利用印度乔塔纳格普尔片麻岩复合体北部普鲁利亚地区斑状花岗岩中的长石斑晶中的拉伸断裂来估算古应力

古应力场重建与钾长石斑晶裂隙机制研究。通过分析喜马拉雅造山带Chotanagpur片麻岩复合体中Raghunathpur花岗岩体的钾长石斑晶 Mode-I 张性裂隙，结合COMSOL有限元模拟发现，区域N-S向最大压应力（264.6 MPa）与基质弹性模量差异（69 GPa vs 30 GPa）导致裂隙定向发育（东西向），并证实相邻斑晶相互作用使最小主应力阈值提高至50-60 MPa。裂隙充填绢云母记录250℃深部条件，未充填裂隙指示浅部脆性改造。

　　

苏巴·昆杜（Subha Kundu）| 苏迪尔·库马尔·蒂瓦里（Sudheer Kumar Tiwari）| 维沙尔·辛格（Vishal Singh）

印度理工学院鲁尔基分校（Indian Institute of Technology Roorkee）地球科学系，鲁尔基，247667，印度

摘要

了解古应力演化对于重建造山带的地壳变形至关重要。本研究探讨了拉古纳特普尔斑状花岗岩体（Raghunathpur Porphyritic Granitoid）中碱性长石斑晶内的I型断裂，该岩体形成于中元古代晚期至新元古代早期。这些拉伸断裂代表了对外部构造应力的机械响应。通过将野外资料与基于COMSOL的有限元方法（FEM）建模相结合，发现断裂的发展受到长石斑晶内部应力集中的控制。

在模型边界施加了两个压缩性远场主应力σ_r(max)和σ_r(min)。应力差以及长石与基质之间的弹性刚度差异使得斑晶内的最小主应力σ_i(min)在拉伸场中得到放大。野外数据显示，具有东西向长轴（90° ± 10°）的长石斑晶中存在南北向的I型断裂（约340° ± 5°）。基于25张野外图像的FEM建模表明，南北向的σ_r(max)在约78%的斑晶中产生了与南北向I型断裂一致的拉伸场，这表明在脆性抬升过程中存在南北向的区域压缩。相邻斑晶之间的相互作用使σ_r(min)升高至50-60 MPa，从而在斑晶内部引发拉伸场；而光滑、分离良好的颗粒在恒定的σ_r(max)为264.6 MPa的条件下仅需约40-45 MPa即可引发拉伸。

充满绢云母的断裂记录了约10公里深度（约250°C）的环境，而未填充绢云母的断裂则表明发生了较浅的脆性再活化。因此，长石斑晶在这种花岗岩体的脆性抬升过程中起到了可靠的古应力记录器的作用，FEM量化了元古代造山过程中应力对断裂敏感性和应力放大的机械控制。

引言

量化古应力场对于理解构造演化至关重要（Zoback, 1992; Angelier, 1989; Delvaux, 1997; Célérier et al., 2012; Lacombe, 2012; Simon, 2019）。在强矿物中的断裂以及能变形包裹体中的微包体结构，可以在远场应力诱导强颗粒局部拉伸破坏时记录有限应变和主应力方向（Olson and Pollard, 1989; Eidelman and Reches, 1992; Xie et al., 2014; Mondal and Acharyya, 2018; Acharyya and Mondal, 2019; Li and Ji, 2020; Li et al., 2020; Chen et al., 2023; Das et al., 2024）。特别是，花岗岩片麻岩中的直线形碱性长石斑晶常常含有垂直于最小主应力轴形成的I型（拉伸）裂缝（Das et al., 2024）。最近的研究表明，这些裂缝的几何形状和分布可以用来推断古应力方向。例如，Mondal和Acharyya（2018）证明，微花岗岩包体中的断裂模式可以可靠地追踪远场最大压缩应力方向，将包体视为演化中的“应力标记”。同样，对深度侵蚀岩体中破裂长石巨晶的研究也开始恢复区域应力方向和应力比（例如，Das et al., 2024）。虽然石英、橄榄石和正辉石等矿物的重结晶粒径常用于各种岩石类型的古应力分析（Fossen, 2016），但碱性长石巨晶作为古应力指标具有明显优势，尤其是在斑状花岗岩中（Mondal and Acharyya, 2018; Ji and Li, 2021）。长石的杨氏模量（约69 GPa）远高于花岗岩基质（约30 GPa），从而产生显著的应力放大效应，驱动系统性的拉伸断裂发展（Ji et al., 2002）。长石与基质之间的这种机械差异是通过有限元建模证实的应力增强的主要驱动因素（Acharyya and Mondal, 2019），并且可以在强包裹体中的应力传递剪切滞后框架（Ji and Xia, 2002）及相关多相地球材料负载传递模型中进行解释。花岗岩中的长石斑晶通常具有高纵横比（2–4.5）的矩形几何形状，促进了稳定的、可预测的应力集中模式（Das et al., 2024）。强包裹体的纵横比与断裂敏感性呈正比关系，较高的纵横比在较低的应力差下促进拉伸断裂的发展（Masuda and Kuriyama, 1988; Ji and Zhao, 1993）。长石中的I型断裂保持清晰且笔直，能够清晰记录古应力，而不受橄榄石改变的影响。石英在比长石更低的温度下就从脆性转变为延性行为，大约在300°C开始塑性变形，而长石则可以在大约500°C之前保持相对强度并继续以脆性方式变形（Fossen, 2016）。来自变形花岗岩和其他多相岩石的野外证据表明，当远场应力在强颗粒中引发脆性破坏时，强矿物中的拉伸断裂会记录应变方向（Masuda and Kuriyama, 1988; Masuda et al., 1990, 2008, 2019; Olson and Pollard, 1989; Mondal and Acharyya, 2018; Das et al., 2024）。此外，在像拉古纳特普尔岩体这样的花岗岩环境中，长石斑晶数量众多且易于测量。这些机械和岩石学因素使得碱性长石成为利用斑晶内断裂分析进行古应力重建的理想目标，最近的数值和野外研究也支持了这一点。

本研究调查了位于普鲁利亚北部（Purulia）拉古纳特普尔岩体（Raghunathpur Batholith）中的中元古代晚期至新元古代早期的斑状花岗岩。该岩体以其大型钾长石斑晶而闻名，位于一个主要的构造尺度剪切带附近，为研究复杂造山环境中的古应力重建提供了自然条件。我们将野外断裂分析与基于有限元方法（FEM）的建模相结合，以更好地了解长石斑晶在构造同期侵入和随后脆性抬升过程中如何记录区域古应力。具体而言，本研究解决了关于相邻斑晶相互作用对拉伸断裂起始阈值的影响、拉伸断裂记录远场古应力的可靠性、剪切带邻近性在断裂生成中的作用以及晶界粗糙度、斑晶大小和旋转角度对斑晶内应力放大效果的关键知识空白。我们的古应力重建评估了区域构造力和局部结构异质性（包括剪切带效应和斑晶相互作用）如何控制这一元古代地形的断裂发展和应力方向。

章节片段

区域地质背景

印度东部的乔塔纳格普尔片麻岩复合体（Chotanagpur Gneissic Complex, CGC）是一个具有复杂构造-岩浆历史的元古代碰撞造山带（图1a）（Mahadevan, 2002; Sanyal and Sengupta, 2012; Mukherjee et al., 2018; Sequeira and Bhattacharya, 2020）。它南侧与北辛格布姆活动带（North Singhbhum Mobile Belt, NSMB）相邻，沿南普鲁利亚剪切带（South Purulia Shear Zone, SPSZ）分布（例如，Goswami and Bhattacharyya, 2008; Mohanty et al., 2023）。CGC由古元古代至中元古代的混合岩花岗岩组成

基于FEM的建模

从每张野外照片中选取了具有明显可见拉伸断裂的长石斑晶进行分析。这些斑晶的边界在图像中被追踪出来，得到的JPEG文件使用COMSOL Multiphysics v6.2中的Image-to-Curve模块进行处理，该模块通过边缘检测算法将栅格图像数据转换为矢量样条曲线。在边界追踪过程中没有进行任何手动调整；斑晶的几何形状直接从

碱性长石斑晶的野外观察

在拉古纳特普尔斑状花岗岩体（Raghunathpur Porphyritic Granitoid）的13个野外地点共记录了883个碱性长石斑晶（见图1c）。这些斑晶主要为矩形，大致呈东西向排列。尽管侵入体主要为块状，且以岩浆叶理为主，糜棱结构仅限于剪切边缘，但为了进行一致的测量，需要所有露头都能获取的水平剖面

断裂起始机制和应力放大

Ji等人（1997）解释了莫林地块（Morin Massif）中石榴石的I型拉伸断裂是由于抬升相关伸展过程中的剪切滞后应力传递造成的。剪切滞后框架最初是为纤维增强复合材料开发的（Cox, 1952），后来在构造地质学中得到了进一步完善（Holister and Thomas, 1966; Kelly and Macmillan, 1986），其中载荷通过相对可变形的界面从较弱的、柔顺的基质传递到强包裹体中

结论

长石斑晶中的拉伸断裂系统地记录了拉古纳特普尔岩体中的中元古代晚期南北向压缩。FEM验证了这一古应力场，表明在现实岩石静载荷（约264.6 MPa，深度10公里）下，应力放大导致垂直于σ_r(min)（东西向）的I型断裂。随着抬升的进行，拉伸阈值降低（σ_r(min)分别为45 MPa、22.5 MPa和4.5 MPa），使得斑晶内部能够持续发生断裂

CRediT作者贡献声明

苏巴·昆杜（Subha Kundu）：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。苏迪尔·库马尔·蒂瓦里（Sudheer Kumar Tiwari）：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念化。维沙尔·辛格（Vishal Singh）：软件、方法论、正式分析

未引用的参考文献

利益冲突声明

?作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢印度理工学院鲁尔基分校和ANRF对FIG（IITR/SRIC/2385/FIG）和CRG（CRG/2023/009069）项目的资助。我们感谢审稿人Ji Shaocheng博士和两位匿名审稿人提出的建设性和富有洞察力的评论，这些评论帮助我们澄清了关键点并提高了原稿的质量。