剪切带的形成与造山带平行的伸展作用有关，这一过程得益于应力集中和流体在预先存在的岩性边界处的注入。这一现象在埃及东部沙漠（阿拉伯-努比亚盾）的Abu Markhat花岗岩体中发育的微观结构中得到了证实

《Journal of Structural Geology》：Shear zone formation linked to orogen-parallel extension facilitated by localisation of stress and fluid influx at a pre-existing lithological boundary: Evidence from microstructures developed in the Abu Markhat granitoid, Egyptian Eastern Desert, Arabian-Nubian Shield

　　

加马尔·艾哈迈德（Gamal Ahmed）| 桑德拉·皮亚佐洛（Sandra Piazolo）| 扎卡里亚·哈米米（Zakaria Hamimi）| 哈拉尔德·弗里茨（Harald Fritz）

利兹大学地球、环境与可持续发展学院，利兹，LS2 9JT，英国

摘要

在埃及东部沙漠的阿布马克哈特花岗岩体（Abu Markhat granitoid）中，我们研究了一个异常清晰暴露的剪切带，以探讨控制中地壳伸展剪切过程中剪切带形成和演化的参数。该剪切带从岩体核心的变质花岗岩（metagranite）到与变形角闪岩（deformed amphibolites）接触处的超糜棱岩（ultramylonite）呈现出数十米级的应变梯度。基于电子背散射衍射（EBSD）的详细微观结构分析，结合岩石整体和矿物化学成分分析，揭示了应力、流体侵入、化学反应和变形之间的动态相互作用。在变质花岗岩、原糜棱岩和糜棱岩中，石英主要通过位错蠕变（dislocation creep）发生变形；而在超糜棱岩中，变形转变为晶界滑动（GBS），分别通过单矿物和多矿物区域的溶解-沉淀作用来适应。在变质花岗岩和原糜棱岩中，长石主要通过微破裂（microfracturing）变形；而在糜棱岩和超糜棱岩中，变形则由同生交代反应（syntectonic replacement reactions）控制。这些反应产生了成分不同的细粒斜长石和钾长石聚集体，它们通过溶解-沉淀蠕变和晶界滑动发生变形。微观结构表明，整个变形带的变形温度为400 ± 50°C，应变率为2x10^-9-6x10^-11 s^-1。向结构上方的角闪岩岩层过渡时，指示性差异应力从55 MPa增加到120 MPa。

我们认为，岩层边界处的应力集中对剪切带的形成起到了决定性作用。流体被局部引入剪切带边缘，激活了多种控制其演化的变形机制。与长期存在的伸展剪切带不同，与造山带平行延伸相关的阿布马克哈特剪切带在较短的温度窗口内活跃，并且具有较高的应变率，这表明该剪切带的活跃期非常短暂。

引言

人们普遍认为，大陆地壳的变形主要发生在岩石强度降低的狭窄带内，这些区域的应变是局部集中的（例如，Ramsay, 1980; Fossen and Cavalcante, 2017; Wehrens et al., 2017）。在岩石记录中，经常观察到应变梯度，岩石从原糜棱岩逐渐变为糜棱岩，最终变为超糜棱岩（例如，De Bresser et al., 2001; Platt and Behr, 2011; Bickert et al., 2023）。关于应变为何在特定区域局部集中的原因仍存在争议（例如，Gardner et al., 2015; Lee et al., 2022）。提出了两种极端模型：i) 应变由于外部参数而局部集中，最重要的是由于应力集中导致的预先存在的流变学边界（机械各向异性和不连续性模型）；ii) 应变基于内在参数局部集中，通常表现为形成岩石的矿物颗粒尺寸显著减小（流变学依赖的局部化模型）。

在机械各向异性和不连续性模型中，成分各向异性被认为是控制应变空间局部化的最常见因素之一（Fossen et al., 2019及其中的参考文献）。在成分定义的边界处，强度差异导致应变局部化（Ord and Hobbs, 1989）。类似于剪切带的发展（Goodwin and Tikoff, 2002），应变沿着成分不均匀性局部化是由不同能力域之间的应变不兼容性引起的机械不稳定性驱动的。例如，Gardner等人（2017）证明，应力集中在不同流变学性质的层之间会导致应变局部化。已有研究表明，在中地壳花岗岩体中，如岩脉或由于流体渗透通过脆性不连续性形成的层中，也会出现剪切带的形成和发展（Christiansen and Pollard, 1997; Mancktelow and Pennacchioni, 2005）。这些成分不均匀性可能在流变学上比周围岩石更强或更弱，从而产生能够引起应变局部化的粘度差异（Altenberger, 1997; Mancktelow and Pennacchioni, 2005）。

在流变学依赖的情景中，不需要预先存在的机械各向异性或不连续性就能使应变局部化（Mancktelow, 2002）。已经提出了几种引起这种应变局部化的过程，包括剪切加热（例如，Kameyama et al., 1997; Willis et al., 2019）、弱相层之间的相互连接（例如，Holyoke and Tullis, 2006; Spruzeniece and Piazolo, 2015）、通过化学反应软化将强相转变为弱相（Rubie, 1983; Brodie and Rutter, 1985; Mansard et al., 2020），以及由于颗粒尺寸减小而从对颗粒尺寸不敏感的机制转变为对颗粒尺寸敏感的机制（Svahnberg and Piazolo, 2010及其中的参考文献; Platt and Behr, 2011）。

在伸展剪切带的情况下，应变局部化表现为在变形岩石中形成了狭窄的超糜棱岩带以及更宽的原糜棱岩带和糜棱岩带。局部化主要归因于抬升过程中温度变化的影响，导致剪切带变窄，最终形成薄的超糜棱岩带（Behr and Platt, 2011; Zhang et al., 2022; Van Bui et al., 2023）。因此，这种应变局部化需要剪切带在抬升和冷却过程中的长期活动，并且通常与压力-温度条件的显著变化有关（例如，Behr and Platt, 2011）。

目前，对于在P-T条件没有显著变化的情况下发生的伸展剪切带的形成和演化，以及控制应变局部化的因素，研究还相对较少（例如，Trepmann and Seybold, 2019）。同时，岩层边界（例如，花岗岩体与上覆角闪岩的接触）在中地壳应变局部化中的作用也尚未得到充分研究。

为了填补这些知识空白，我们利用了位于埃及东部沙漠（EED）西北阿拉伯-努比亚盾（ANS）的阿布马克哈特花岗岩体内一个异常清晰暴露、空间受限的500米尺度变形带。我们结合光学显微镜、背散射（BSE）和阴极发光（CL）成像技术，以及电子背散射衍射分析（EBSD）和岩石整体及矿物化学成分分析，研究了从原岩到超糜棱岩的伸展剪切带的形成和演化过程。我们的结果表明，应变梯度是由主要岩层边界处的应力增强、相关的局部化断裂和流体侵入所驱动的。

章节摘录

地质背景、野外关系和前期研究

研究区域位于EED的Sibai地区，属于EED的中央东部沙漠段（CED），该区域代表了ANS的西北端，也是东非造山带（EAO）的组成部分（图1a）。新元古代的ANS位于东北非和西部阿拉伯地区（图1a），是东冈瓦纳（E-Gondwana）和西冈瓦纳（W-Gondwana）大陆域在泛非造山运动（900-550 Ma）期间通过碰撞和聚合形成的缝合带（Stern, 1994; Abdelsalam and Stern, 1996; Johnson et al., 2011）。

野外分析、采样策略和样品制备

在从岩体核心到边缘的500米横断面上收集了具有代表性的结构测量数据和定向样品（图2a, b）。从每个变形带中采集了多个样品，用于微观结构和全岩化学分析（图2b）。对于每个区域，选择了一个代表性样品（用红色标记，图2c）进行详细微观结构分析。为了制备薄片，样品垂直于层理面（XY平面）切割，并平行于...

野外观察

阿布马克哈特花岗岩体与上覆角闪岩之间有明显的清晰接触（图2a, b）。在东南部，接触带内有一个宽500米的变形带。该区域的特点是从岩体核心的弱变形变质花岗岩逐渐过渡到与角闪岩接触处的宽约50米的超糜棱岩带（图2a, b）。根据颗粒尺寸、成分带状结构和层理强度的变化，可以...

从花岗岩核心到边界的石英变形：从以晶体塑性为主转变为通过溶解和沉淀实现晶界滑动的机制

在变质花岗岩和原糜棱岩中，石英颗粒未受到微破裂的影响，表明它们通过粘性变形来适应变形（图4, 图5）。这些石英颗粒显示出强烈的波状消光现象和清晰的亚颗粒结构（图4b, c）。在原糜棱岩中，石英颗粒具有明显的CPO和SPO特征（图15a, d）。位错取向角分析显示存在小于10°的峰值，这归因于石英中低角度亚颗粒的形成（图15b）。

结论

我们研究了在埃及东部沙漠西北部ANS的阿布马克哈特花岗岩体内、中地壳条件下形成的与造山带平行的伸展相关剪切带。其特征是从核心的变质花岗岩向边缘的超糜棱岩的转变，伴随着显著的颗粒尺寸减小、石英带和长石主导层的形成以及云母互连层的形成。详细的微观结构和化学成分分析揭示了...

CRediT作者贡献声明

哈拉尔德·弗里茨（Harald Fritz）：撰写——审稿与编辑、验证、概念化。扎卡里亚·哈米米（Zakaria Hamimi）：撰写——初稿撰写、验证、方法论、研究、概念化。桑德拉·皮亚佐洛（Sandra Piazolo）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论、研究、概念化。加马尔·艾哈迈德（Gamal Ahmed）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、数据分析、概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Mahmoud Ahmed和Mohammed Arafat在野外工作中的协助。我们衷心感谢编辑Ian Alsop、Riccardo Graziani和一位匿名审稿人的建设性评论，这些评论有助于改进本文。我们还要感谢John Williams、Richard Walshaw和Caleb Hall在样品制备和电子显微镜分析方面的帮助。这项工作得到了埃及高等教育部和科学研究的财政支持。