A REVIEW ON THE RESEARCH PROGRESS OF SPATIAL CHARACTERISTICS OF LISTRIC FAULT
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摘要: 受地震资料解释多解性和局限性的影响，沉积盆地中深部地震资料解释品质差，靠地震解释来反映地下断层信息并不能揭露断层空间本质发育特征。鉴于此问题，笔者以脆塑性断裂发育特征、断层折射机理为基础，从断层空间位移量关系、倾斜角剪切法模型、断层面空间联合应力分布等方面对铲式断层空间特征进行研究。综合研究表明：铲式断层面上盘和下盘构成的空间并非楔形模式，而是局部构造紧闭区和局部伸展剥离区交替形态；由断层空间各位移量关系图解可知，铲式断层走向位移量和倾伏向位移量之间的夹角θ越小，走向应力作用越大，引起地层牵引程度就越高，形成的有利储油构造储集厚度就越大；利用倾斜剪切法模型可预测铲式断层实际滑脱深度，加强对中深层构造特征的认识；当铲式断层面折射裂缝被矿脉等充填时具有封堵性，当铲式断层面空间联合应力大于或等于其作用处岩石的抗压强度时，造成断层面处裂隙闭合或断面物质压紧，有利于封堵油气。Abstract: Affected by the multiple solutions and limitations of the seismic data interpretation, seismic data interpretation in sedimentary basin is of poor quality and the fault information from seismic data interpretation can't expose the characteristics of the fault space development. With that in mind, based on the brittle plasticity fault development characteristics and fault refraction mechanism, the listric fault spatial characteristics were studied from the aspects of fault spatial displacement relation, inclination angle shearing method model and fault plane spatial combined stress distribution. The comprehensive study results show that the space formed by the hanging wall and footwall of listric fault isn't in a wedge mode but an alternative mode between local compact structure zone and local extension peeling zone. According to the diagram of the displacement relation of the fault space, the smaller the included angle θ between listric fault strike displacement and dip displacement, the greater the stress along trend, the higher of the traction degree towards the stratum, and the thicker the oil-bearing structure favorable to accumulate oil. Inclined shearing method model can predict the actual slip depth of listric faults, strengthening the consciousness of the structure characteristics of middle and deep structures. Listric fault is closed while it's fault plane refraction crack filled by mineral vein, and when combined stress of listric fault plane space is greater than or equal to its compressive strength affecting on rocks, it will cause the closure of the crack or the material compaction, which is favorable for the seal of oil and gas.
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松潘—甘孜造山带位于中国四川省西部、青藏高原东北部，形成于古特提斯洋的闭合阶段[1]，造山带的主要变形过程发生在晚三叠世的印支运动末期，自晚三叠世特提斯洋闭合，造山带经历了强烈的“双向挤压”作用[2]，松潘—甘孜造山带内广泛出露中生代花岗岩，岩体多侵入三叠系地层中[3]，关于松潘—甘孜造山带的研究可以为造山带岩浆产生机制、大陆碰撞过程，壳幔相互作用方式、地壳加厚隆升、造山带的伸展垮塌及裂谷—盆地演化等领域提供重要启示和依据[4]。目前对该岩体的研究程度还很低，《四川省区域地质志》[5]测得塔公岩体的K-Ar同位素年龄为134~136 Ma；胡健民[6]锆石U-Pb定年结果为(214.8±2.5)Ma；王全伟[7]锆石(LA-ICP-MS)测年结果为(227.1±5.0)Ma，测年结果相去甚远。此外已有研究对该岩体的岩性认识上也有差异。为了确定岩体的岩性、地球化学特征和侵位时代，文章对松林口岩体做了详细研究，尽可能的从大地构造背景、岩体化学特征、年代学证据等方面探讨松林口岩体的成因与地质意义。
1. 地质概况及岩石学特征
松林口岩体位于松潘—甘孜造山带中东部、紧邻鲜水河左行走滑断裂带，地理坐标东经101°30′56″，北纬30°14′58″。岩体为近东西向展布的椭圆形岩株。出露于康定市塔公乡东南附近，北起康藏公路三十四道班，南至曲莫公，东起鄂拉托，西至外乌锡，长12 km，宽约8 km，面积近100 km2。岩体侵位于新都桥组地层中，野外由于掩盖严重，围岩与岩体的接触界线难以观察，围岩发育堇青石角岩、电气石角岩等接触变质岩，确定为侵入接触。所采集样品岩性为深灰色细粒花岗闪长岩和二长花岗岩(见图 1)，花岗闪长岩由斜长石(35%)、钾长石(10%)、普通角闪石(15%)、黑云母(30%)、石英(5%)及少量副矿物组成；二长花岗岩由斜长石(25%)、钾长石(20%)、普通角闪石(5%)、黑云母(20%)、石英(25%)及副矿物组成。斜长石为自形—半自形板状，粒径0.3~1.8 mm，可见聚片双晶发育和包晶含长结构；普通角闪石为自形柱状，横截面为多边形粒状，粒径0.2~2 mm，绿色，多色性明显，斜消光，可见两组解理发育；黑云母棕褐色片状，片径0.3~2 mm；石英它形粒状，粒径0.2~1 mm。
图 1 松林口岩体手标本及镜下特征Bt—黑云母；Hbl—普通角闪石；Qtz—石英；Pl—斜长石；Aug—普通辉石a—花岗闪长岩；b—花岗闪长岩镜下照片，正交偏光；c—二长花岗岩；d—二长花岗岩镜下照片，正交偏光Figure 1. Specimens and microscopic characteristics of the Songlinkou pluton2. 样品采集及分析方法
采集锆石U-Pb定年样品两件(SN1、SN2)，全岩化学分析样品5件，其中岩体边部花岗闪长岩样品3件，靠岩体中部二长花岗岩样品2件。
用于锆石U-Pb定年的样品破碎及锆石挑选由河北省区域地质调查大队地质实验室完成；制靶与阴极发光分析由西安瑞石地质科技有限公司完成；锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄测定在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。锆石U-Pb定年采用Varian820-MS四级杆等离子体质谱仪，激光剥蚀系统为GeoLas2005。样品主、微量元素分析在中国地质科学院矿产综合利用研究所进行。主量元素主要采用传统仪器分析方法进行定量分析，参照硅酸盐岩石化学分析方法，同时采用熔片X-射线荧光光谱法和等离子体光电直读光谱分析法。微量及稀土元素大都采用等离子质谱法测定，Cr、Zr、Ga同时也采用压片法X-射线荧光光谱法，其中Ag、Sn、B采用发射光谱法测定，As、Sb、Bi采用原子荧光光谱法测定。总体分析误差小于5%，详细操作方法见刘亚轩等[8]。
3. 分析结果
3.1 锆石U-Pb年龄
所采集的锆石U-Pb定年样品SN1、SN2，岩性分别为花岗闪长岩和二长花岗岩，样品锆石多为自形粒状、长柱状，长宽比一般不大于3:1，从CL阴极发光图像可见锆石具有震荡环带结构，Th含量为8.02×10-6，U含量为1.6×10-6，Th/U比值约5.01，为明显的岩浆锆石特征[9]。样品SN1共分析30个测点，得到锆石206Pb/238U年龄除9号点(185 Ma±2 Ma)和29号点(433 Ma±5 Ma)外，其余测试点变化于(208 ma±2 Ma)和(215 Ma±2 Ma)之间，锆石年龄频数分布见图 2，加权平均值为(212.4 Ma±0.9 Ma)(MSWD=0.66)(见图 3)，代表了本区石英闪长岩的结晶年龄。样品SN2共分析30个测点，获得锆石的206Pb/238U年龄在201.6~245 Ma之间，除去3号(201.6 Ma±2.5 Ma)、11号(246.7 Ma±3.4 Ma)、26号(203.6 Ma±3.2 Ma)、28号(245 Ma±3.1 Ma)4个不谐和点，获得26个测点的加权平均年龄值为(222.4 Ma±1.1 Ma)(MSWD=0.39)，代表了二长花岗岩的结晶年龄，锆石年龄谐和图和加权平均年龄见图 4。
图 4 二长花岗岩体锆石U-Pb谐和图和加权平均年龄Figure 4. Ziron U-Pb concordia diagram and weighted mean age of monzonitic granite根据岩体不同部位的年龄结果，二长花岗岩为(222.4±1.1)Ma，花岗闪长岩为(212.6±1.0)Ma，显示二长花岗岩形成要早，岩体由内至外年龄由老到新，中部岩体与边部岩体的年龄值相差约10 Ma。
3.2 主量元素地球化学特征
5件岩石样品的SiO2含量在56.56%~61.97%之间，平均59.66%；全碱含量3.78~5.38，平均4.63；K2O/Na2O=1.02~1.68，平均1.32，在SiO2-K2O图解(图 5)中，样品落在高钾钙碱性系列与中钾钙碱性系列界线附近，显示富钾的特征；Al2O3含量14.65%~16.09%，平均15.54%。里特曼指数σ=1.194~1.612，均小于3.3，为钙碱性岩石系列特征。铝饱和指数A/CNK=0.93~1.05，平均值0.97，在A/NK-A/CNK图解(图 6)中投点于准铝质范围内或附近。因此，松林口岩体属高钾钙碱性准铝质岩石。
3.3 微量元素地球化学特征
来自岩体的花岗闪长岩和二长花岗岩样品的ΣREE=104.93×10-6~194.14×10-6之间，轻重稀土比值LREE/HREE=5.22~7.13，(La/Yb)N比值为6.93~8.96，轻、重稀土分异较明显。δEu=0.20~0.24，平均值0.22，具有较强的负铕异常。花岗岩体的稀土配分型式总体较一致，为轻稀土富集的右倾型配分形式。总体上，松林口石英闪长岩的Rb、Ba、Th、La、Sr、Sm等元素具有较明显的正异常特征，K、Nb、Ce、P、Hf、Ti等元素具显著的负异常。Rb、Ba等大离子亲石元素富集，Hf、Ti等高场强元素相对亏损。P和Ti在岩浆中易于形成独立矿物(磷灰石、钛铁矿)，岩石中总体P、Ti强烈亏损，可能与这些矿物的结晶分离有关。造成Sr、Ba和Eu元素的负异常原因可能有斜长石残留在岩浆源区，表明岩浆形成时熔融不彻底。
4. 讨论
4.1 岩体形成时代
印支末期松潘—甘孜造山带岩浆活动十分剧烈，带内的花岗岩浆侵入活动主要发生在晚古生代—中生代早期、中生代中—晚期和新生代3个时期[7]。此次获得到的花岗闪长岩样品SN1锆石206Pb/238U年龄加权平均值为(212.4±0.9)Ma(MSWD=0.66)；二长花岗岩样品SN2锆石206Pb/238U年龄加权平均值为(222.4±1.1)Ma(MSWD=0.39)，两个岩体形成时代均为晚三叠世，与区域上大量中生代花岗岩的形成时代一致。单个独立的侵入体从岩浆形成直至锆石U-Pb同位素体系封闭经历的时间不超过1 Ma[10]，而研究的松林口二长花岗岩和花岗闪长岩的锆石U-Pb年龄相差约10 Ma，说明该岩体不是同一期次岩浆演化形成的，可能是两种岩体由同一源区向上侵位的不同期次就位形成的，二长花岗岩先侵位，花岗闪长岩后侵位。
4.2 岩体成因与源区特征
由主量元素特征可知，松林口二长花岗岩—花岗闪长岩体主要为准铝质，岩石中可见典型Ⅰ型花岗岩的矿物：角闪石(S型花岗岩通常不会有这类矿物[11])，缺少白云母、石榴石和堇青石等铝质矿物；岩石SiO2含量为56.56%~61.97%；具有较高含量的K2O，Na2O/K2O比值小于1；A/CNK比值为0.93~1.05；里特曼指数σ=1.194~1.612；Mg#值较高(50.97~61.27)，说明岩浆可能来源于镁铁质含量较高的下地壳物质成分。根据王德滋[12]提出的元素Rb在成熟度高的地壳中富集，在成熟度低的地壳中Sr元素相对富集，可以运用w(Rb)/w(Sr)来反映岩浆源区物质的性质，在S型花岗岩w(Rb)/w(Sr)＞0.9；Ⅰ型花岗岩w(Rb)/w(Sr)＜0.9，样品的w(Rb)/w(Sr)为0.12~0.25，平均0.19，显示Ⅰ型花岗岩的特点。与新疆苏盖提力克强过铝质S型花岗岩不同[13]，松林口岩体的这些主微量元素特征均指示为Ⅰ型花岗岩类型。
4.3 构造环境及地质意义
在Rb-(Y+Nb)图解中，所选5件样品投点于后碰撞构造环境花岗岩区域内(图 7)；Pearce et al[14]指出，由于成岩物质来源的不同，后碰撞环境的花岗岩类在Rb-(Y+Nb)图解中可能投点于火山弧花岗岩(VAG)区域右上部至同碰撞花岗岩(syn-COLG)区域右下侧的区域。蔡宏明[4]按照构造环境，将松潘—甘孜造山带内中生代的花岗岩分为同碰撞花岗岩(243~227 Ma)和后碰撞花岗岩(219~210 Ma)。对于松林口二长花岗岩—花岗闪长岩体的形成构造环境，结合已往的认识, 研究认为松林口中—高钾钙碱性准铝质二长花岗岩—花岗闪长复合岩体形成于大陆后碰撞环境。可能指示晚三叠世陆-陆碰撞致使地壳增厚，下部地层发生滑脱形成大型拆离断层，下地壳铁镁质物质在剪切热的作用下发生局部熔融，形成Ⅰ型花岗岩类[15]。
图 7 松林口岩体构造环境判别图解Figure 7. Tectonic environment discrimination diagram of the Songlinkou pluton5. 结论
(1) 结合岩石学、矿物学、地球化学研究，确定松林口岩体是由边部花岗闪长岩和中部二长花岗岩组成的复式岩体，岩体侵入三叠系新都桥组地层。
(2) 通过LA-ICP-MS锆石U-Pb测年方法，获得花岗闪长岩锆石206Pb/238U年龄加权平均值为(212.4±0.9)Ma(MSWD=0.66)，二长花岗岩锆石206Pb/238U年龄加权平均值为(222.4±1.1)Ma(MSWD=0.39)，表面松林口复式岩体为两期次岩浆活动的产物，中部二长花岗岩形成更早，侵位时代为晚三叠世。
(3) 松林口岩体属于中—高钾钙碱性Ⅰ型花岗岩，形成于后碰撞的构造环境，是晚三叠世陆-陆碰撞致使造山带地壳增厚，下地壳铁镁质物质发生部分熔融形成的。
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图 1 脆塑性断裂载荷与变形量关系示意图
Figure 1. Diagram of the relations between the loads and the distortion of the brittle-plasticity fault
图 3 铲式断层发育初期断面形态变化示意图
Figure 3. Sketch map of the morphological changes of the fault plane at the initial stage of the listric fault growth
图 4 铲式断层逆牵引特征及其断层面力学分解
θ-地层倾角、α-逆牵引角、A-扰曲幅度、G-沉积物重力
Figure 4. Mechanical decomposition of listric fault reversed-drag feature and fault plane
图 5 铲式断层派生次级断层发育特征及其铲式断层滑脱深度预测图解
Figure 5. Diagram of the development characteristics of the secondary fault derived from the listric fault and the prediction of the detachment depth of the listric fault
图 6 铲式断层空间各位移及其大小关系示意图
a-铲式断层要素及其空间位移示意图 b-空间位移四边形法则
Figure 6. Diagram of the relation between the spatial displacements of the listric fault and their sizes
图 7 铲式断层面三度空间联合应力作用图解
Figure 7. Diagram of the three-dimension combined stress of the listric fault plane
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