(图 27)。据此模式再看沿欧洲大陆南西部边缘造山带狄纳里克阿尔卑斯山脉的西头最高勃朗峰,沿狄那里克山脉的东头是反时针旋扭的爱琴海盆(图 28)。

图 27 北半球大陆边缘反S状造山带三维模式图[8] Fig. 27 3-D model of reverse S-shaped transitional orogenic chains in the Northern Hemisphere[8]

—阿尔卑斯-狄那里克-克里特反S状旋扭造山带;—东托罗斯-扎格罗斯-莫克兰反S状旋扭造山带;—帕米尔-喜马拉雅反S状旋扭造山带;—青藏-滇缅-印尼反S状旋扭造山带;黑线条示构造线;单箭头示走滑断层;斜方网格示冈瓦纳裂解板块;空心箭头示大陆反大洋板块相对运动方向;表示螺旋上升;表示螺旋下降 图 28 阿尔卑斯—喜马拉雅—印尼反S状旋扭构造连锁造山带[8] Fig. 28 Reverse S-shaped transitional orogenic chains along Alps-Himalayas-Indonesis[8]

值得注意的是早在1954年李四光先生在《旋卷构造及其他有关中国西北部大地构造体系复合问题》一文中曾有图示。如果将此图左转90度,横过来看,不难发现,图中在土耳其和伊朗境内从托罗斯大阿勒山(5165 m)、扎格罗斯到莫克兰弧,也是一个反S型构造,它的尾部莫克兰弧内侧是卢特荒漠,最低处是盐洼地,低于海平面300 m。Wellman[54]认为是“由于地壳物质逆时针螺旋下沉的结果”,但李东旭[53]认为只不过是由于印度板块的“碰撞”,使其难以螺旋下降成海。同样从帕米尔—克拉昆仑—喜马拉雅也应是一反S型构造,西藏高原内部应该曾经是一个反时针螺旋下降的“特提斯海”。显然也是由于印度板块的碰撞改变了它的原貌,呈现了一片高原小盐湖。所以在研究青藏构造时,不可忽视它在印度板块碰撞之前,曾经有过一段反时针螺旋下降的历史。

如果进一步思考,这个北半球大陆边缘造山带的反S型三维螺旋模式是否意味着北半球之所以成为陆半球是由于整体顺时针螺旋上升的结果;而南半球之所以成为水半球,是由于反时针螺旋下降的结果。也就是说,造成现今南北半球不对称的根本原因是南北两极相对地球自转轴扭动的结果。

5 结语

近半个世纪以来,旋扭构造研究取得全方位发展:从单一构造型式的研究到复式连环、复合叠加的解析;从外旋主动发展到内旋主动;从平面的旋转剪切到三维螺旋运动;从前寒武纪地壳早期演化到现今地应力活动;从微观矿物的旋转斑晶到板块的旋转;从理论解析到找矿勘探中的实际应用;从局部旋扭构造研究到全球旋扭动力学研究。《旋扭构造动力学——理论、方法及应用》一书中有系统总结。就当前研究现状而言,有以下几个问题值得考虑。

(1) 到目前为止,国内外构造地质教科书只讲直线构造,致使许多构造地质学家在野外考察时,忽略了对旋扭构造的认识、解析与研究。

(2) 构造地质研究要认真扎实地在野外露头上做构造形迹力学性质鉴定和解析,以查明不同构造形迹之间的伴生、派生、叠加、复合等关系的研究,进而确定它们归属的构造系统和成生时序。

(3) 以构造变形为主线,联系相关区域地质事件之间的复杂相互关系,进行多因子复杂系统综合集成解析。

(4) 研究全球旋转构造动力学,需要考虑的影响因素就更多。但是最终要以地壳岩石的构造变形的力学性质作为检验运动的标准。

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