非洲中部剪切帶岩石學分析與構造史之研究

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(1)國立臺灣師範大學地球科學研究所碩士論文國立臺灣師範大學地球科學研究所碩士論文. 非洲中部剪切帶岩石學分析與構造史之研究 Petrographic Analysis and Structural History of Central African Shear Zone. 指導教授: 指導教授李通藝博士共同指導: 共同指導葉孟宛博士. 研究生: 研究生吳詩敏中華民國一百零一年一月.

(2) 誌謝首先感謝李通藝老師總是不吝於給我各種磨練的機會及資源，於研究上指引我們許多困惑之處，更時常與我們分享人生經驗、觀點，亦不時關心大家的近況。其次感謝 Mary 教導我許多地質知識與儀器實驗操作等，不斷帶領我們嘗試新的領域，以引導的方式讓我去解決問題，從中學到知識與思考的面向更令我獲益良多。小望和雅淇謝謝有你們像姊妹一樣一起分享喜怒哀樂，一起做實驗寫報告討論，一起放鬆休閒，讓我有充實且多彩多姿的生活，有你們真好。再來要謝謝嚕嚕咪像是我的大姊，不厭其煩的傾囊相授、幫忙我，也謝謝宇平總是無私的與我分享，一起討論尋找答案，小花、王金安、曹嘉修感謝你們的陪伴與各種大小事務的協助，讓我順利完成論文。另外最要感謝我的爸、媽和弟弟偉，你們辛勤的工作卻一路不求回報的栽培我，爸媽總是尊重我的決定，鼓勵我讓我自由的擇我所好，給我安穩又和諧的家，可以心無旁鶩的專心於學校的事物，偉更無怨的在花蓮工作為家裡盡心盡力，因為你的幫助我才能繼續學業，對你的感激超過了言語的表達。謝謝表妹貞貞、表弟恩恩、君君在我獨自外宿的期間陪伴我分享我的喜怒哀樂，以及楊家家族的所有家人們不時的關心與聚會我才能不斷有滿滿的動力完成每一件事。還有許多在期間於各方面幫助我的人，真的感激不盡。 i.

(3) 摘要非洲中部剪切帶 (Central African Shear Zone，CASZ) 為一東北西南走向從喀麥隆至查德向東北延伸至蘇丹之剪切帶，於喀麥隆地區分為北偏東 70 度之中喀麥隆剪切帶 (Central Cameroon Shear Zone， CCSZ) 與北偏東 50 度之 Tcholliré-Banyo 剪切帶(Tcholliré-Banyo Shear Zone，TBSZ)，且在大陸漂移前延伸至巴西東北部。而板塊構造背景可追溯至泛非洲時期，剛果地塊、西非地塊及東撒哈拉地塊之拼合。部分學者提出 CASZ 有同構造之花岡岩侵入，並以鈾-鉛鋯石定年 640 至 557 Ma 之結果為花崗岩與剪切帶形成之時間；另一部分研究則以沿 CASZ 有裂谷盆地分布與其打開的時間為大西洋張裂之時，進而探討 130 Ma 至 84Ma 之板塊構造演化，認為 CASZ 之形成與大西洋張裂相關，而同剪切花崗岩中常含有高溫變質岩，因此本研究於 TBSZ 系統以顯微岩石學之分析來了解其礦物相，並以指標礦物推測其變質事件發生之溫度條件；並根據野外觀察、顯微構造及應變分析釐清整個構造演化歷史及應力分布情況，歸納此地區的變形史可分為至少三期：早期的為 Dn-1，形成一東北－西南走向，低角度向東南傾之偃臥褶皺，葉理 Sn-1 組成礦物為角閃石+黑雲母+石榴子石+鈉長石，此礦物相為角閃岩相之變質條件，而 Dn-1 應為泛非洲時期東撒哈拉地塊由北向南碰撞變形造成之逆衝 nappe；Dn 形成東北－西南走 ii.

(4) 向，近垂直傾向西北走向平行剪切帶之直立褶皺，顯微影像與電子影像分析顯示 Sn 葉理礦物相為黑雲母+綠泥石+鉀長石+榍石，此礦物成分指出溫壓條件為綠色片岩相，而此變形期為 CASZ 左移剪切的時期，由重建應變橢球顯示主應力方向在北北西-南南東至西北-東南向，應變模式為左移伸張；Dn+1 為脆性變形事件，發生於接近地表的低溫條件。. 關鍵詞：非洲中部剪切帶、泛非洲、顯微構造、應變分析、岩石學、Rf/φ 分析法、應變橢球、福林氏圖. iii.

(5) Abstract The N70˚E trending Central Cameroon shear zone (CCSZ) and the N50˚E trending Tcholliré-Banyo Shear zone (TBSZ) are the southwest extension of the Central African Shear Zone (CASZ). The evolution of CASZ is interpreted in two different models. The activation of the CASZ was considered to relate to the evolution of the Western Gondwana. Many researchers proposed the emplacement of these plutons are syn-kinematic, with U-Pb zircon ages of 640-580 Ma for various shear zone parallel batholith. The activation of the CASZ is due to amalgamation of the Congo craton to the West Africa craton and the Eastern Saharan Block. However, there are many rift basins along CASZ. The formations of these rift systems are associated with the opening of Atlantic Ocean. CASZ can also be activated or reactivated due to the opening of the southern Atlantic. Ocean. during. 130-84. Ma.. There. are. existences. of. high-temperature metamorphic rocks due to shearing heating in syn-shearing granite. In order to understand the metamorphic conditions, micropetrography helps to indicate the mineral assemblage and, which helps to delineate the temperature comdition of metamorphism. With new field observation, microstructural data and strain analysis, the tectonic iv.

(6) history of TBSZ can be devided into at least three events. The earlier event Dn-1 formed recumbent folds with NE-SW striking, SE dipping fold axial planes. The mineral assemblage of Sn-1 is hornblend ± garnet ± biotite ± Albite suggested that P-T conditions in under middle Amphibolite facies. Dn-1 is result from the amalgamation of the Congo craton and the Eastern Saharan Block in N-S direction by the analysis of structure and strain. Dn event formed tight upright folds with NE-SW striking subvertical axial planes and parallel to CASZ. Sn with mineral assemblage Biotite ± Chlorite ± Sphene ± K-feldspar form under greenschist facies and left-lateral shearing. By reconstruction of strain ellipsoids, the main stress direction is NNW-SSE to NW-SE during Dn with transtension strain pattern . Dn+1 is brittle deformation close to surface by low temperature.. Keywords: Central African Shear Zone, Pan-African, microstructure, petrography, Rf/φ method, strain ellipsoid, Flinn diagram.. v.

(7) 目錄摘要 .......................................................................................................... i Abstract .................................................................................................. iv 目錄 ........................................................................................................ vi 圖目錄 .................................................................................................... ix 表目錄 .................................................................................................. xiv 第1章. 緒論 ..................................................................................... 1. 1.1. 中非剪切帶簡介 ................................................................. 1. 1.2. 喀麥隆構造單位 ................................................................. 4 1.2.1 泛非洲褶皺帶 .................................................................. 4 1.2.2 裂谷盆地 ........................................................................ 7. 1.3. 喀麥隆的構造發展 ............................................................. 8 1.3.1 地殼增厚 ........................................................................ 8 1.3.2 左移剪切運動 ................................................................ 9 1.3.3 右移剪切事件 ................................................................ 9. 1.4. 中非剪切帶之發展 ........................................................... 10 1.4.1 泛非洲 (Pan-African) 運動時期................................. 11 1.4.2 大西洋張裂模式 .......................................................... 13. 1.5. 研究動機與目的 ............................................................... 17 vi.

(8) 第2章. 研究材料與方法 ............................................................... 19. 2.1. 研究材料 ........................................................................... 19. 2.2. 研究方法 ........................................................................... 21 2.2.1 構造分析流程 .............................................................. 21 2.2.2 應變分析法 .................................................................. 23 2.2.2.1 應變分析法- Rf/φ 分析法.................................. 23 2.2.2.2 福林氏分析法 (Flinn method) .......................... 27 2.2.2.3 應變橢球分析法 ............................................... 28 2.2.3 顯微岩石學分析法 ...................................................... 30 2.2.3.1 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope；SEM)........................................................ 31 2.2.3.2 能量分散式光譜分析(Energy Dispersive System； EDS)............................................................................... 32. 第3章. 結果與分析 ....................................................................... 34. 3.1. 重建構造史 ....................................................................... 34 3.1.1 TBSZ ............................................................................. 34 3.1.2 糜稜岩帶 ...................................................................... 39. 3.2. 應變分析 ........................................................................... 40 3.2.1 TBSZ ............................................................................. 40 vii.

(9) 3.2.1 糜稜岩帶 ...................................................................... 46 3.3. 岩石學分析 ....................................................................... 47 3.3.1 TBSZ ............................................................................. 51 3.3.2 糜稜岩帶 ...................................................................... 53. 第4章. 討論 ................................................................................... 56. 4.1. 構造發展 ........................................................................... 56. 4.2. 應變分析 ........................................................................... 57. 4.3. 主應力方向與板塊構造之意義 ........................................ 59. 第5章. 結論 ................................................................................... 61. 參考文獻 ............................................................................................... 62. viii.

(10) 圖目錄圖 1.1 中非地形圖和自由空間重力圖。白線分別為 CASZ 與 TBSZ 位置，黃色區域為喀麥隆地區。(Sandwell, 1997) ....................... 2 圖 1.2 大陸漂移前之重建圖。(Torsvik and Cocks, 2011) .................... 3 圖 1.3 喀麥隆火山線位置圖。(Nkouathio et al., 2008) ........................ 4 圖 1.4 喀麥隆地質圖。ASZ: Adamawa shear zone 即為 CCSZ；SF: Sanaga fault；TBF: Tcholliré-Banyo fault；NT: Ntem Complex；DS: Dja Group；NS: Nyong Group；1 =南區 southern domain；2 =中區 central domain ；3 = 北區 northern domain。(Njanko et al., 2006) ......................................................................................................... 6 圖 1.5 WAS 和 CAS 位置圖（取自 Genik, 1993）。 ............................. 7 圖 1.6 西岡瓦納構造演化示意圖。(Moulin et al., 2010) ................... 12 圖 1.7 喀麥隆地區深成置換作用定年結果位置圖。(修改自 Elangwe, 1979; (Kankeu et al., 2009; Njiekak et al., 2008; Penaye et al., 2006; Toteu et al., 2004) .......................................................................... 13 圖 1.8 中西非裂谷盆地位置圖。(Fairhead and Binks, 1991).............. 15 圖 1.9 西岡瓦納構造演化示意圖。紅線為 200-190Ma 侏儸紀早期張裂；綠線為 133-120Ma 早白堊紀張裂。(Moulin et al., 2010) ........... 15 圖 1.10 大西洋張裂示意圖。(Fairhead and Green, 1989) .................. 16 ix.

(11) 圖 1.11 構造形式示意圖。 ................................................................. 16 圖 1.12 前剪切花崗岩與同剪切花崗岩示意圖。(Searle, 2006) ........ 18 圖 2.1 喀麥隆地質圖與樣本點位置，紅：TBSZ，紫：糜稜岩帶，藍：中非剪切帶。 (Kankeu et al., 2009; Njiekak et al., 2008; Penaye et al., 2006; Toteu et al., 2004) ........................................................... 20 圖 2.2 研究流程圖。........................................................................... 21 圖 2.3 實驗流程示意圖....................................................................... 22 圖 2.4 標記圖示 (a) 標記記號所指示的方向 (b) 標記記號所紀錄的角度 (c) 指北標記 (水平面用) ................................................... 22 圖 2.5 顆粒變形與應變率變化示意圖。(A)長軸不同位態之顆粒經應變率 Rs=1.0 變形示意圖，初始橢圓率 Ri 對長軸位態 φ 圖。(B) 長軸不同位態之顆粒經應變率 Rs=1.5 變形示意圖，初始橢圓率 Rf 對長軸位態 φ 圖。(C)長軸不同位態之顆粒經應變率 Rs=3.0 變形示意圖，初始橢圓率 Ri 對長軸位態 φ 圖。(Ramsay, 1967a). 25 圖 2.6 Rfphi.xls 操作畫面。 ................................................................. 26 圖 2.7 Ln Rf vs. Phi 圖。 ...................................................................... 27 圖 2.8 Rs vs. x2 圖。以 x2 最低所對應之 Rs 決定此樣本之應變率值。 ....................................................................................................... 27 圖 2.9 福林氏圖 (Flinn diagram)。y 軸為最大應變率 S1 與次大應變率 x.

(12) S2 之比，橫軸為軸為次大應變率 S2 與最小應變率 S3 之比。 ... 28 圖 2.10 Mathematica 軟體計算之最適橢圓，藍色為輸入資料之橢圓，紅色為計算後的最適橢圓。 ........................................................ 29 圖 2.11 應變橢球重建圖。三平面為資料輸入的面：水平、XZ 面和 YZ 面 ............................................................................................. 30 圖 2.12 鎢絲型掃描式電子顯微鏡（JEOL JSM 6360LV）及能量分散式光譜儀（EDS: Oxford INCA）探測器。(引自：中央研究院地球科學研究所電子微探儀室) ....................................................... 31 圖 2.13 掃描式電子顯微鏡結構示意圖。 .......................................... 32 圖 2.14 能量分散式光譜分析儀結構示意圖。 .................................. 33 圖 3.1 TBSZ Dn-1 構造示意及野外葉理和線理的赤平投影圖。 (a)赤平投影圖。 (b) Dn-1 偃臥褶皺示意圖。 (c) 10CC01 露頭照片與構造描繪圖，Sn-1 使早期 Sn-2 葉理變形而被後期 Sn 葉理截切，並可觀察到長石串腸構造。 (d)10CC02 露頭照片與構造描繪圖，偃臥褶皺被壓碎岩帶和 Sn 切過。 ....................................................... 35 圖 3.2 TBSZ Dn 構造示意及野外葉理和線理的赤平投影圖。 (a)葉理及線理的赤平投影圖。 (b) Dn 直立褶皺示意圖。 (c)、(d)和 (e)10CC02 露頭照片與構造描繪圖，Sn 使早期 Sn-2/Sn-1 葉理被褶，直立褶皺中仍可觀察到 Dn-1 之偃臥褶皺。 ................................. 36 xi.

(13) 圖 3.3 TBSZ Dn+1 露頭及斷層照片。 .................................................. 37 圖 3.4 不同區域之樣本與其顯微薄片影像。.................................... 38 圖 3.5 糜稜岩帶 Dn 構造示意及野外葉理和線理的赤平投影圖。 (a) 葉理及線理的赤平投影圖。 (b) Dn 直立褶皺示意圖。 (c)、(d) 和(e)10CC03 露頭照片與構造描繪圖，Sn 使早期 Sn-1 葉理被褶，也使岩脈 V1 和 V2 變形伴隨左移剪切指標。 ............................. 39 圖 3.6 10CC03B 顯微薄片影像。 ....................................................... 40 圖 3.7. Rf/φ 分析結果計算所得之應變變形網圖。由上至下分別為水. 平面、XZ 面和 YZ 面之結果。只 10CC03B 為垂直面、XZ 面與 YZ 面。 ......................................................................................... 44 圖 3.8 (上) 應變橢球分析結果 (中)應變三軸之赤平投影圖 (下)Flinn 圖。紅：最大應變軸，藍：次大應變軸，綠：最小應變軸。 .. 45 圖 3.9 應變橢球長軸、短軸與 k 值資料表........................................ 45 圖 3.10 糜稜岩帶 (上) 應變橢球分析結果 (中)應變三軸之赤平投影圖 (下) Flinn 圖。紅：最大應變軸，藍：次大應變軸，綠：最小應變軸。 ....................................................................................... 46 圖 3.11 顯微薄片影像: (a) (c)角閃片麻岩石 (b)石榴子石角閃片麻岩。掃描式電子顯微影像: (f) (j)角閃片麻岩 (d) (g)壓碎岩 (e) (h) (i) 含石榴子石角閃片麻岩 ................................................................ 50 xii.

(14) 圖 3.12 角閃石之顯微薄片影像與 SEM 影像。 (a)10CC02D 水平面之偏光顯微薄片影像 (b)10CC02C XZ 面偏光顯微薄片影像 (c)10CC02C XZ 面 SEM 影像 (d) 10CC02C XZ 面 SEM 影像與其構造描繪圖。............................................................................ 52 圖 3.13 (a)10CC02C 與 (b)10CC02E 之 SEM 影像與 EDS 分析。綠泥石多出現在黑雲母旁或其中，下圖左為綠泥石 EDS 分析，下圖右為黑雲母 EDS 分析。 .............................................................. 53 圖 3.14. (a) CL 顯微影像。藍色：低溫鉀長石脈，橘色：斜長石，黃. 橘色：鉀長石。 (b) SEM 影像。淺灰：鉀長石，深灰：斜長石，黑：石英。 (c) SEM 影像。 ....................................................... 54 圖 3.15 (a)10CC03B 與 (b)10CC03A 之 SEM 影像。 ....................... 55 圖 3.16 變質條件之溫度對壓力圖與溫壓路徑。 .............................. 56 圖 4.1 應變分析結果重建之 XY 面赤平投影圖。 ............................ 59 圖 4.2 應變橢球位置圖。 .................................................................... 60. xiii.

(15) 表目錄表 2.1 岩石標本資料表 ....................................................................... 20 表 3.1 變形事件葉理、礦物組成和運動方向統整表 ........................ 38 表 3.2 應變分析結果統整表。φ：應變橢圓長軸伸張方向，水平面上 0 度為北方，XZ 面、YZ 面 0 度為水平面的方向，順時針為正逆時針為負。 ................................................................................... 42 表 3.3 構造事件、葉理礦物相、溫壓條件與剪切方向表 ................. 55 表 4.1 變形期之構造、構造事件與溫壓條件統整表 ........................ 57. xiv.

(16) 第1章章緒論 1.1 非洲中部剪切帶剪切帶簡介非洲中部剪切帶 (Central African shear zone；以下簡稱 CASZ)呈東北-西南走向，從大西洋海岸的幾內亞灣穿越喀麥隆，經過查德向東北持續延伸至蘇丹 (圖 1.1)，大約有 4000 公里長 (Ibrahim et al., 1996)。CASZ 是在中非裂谷系統中主要之剪切帶，在此區域內有許多因張力而擴張的盆地和狹長的裂谷 (圖 1.1)，可分為東北-西南走向和西北-東南走向兩組 (Genik, 1993)。中喀麥隆剪切帶 (Central Cameroon shear zone；以下簡稱 CCSZ) 為 CASZ 西南延伸的一部分，在大西洋張裂以前與巴西西北部的剪切帶有關 (圖 1.2)，許多重建大陸漂移前的研究都說明 CCSZ 和巴西東北部的塑性斷層，如 Patos 剪切帶有關聯 (Bertrand and Jardim de Sà, 1990; Castaing et al., 1994; Davison et al., 1995; Neves et al., 2004)；也有研究提出 Pernambuco 線性和 CCSZ 南邊的 Sanaga 斷層相連 (Neves and Mariano, 1999)，都顯示這些剪切帶可追溯至大西洋張裂之前，另外 CASZ 在北喀麥隆分支出 TBSZ (Tcholliré-Banyo Shear Zone) ，其中 TBSZ 位於 CASZ 與奈及利亞、尼日的 Benue 地槽 (trough) 之間，可能記錄到 CASZ 與裂谷盆地活動的歷史。喀麥隆的火山活動以 31Ma 開始活動的喀麥隆火 1.

(17) 山線 (Cameroon Volcanic Line; CVL) 規模較大 (圖 1.3) (Marzoli et al., 2000; Nkouathio et al., 2008)，其分布從幾內亞灣至西喀麥隆，全長約有 1400 公里，呈東北-西南走向並與 CASZ 連接。而相較於巴西東北 Patos 剪切帶與 Pernambuco 剪切帶的構造研究，CASZ 的構造發展仍未釐清，因其大部分被沙漠所覆蓋，只在喀麥隆地區出露於地表。故本研究針對 TBSZ 於喀麥隆地區作構造應變分析及岩石學分析，並配合前人之研究結果，以期能初步釐清其構造發展之歷史。. 圖 1.1 中非地形圖和自由空間重力圖。白線分別為 CASZ 與 TBSZ 位置，黃色區域為喀麥隆地區。(Sandwell, 1997). 2.

(18) 圖 1.2 大陸漂移前之重建圖。(Torsvik and Cocks, 2011). 3.

(19) 圖 1.3 喀麥隆火山線位置圖。(Nkouathio et al., 2008). 1.2 喀麥隆構造單位 1.2.1 泛非洲褶皺帶泛非洲褶皺帶的形成歷史是由西北剛果地塊與西非地塊的碰撞而產生 (Castaing et al., 1994; Toteu et al., 2004)，在喀麥隆運動帶由北到南以 TBSZ 和 Sanaga 剪切帶 (SSZ) 為界分為三個主要的岩石構造單位：(圖 1.4) （1）北喀麥隆 (Poli Group) （2）中喀麥隆 (Adamawa Domain) （3）南喀麥隆 (Yaoundé Group ) 4.

(20) 此三個地質構造單位紀錄了在構造發展期間的變形和混合岩化作用 (migmatization)，由 CCSZ 和 SSZ 描繪出喀麥隆北部的構造邊界為東北-西南走向 (圖 1.4)，(1) 北喀麥隆 (The Northern domain) 由新遠古代 (Neoproterozoic) 火山沉積物的片岩和片麻岩及正片麻岩組成，Poli Group 為一弧後盆地，形成於 830-665 Ma，此地區至少被兩期的泛非洲深成作用侵入，這些前構造、同構造和晚構造的鈣鹼侵入岩 (閃長岩、花崗岩) 置換的年代約在 640-580 Ma (Njanko et al., 2006) 且大部分是鈣鹼性 (calc-alkaline) 至次鹼性 (subalkaline)。(2)中喀麥隆 (The Central domain) 是從南邊的 SSZ 至北邊的 TBF，由 Adamawa 剪切帶和其他斷層分支組成 CCSZ 系統，Adamawa Domain 包含了泛非洲構造期基盤和大規模古元古代 (Paleoproterozoic) 的殘留物在泛非洲歷史中經歷過變形 (Toteu et al., 2004; Toteu et al., 2001)，此區含有高鉀鈣鹼的花崗岩類 (granitoid)，其置換的年代約為 600 Ma (Toteu et al., 2001)。 (3) 南喀麥隆 (The Southern domain) 為 Sanaga 斷層以南，其中的 Yaoundé Group 是一同構造的 (syn-tectonic) 盆地，沉積的年代小於 625 Ma (Toteu et al., 2006)，由泛非洲時期經高壓變質的變質沉積岩組成，並有鹼性的岩漿侵. 5.

(21) 入作用，這些沉積岩是由剛果地塊北緣的被動環境沉積而形成，而所有的岩石在 620 Ma 都經歷中至高壓麻粒岩相 (granulite facies) 變質作用，後來再逆衝到剛果盆地上 (Nédelec et al., 1986)。另外 Lom Group 是一同 SSZ 剪切的拉張盆地 (pull-apart basin)，並在 613-600 Ma 沉積，而泛非洲時期的變形和中至高壓麻變岩相 (granulite facies) 變質作用的年代約在 620Ma。. 圖 1.4 喀麥隆地質圖。ASZ: Adamawa shear zone 即為 CCSZ；SF: Sanaga fault； TBF: Tcholliré-Banyo fault；NT: Ntem Complex；DS: Dja Group；NS: Nyong Group； 1 =南區 southern domain；2 =中區 central domain ；3 = 北區 northern domain。 (Njanko et al., 2006). 6.

(22) 1.2.2 裂谷盆地沿 CASZ 有許多因拉張力而擴張的盆地和裂谷分布於尼日、查德和蘇丹 (圖 1.5)，稱為西非與中非張裂系統 (West and Central African rift system, 以下簡稱 WCARS)，走向有東北-西南走向與西北-東南走向兩種，主要是由白堊紀至第三紀時形成之裂谷盆地所組成，這些裂谷盆地可能源於岡瓦納大陸的破裂和非洲及南美洲的分開 (Genik, 1993)。主要的裂谷活動是於早白堊紀時，岡瓦納大陸破裂，使非洲地殼拉張下陷，而於第三紀時則再次活動(Genik, 1993)，西非裂谷盆地在尼日和查德主要為張裂活動，構造型態多為正斷層，而在查德的中非裂谷盆地是以張裂和剪切壓縮（Transpression）活動為主，構造型態則有複雜的花狀構造。. 圖 1.5 WAS 和 CAS 位置圖（取自 Genik, 1993）。 7.

(23) 1.3 喀麥隆的構造發展中非剪切帶在喀麥隆可分為兩個系統：北偏東 70 度和北偏東 50 度，北偏東 70 度系統有中喀麥隆剪切帶（CCSZ）、Sanaga 剪切帶（SSZ）；北偏東 50 度則有 Tcholliré-Banyo 剪切帶（TBSZ）及其分支，如 Balché 剪切帶（BSZ）和 Buffle Noir–Mayo Baléo 剪切帶（BNMBSZ）。 Ngako 等人(2008) 將泛非洲喀麥隆的碰撞和後碰撞發展分為三個連續的構造事件：（1）地殼增厚，（2）左移剪切運動，（3） CASZ 右移剪切運動。. 1.3.1 地殼增厚泛非洲構造帶早期的發展包含逆衝與壓縮導致地殼增厚；在北喀麥隆 Poli 地區，東西向褶皺的局部平躺葉理與線理可能就是形成於早期的逆衝。而在南邊 Yaoundé Group 斜臥褶皺（recline fold）和大規模向南南西運動的逆衝帶伴隨有拉張線理的紀錄 (Ngako et al., 2008)，隨漸降低的溫度、壓力說明了有抬升以及高壓-高溫麻粒岩在晚期向南逆衝到剛果地塊上，其變質強度往南漸增，此發展包含 pure 和 8.

(24) simple 變形的平移壓縮（transpression），運動方向為左移。從 Poli 地區的雲母片岩和 Yaoundé 麻粒岩的變質鋯石得到一致的年代 630 ± 5 Ma (Toteu, 1990)，為早期逆衝事件的年代。 1.3.2 左移剪切左移剪切運動剪切運動北喀麥隆產生許多的剪切帶截切早期和逆衝有關的褶皺與葉理，從旋轉的記號和典型的 C’形構造，都符合沿剪切帶左移的運動。被 TBSZ 切過的 Mbé 區域，由陡斜的糜稜岩和直立褶皺交替，其褶皺軸平行於礦物拉張線，傾角 20~35 度傾向西南 (Ngako et al., 2008)，有糜稜岩帶的運動記號如 S 形的葉理、C’構造和不對稱的等，這些記號都一致指出左移剪切運動。Sanaga 剪切帶（SSZ）是一個主要的地殼塑性斷層，其走向北 70 度東，可能延伸至中非共和國，在 Lom 地區構造特徵是一個拉張盆地同時有走向北 40 度東的左移剪切帶，而沉積作用發生在 600~613Ma 間，此年代即可能是 Lom 地區左移的時間。 1.3.3 右移剪切右移剪切事件剪切事件整個非洲帶中喀麥隆在晚構造時期是右移的旋轉，旋轉. 9.

(25) 記錄在 CASZ 的右移剪切運動中，也有紀錄在北喀麥隆東－西向的剪切帶中，Rb-Sr 年代在 540-538Ma (Bessoles and Trompette, 1980)，提供了一個晚構造期的時間。CASZ 是一個北 70 度東的主要地殼構造，從蘇丹地區沿伸至巴西東北，其在中喀麥隆是呈現扇形，因為它交於北 40 度東方向剪切帶系統，大部分的研究在喀麥隆和巴西東北都明確指出 CASZ 是一右移剪切帶，西北-東南應力方向和 CASZ 右移剪切的南北、北北東－南南西大規模直立褶皺相吻合。綜合泛非洲時期在剛果地塊北緣的地塊運動，此地區在地殼增厚與左移運動時主要應力為南-北和北北東-南南西，並在 585 至 538Ma 的右移剪切運動時期應力完全改為西北-東南向。. 1.4 中非剪切帶之發展 CASZ 位於數個古老地塊之間，經歷了多次且複雜的地質事件，其發展可從泛非洲時期西岡瓦納構造演化追溯至白堊紀大西洋張裂，長時間留下的紀錄部分不易辨認，且加上此地區研究採樣較困難，故相關研究多著重於局部地區，導致整個中非演化歷史有不同之說法，. 10.

(26) 可歸納為以下兩種。 1.4.1 泛非洲 (Pan-African) 運動時期此模式認為 CASZ 的活動與西岡瓦納的發展有關，泛非洲時期西岡瓦納包含剛果地塊 (Congo Craton)、東撒哈拉地塊 (Eastern Saharan Block；ESB)、西非地塊 (WAC) (圖 1.6) (Maurin and Guiraud, 1993)，此時期西北喀麥隆碰撞變形隨撒哈拉剛硬體撞上剛果地塊活動邊緣而開始 (Ngako et al., 2008)，時間約在 640-580Ma 間，南-北向 nappe 構造被剪切帶截切，且導致其走向平行剪切帶，這顯示了雖然撒哈拉活動邊緣和 WAC 的碰撞在 630Ma 就開始，可是西北喀麥隆的變形主要受控於北北東-南南西的應力方向是直到 590Ma (白雲母和角閃石 40Ar-39Ar 定年； Attoh et al., 1997)，主要之剪切帶都截切過早期的逆衝與褶皺 (Ngako et al., 2008; Njanko et al., 2006)，Toteu (2001) 等人提出喀麥隆地區岩漿侵入為同構造，CASZ 與花崗岩同時形成，因此鈾 -鉛定年的年代則為剪切作用發生的時間，其深成岩體侵入時間在 640 和 557 Ma 之間 (圖 1.7)。此發展下火成事件和剪切同時間，進而指出 CASZ 活動的時間。此模式下喀麥隆地區在整個非洲演化中有三個主要的構造事件：. 11.

(27) （1）地殼增厚，剛果地塊北邊產生向南的逆衝帶 (約 630-620 Ma)。（2）區域主要南-北應力方向反應在地殼增厚而後來南-北和北北東-南南西的左移剪切運動貫穿整個帶。（3）585-538Ma，區域主要應力方向完全轉變為西北-東南向。. 圖 1.6 西岡瓦納構造演化示意圖。(Moulin et al., 2010). 12.

(28) 圖 1.7 喀麥隆地區深成置換作用定年結果位置圖。(修改自 Elangwe, 1979; (Kankeu et al., 2009; Njiekak et al., 2008; Penaye et al., 2006; Toteu et al., 2004). 1.4.2 大西洋張裂模式此模式認為 CASZ 的發展與大西洋張裂相關，在尼日 (Niger)、查德 (Chad) 和蘇丹 (Sudan) 有許多早白堊紀裂谷盆地沿 CASZ 分布 (圖 1.8)，組成中西非裂谷系統，分別有東北-西南走向與西北-東南走向兩組，而根據 Benue 地槽、Doba、Bongor 13.

(29) 和查德湖盆地玄武岩氬-氬定年 (40Ar/39Ar dating) 之結果，顯示岩漿作用與盆地拉張有關 (Lu et al., 2009)，Maluski 等人(1995) 更提出 Doba 盆地 150Ma 的岩漿作用雖早於大西洋張裂，但為其最早之岩漿活動，配合盆地沉積之年代顯示裂谷系統之發展與大西洋張裂有關，並藉由重建 250Ma 的板塊分布 (圖 1.9)，盤古大陸的分裂可以分成三個主要的時期，(1) 三疊紀早期 (200-190Ma) 盤古大陸分為三個部分北邊的勞倫西亞 (Laurussia)、非洲和南美洲大陸以及南邊的馬達加斯加、南極、印度和澳洲 (2) 早白堊紀 130-119 Ma 大西洋開始張裂 (Fairhead and Green, 1989) ，北美洲與歐洲也在此時分開 (3) 第三紀阿拉伯遠離非洲。Fairhead (1991) 提出南大西洋在 130 Ma 先開始張裂 (圖 1.10)，赤道大西洋則是 119 Ma 才開始張裂，同時造成西非與中非張裂系統 (West and Central African rift system；WCARS) 的發育，使西非和南非間的張裂移動有差異。由板塊重建之結果顯示 84 Ma 時的壓縮事件使張裂停止，盆地停止裂開並產生反轉。. 14.

(30) 圖 1.8 中西非裂谷盆地位置圖。(Fairhead and Binks, 1991). 圖 1.9 西岡瓦納構造演化示意圖。紅線為 200-190Ma 侏儸紀早期張裂；綠線為 133-120Ma 早白堊紀張裂。(Moulin et al., 2010). 15.

(31) a. b. 圖 1.10 大西洋張裂示意圖。(a)大西洋張裂前位置。(b)大西洋張裂後位置圖 (Fairhead and Green, 1989). 上述兩種模式中，從泛非洲地塊的合併方向與導致之壓縮，可能產生的構造形式應為逆衝的 nappe 構造 (Ngako et al., 2008) (圖 1.11 a)，其更提出此地區同構造花崗岩侵入活動 (Toteu et al., 2001)，並以鈾-鉛鋯石定年推論 CASZ 活動於泛非洲時期；而另一模式則以板塊重建所推得之南大西洋與赤道大西洋非同時打開，導致南非洲與北、中非洲之間的走滑運動，因此應形成近垂直之剪切帶 (圖 1.11 b) (Fairhead, 1988)。據此，本研究初步嘗試了解 CASZ 之構造形式，以更進一步討論非洲中部剪切帶的構造發展史，另外本研究需釐清此剪切活動的時間、應力方向及了解剪切帶形成的溫壓情況。. (a). (b). 圖 1.11 構造形式示意圖。. 16.

(32) 1.5 研究動機與目的在 CASZ 發展於泛非洲時期地塊合併的模式下，其假設花崗岩為同剪切形成，才進一步以鈾-鉛鋯石定年的年代表示 CASZ 活動發展的時間。根據 Searle (2006) 描述塑性變形前剪切和同剪切花崗岩判斷之準則，前塑性剪切花崗岩在剪切前就已侵入並結晶，且其被剪切帶所截切，而有變形之花崗岩可追溯至遠離剪切帶的未變形花崗岩 (圖 1.12 a)，反之同塑性剪切花崗岩主要形成於剪切帶內 (圖 1.12 b)，喀麥隆北部之花崗岩非侷限於剪切帶內，而遍佈於整個北喀麥隆；另前剪切花崗岩剪切形成之構造會覆蓋早期高溫岩漿作用的構造，角閃片麻岩光礦薄片中角閃石礦物節理非規則排列，顯示其原岩應為火成來源；而糜稜岩帶中，同剪切花崗岩可能含捕獲岩，但前剪切花崗岩則無，本區域糜稜岩帶並沒有觀察到捕獲岩之存在；若花崗岩為同剪切，其受到剪切加熱 (shearing heating) 會形成高溫之變質岩分布於剪切帶，本研究初步觀察角閃岩與壓碎岩中含角閃石與石榴子石但無其他更高溫之礦物，綜合以上之比較推測 CASZ 之花崗岩較符合前剪切，不同於前人研究認為此地區花崗岩為同剪切形成，在此假設之下鈾-鉛鋯石定年的年代應早於剪切帶發生的時間。為了證明此看法及求證此非同剪切之花崗岩，需得知剪切活動發. 17.

(33) 生的溫度條件及其變質岩是否為高溫變質岩，因同剪切花崗岩會伴隨高溫變質岩的形成，本研究以光礦薄片之觀察與岩石學分析了解其礦物組成，進一步以礦物指標及顯微構造推測變質條件是在甚麼溫度範圍下。另為釐清 CASZ 發展之背景，藉由重建其構造史與應變模式，進而從應力的分布情況了解板塊構造背景之演化。. 圖 1.12 塑性變形之前剪切花崗岩與同剪切花崗岩示意圖。(Searle, 2006). 18.

(34) 第2章章研究材料與方法 2.1 研究材料本研究之研究材料為 2010 年 3 月底至 4 月初於喀麥隆北部 5 個露頭點位為主，橫跨 TBSZ、糜稜岩帶與中非剪切帶(圖 2.1)，測量葉理、褶皺、褶皺軸、劈理、線理、斷層和擦痕等資料，並採集 10 個岩石定向樣本 (表 2.1)。TBSZ 區域共採集 5 個標本分別為 2 個角閃片麻岩、1 個壓碎岩、1 個含石榴子石角閃片麻岩與 1 個糜稜岩，角閃片麻岩皆呈現明顯之條紋由深灰色角閃石為主之區域與白色長石、石英帶相間，其中另一角閃片麻岩含約 0.5 公分之石榴子石，壓碎岩中含角閃石與長石斑晶且被石英脈切過，糜稜岩中白色長石帶與深色角閃石帶緊密交錯。糜稜岩帶採集了 3 個樣本為 2 個糜稜岩與 1 個糜稜岩中的變形長石岩脈，糜稜岩中長石與角閃石顆粒皆被絞碎成細顆粒，而長石脈則呈淡粉色。CASZ 地區有 1 個變形之花崗岩與 1 個片麻岩，片麻岩也是由角閃石、石英與淡粉色之長石組成，其顆粒較均質，且條紋分帶較不明顯。. 19.

(35) 圖 2.1 喀麥隆地質圖與樣本點位置，紅：TBSZ，紫：糜稜岩帶，藍：中非剪切帶。 (Kankeu et al., 2009; Njiekak et al., 2008; Penaye et al., 2006; Toteu et al., 2004). 表 2.1 岩石標本資料表. 剪切帶. 樣本編號 10CC02A 10CC02B TBSZ 10CC02C 10CC02D 10CC02E 10CC03A 糜稜岩帶 10CC03B 10CC03C 10CC04 CASZ 10CC05. 岩性角閃片麻岩壓碎岩角閃片麻岩石榴石角閃片麻岩糜稜岩變形長石岩脈糜稜岩糜稜岩花崗岩片麻岩. 20. 經度. 緯度. 高度. 13.56284. 7.0833. 607. 13.56284. 7.0833. 607. 13.56284. 7.0833. 607. 13.56284. 7.0833. 607. 13.56284. 7.0833. 607. 13.5272. 7.75704. 573. 13.52598. 7.75741. 570. 13.52598. 7.75741. 570. 14.2608. 6.47679. 968. 14.08137. 6.50929. 1041.

(36) 2.2 研究方法本研究主要分為構造史重建及應變分析與顯微岩石學三部份進行 (圖 2.2)，並同時蒐集相關之文獻。。. 前人研究. 構造史重建. 應變分析. 顯微岩石學. 資料數位化. Rf/φ應變分析. 顯微構造. 構造分期. 應變橢球建立. SEM/EDS/CL. 圖 2.2 研究流程圖。. 2.2.1 構造分析流程構造分析流程構造分析欲瞭解構造發展史，因此本研究以顯微構造與野外構造之觀察相對照，定義出 CASZ 之構造事件。野外採集之定向樣本帶回後，以回歸定向儀將樣本重建至野外測量之位態，即可標出水平面和指北線，並進一步製作水平面、垂直面、XZ 面與 YZ 面之定向薄片 (圖 2.3)，分別用於定義不同期之葉理及判斷剪切方向，而在空間中多以應力橢球來描述應力關係，應力橢球定義的最大主應力是壓縮力最大者，其稱為 σ1，最小主應力 σ3 是壓縮最小的力，可能為伸張，而次大主應力 σ2 居中；但在討 21.

(37) 論應變情形時，以應變橢球的方式較為方便，而應變橢球是定義最大伸張方向最大應變軸為 X 軸，次大伸張方向為次應變軸 Y 軸和最小伸張方向為最小應變軸 Z 軸 (Ramsay, 1967b)，由此可知應變橢球正好與應力橢球相反，而葉理面形成垂直於 σ1 (Z 軸)，即 XY 面；本研究即利用礦物拉張線在葉理面上可看到的特性，找出葉理面和其上的礦物拉張線，而平行礦物拉張線、垂直葉理面的即為 XZ 面，垂直礦物拉張線也垂直葉理面的是 YZ 面。本研究中水平面皆表示指北的方向，XZ 面與 YZ 面之水平線皆為此薄片面與水平面之交線 (圖 2.4)。. 回歸定向. 樣本切割. 磨平220. 磨平400. 磨平600. 磨薄. 切薄. 上片. 拋光. 拍照. 拼圖. 位態調整. 圖 2.3 實驗流程示意圖. (a). (b). (c). 圖 2.4 標記圖示 (a) 標記記號所指示的方向 (b) 標記記號所紀錄的角度 (c) 指北標記 (水平面用). 22.

(38) 另外將野外測量到的葉理面、褶皺軸面、劈理、擦痕、斷層和節理 (joint) 之位態數據數位化，然後使用 Stereonet 軟體將葉理面、褶皺軸面繪製於赤平投影圖上，本研究中的赤平投影圖皆為等面積圖 (equal area)，並投影於下半球，依據野外觀察之截切關係與型態，歸納出不同構造期在區域構造史的主要位態並以赤平投影圖表示之。. 2.2.2 應變分析法 2.2.2.1 應變分析法- Rf/φ 分析法 Rf/φ’為一分析變形橢圓顆粒形貌的方法 (Ramsay, 1967a)，可假設一橢圓初始的橢圓率為 Ri，其經過均質的變形後最後的橢圓率為 Rf，而 Rf 受四個因素所控制：初始橢圓的形狀和位態與應變橢圓的形狀與位態，一個平面一開始含有數個形狀相同 (Ri=2.0) 的初始橢圓，但其位態不同分別為初始長軸位態 φ =90˚、75˚、60˚、45˚、30˚、15˚、0˚ (圖 2.5 A)，受 Rs = 1.5 的均質應變後，新的橢圓率依原本位態的不同而改變(圖 2.5B)，且產生新的橢圓長軸位態，若初始橢圓長軸平行於應變橢圓長軸 (φ = 0˚) 則其新橢圓率 Rf 會 23.

(39) 大於應變橢圓 Rs (圖 2.5 B)，反之初始橢圓長軸平行於應變橢圓短軸 (φ = 90˚) 則其應變後橢圓率 Rf 會小於應變橢圓 Rs (圖 2.5 B)，而所有的最終橢圓率 Rf 會在這兩個端值之間，但有較多部分的橢圓率 Rf 大於應變橢圓 Rs，因此其平均最終橢圓率 (Rf 1+Rf 2+Rf 3…+Rf n) /n 仍會大於實際應變橢圓率 Rs；在經歷強烈的變形的情況下，應變橢圓率大於初始橢圓率，最終橢圓長軸只會在某特定範圍中變動 (F) (圖 2.5 C)；當應變橢圓率與初始物體橢圓率相同時，則所有橢圓長軸方位 φ 會在-45˚至 45˚之間且 F=90˚；若變形強烈應變橢圓率大於初始橢圓率，則 F<90，且 Rf /φ 圖為封閉曲線。. 24.

(40) 圖 2.5 顆粒變形與應變率變化示意圖。(A)長軸不同位態之顆粒經應變率 Rs=1.0 變形示意圖，初始橢圓率 Ri 對長軸位態 φ 圖。(B)長軸不同位態之顆粒經應變率 Rs=1.5 變形示意圖，初始橢圓率 Rf 對長軸位態 φ 圖。(C)長軸不同位態之顆粒經應變率 Rs=3.0 變形示意圖，初始橢圓率 Ri 對長軸位態 φ 圖。(Ramsay, 1967a). 測量各顆粒的面積大小、長短軸半徑、長軸位態，中心位置等數據後，因樣本中所測量的數據為最終之結果，由長、短軸比可得最終橢圓率 Rf 值，將長軸、短軸、長軸位態和 Rf 輸入至(David) (2003)所建立活頁簿 Rfphi.xls 中的 Enter data 活頁表 (圖 2.6)，此活頁簿分為兩個活頁表 (Enter data 和 Calculate Rs) 與兩個圖表 (Ln Rf vs. Phi 和 Rs vs. x2)，輸 25.

(41) 入之資料繪製於 Ln Rf vs. Phi 圖中 (圖 2.7)，活頁表 Calculate Rs 則計算 θ (初始橢圓長軸與最大拉張軸之夾角) 分布之最適參數 (x2) (Lisle, 1977)，而最適參數對應變量之變化表示在 Rs vs. x2 圖中 (圖 2.8)；Ln Rf vs. Phi 圖表中為每個資料點之 ln Rf 對 φ 作圖，當應變橢圓率 Rs 值確定後，8 個最初橢圓率 Ri 曲線和 θ 亦可繪製於圖中，Ri 值為 1.25, 1.5, 1.75, 2, 2.5, 3, 4 和 6，而 θ 範圍從-90˚至 90˚；Rs vs. x2 圖表中 x2 低則表示初始橢圓的位態為隨機分布，而由此決定出 Rs 值。. 圖 2.6 Rfphi.xls 操作畫面。. 26.

(42) 圖 2.7 Ln Rf vs. Phi 圖。. 圖 2.8 Rs vs. x2 圖。以 x2 最低所對應之 Rs 決定此樣本之應變率值。. 2.2.2.2 福林氏分析法 (Flinn method) 福林氏分析法是以一 x-y 圖形試圖了解三度空間之應變模 27.

(43) 式及體積的變化，其原始想法最初由 (Zingg, 1935) 提出，而 (Flinn, 1962) 拓展其應用至此，福林氏圖 (Flinn diagram) 之縱軸為最大應變率 S1 與次大應變率 S2 之比，橫軸為次大應變率 S2 與最小應變率 S3 之比 (圖 2.9)，若其構造的形式為扁平，資料會落在靠近 x 軸處，反之若為拉長則會在近 y 軸處；另外也可以福林氏圖中 x 軸與 y 軸之比 k 值來判斷應變橢球之型態，若 k 值介於 0 和 1 之間是屬於扁圓狀 (oblate) (圖 2.9)，k 值大於 1 則為長柱狀 (prolate). 圖 2.9 福林氏圖 (Flinn diagram)。y 軸為最大應變率 S1 與次大應變率 S2 之比，橫軸為軸為次大應變率 S2 與最小應變率 S3 之比。. 2.2.2.3 應變橢球分析法以應變分析求得應變率 Rs 和 φ 值後，進一步欲了解應 28.

(44) 變的模式來探討整個區域的板塊構造背景，本研究將所得之 Rs 以最小應變軸(Z)為 1 計算出相對之應變橢圓主應變軸(X) 值，經 Mathematica 軟體計算出至少 3 面之最適橢圓 (best-fit ellipse) (Mookerjee and Nickleach, 2011) (圖 2.10)，以此三面應變橢圓於空間中之型態，並回歸至測量樣本面之位態重建出三度空間的應變橢球 (圖 2.10)。由此可清楚得知應變三軸 (X 軸、Y 軸和 Z 軸) 之位態及判斷應變模式，而應變模式亦可與 Flinn 圖相對應以釐清整個板塊構造之應力分布。. 圖 2.10 Mathematica 軟體計算之最適橢圓，藍色為輸入資料之橢圓，紅色為計算後的最適橢圓。. 29.

(45) 圖 2.11 應變橢球重建圖。三平面為資料輸入的面：水平、XZ 面和 YZ 面. 2.2.3 顯微岩石學分析顯微岩石學分析法岩石學分析法本研究藉由觀察岩石顯微薄片，來了解岩石中的礦物分布、種類、型態、構造和接觸關係等，更以電子顯微分析礦物之化學元素，探討其化學關係，定義出不同期葉理之礦物相，依據礦物於不同溫壓的結晶情況，進而推測變形之條件。電子顯微可用於分析微米尺度下樣本之化學元素含量與分布，且其為非破壞性，近年在地質領域應用於礦物成分之分析，在岩石學的研究上是一有利的工具。本實驗使用中央研究院地球科學所電子微探儀實驗室鎢絲型掃描式電子顯微鏡（JEOL JSM 6360LV）及能量分散式光譜儀（EDS: Oxford INCA）探測器(圖 30.

(46) 2.12)，於低真空 25 Pa 下，電流值 0.3nA，加速電壓 15V，操作距離(Working Distance； WD)為 10mm。. 圖 2.12 鎢絲型掃描式電子顯微鏡（JEOL JSM 6360LV）及能量分散式光譜儀（EDS: Oxford INCA）探測器。(引自：中央研究院地球科學研究所電子微探儀室). 2.2.3.1 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope； SEM) 掃描式電子顯微鏡藉由波長較可見光短的高能電子提高解析度，可將小的樣品放大觀察，其在真空下電子槍發出電子經透鏡與掃描線圈 (圖 2.13)，電子束對樣品進行掃描，在樣品表面激發出二次電子和背向散射電子並發出訊號，而偵測器接收訊號後，透過數位放大呈現影像，掃描範圍越大則倍率越小，反之掃描範圍越小倍率就越大，若樣品的原子. 31.

(47) 序越高則背向散射電子越多，背向散射成像也會越亮，掃描式電子顯微鏡可見的範圍為 10nm，可清楚觀察物體表面的凹凸差異，常用於觀察物體表面的型態。. 圖 2.13 掃描式電子顯微鏡結構示意圖。. 2.2.3.2 能量分散式光譜分析(Energy Dispersive System；EDS) 能量分散式光譜分析是測量 X 光的能量(圖 2.14)，當電子束打在樣品表面後會產生二次電子並在電子軌道上留下電洞，外層的電子就會躍進內層並將多餘的能量以 X 光的形式釋放出來，而不同的元素激發出的 X 光能量也不同，這些 X 光被偵測器接收後，轉換成電流經放大器處理再存入訊號，而偵測器必須要在低溫下操作，因此利用液態氮冷卻之，EDS 具有非破壞性、同時偵測不同的光譜和不須對焦 32.

(48) 等優點，便於分析物體元素成分。. 圖 2.14 能量分散式光譜分析儀結構示意圖。. 由顯微薄片觀察初步了解礦物間的置換及接觸關係，因此以電子顯微分析更微觀化學元素之角度來確立這些判斷，故多針對礦物置換之邊緣、礦物中包裹其他結晶、斑晶的核和邊緣、樣本中不同分區及其交界如角閃石帶與長石帶、糜稜岩區與超糜稜岩區等來進行分析。. 33.

(49) 第3章章結果與分析 3.1 重建構造史 3.1.1 TBSZ 藉由歸納野外測量的褶皺軸面與葉理，並比對露頭構造之觀察， TBSZ 的變形史可分為至少三期，其中較早期的 Dn-1，形成一東北－西南走向，低角度傾向東南傾之偃臥褶皺（圖 3.1a、b），從野外露頭中也可觀察到長石脈受此期變形作用形成串腸構造(boundinage) (圖 3.1c)，但 Sn-1 變形早期的 Sn-2 葉理，其運動形式為上部向南、底部向北，而此偃臥褶皺中觀察到礦物含角閃石、石榴子石、長石與石英，而此期褶皺被壓碎岩帶 (cataclasite domain) 與後來的葉理截切 (圖 3.1d)；Dn 形成東北－西南走向，近垂直傾向西北的直立褶皺（圖 3.2a、b），伴隨的近垂直葉理面 Sn 切過早期葉理 Sn-2/Sn-1 (圖 3.2c、d 和 e)，並使岩脈形成左移剪切指標，也使前一期的偃臥褶皺再次被褶 (圖 3.2c、e)，由露頭觀察到 Sn 葉理含黑雲母與長石。Dn+1 則是脆性斷層 (圖 3.3)，此期脆性變形截切所有早期的葉理。顯微薄片觀察顯示 Sn-1 葉理由黑雲母與被變形之角閃石及長石所定義，同時黑雲母形成並排列於葉理中，而 Sn 為變形之黑雲母定義之，脆性變形可於壓碎岩中觀察到長石顆粒破裂且邊緣平直、多角。 34.

(50) 圖 3.1 TBSZ Dn-1 構造示意及野外葉理和線理的赤平投影圖。 (a)赤平投影圖。 (b) Dn-1 偃臥褶皺示意圖。 (c) 10CC01 露頭照片與構造描繪圖，Sn-1 使早期 Sn-2 葉理變形而被後期 Sn 葉理截切，並可觀察到長石串腸構造。 (d)10CC02 露頭照片與構造描繪圖，偃臥褶皺被壓碎岩帶和 Sn 切過。. 35.

(51) 圖 3.2 TBSZ Dn 構造示意及野外葉理和線理的赤平投影圖。 (a)葉理及線理的赤平投影圖。 (b) Dn 直立褶皺示意圖。 (c)、(d)和(e)10CC02 露頭照片與構造描繪圖，Sn 使早期 Sn-2/Sn-1 葉理被褶，直立褶皺中仍可觀察到 Dn-1 之偃臥褶皺。. 36.

(52) 圖 3.3 TBSZ Dn+1 露頭及斷層照片。. 本研究於 TBSZ 同一露頭中採集了不同區域與岩性之樣本 (圖 3.4)，分別為 Sn 葉理為主之角閃片麻岩 (10CC02C)、截切偃臥褶皺之壓碎岩區 (10CC02B) 及位於偃臥褶皺之含石榴子石角閃片麻岩 (10CC02D)，角閃片麻岩 10CC02C 與壓碎岩 10CC02B 之顆粒大小明顯不均勻，而含石榴石的角閃片麻岩 10CC02D 中顆粒大小雖然亦為非均質，但其大小差異較小，角閃石與長石在 10CC02D 中受到強烈變形而形成魚狀或斷裂於葉理中 (圖 3.4)，在 10CC02C 和 10CC02B 中只有部分角閃石與長石受到變形，顯示 10CC02D 所受到的變形大於 10CC02B 與 10CC02C (圖 3.4 )。. 37.

(53) 圖 3.4 不同區域之樣本與其顯微薄片影像。. 表 3.1 變形事件葉理、礦物組成和運動方向統整表. 38.

(54) 3.1.2 糜稜岩帶糜稜岩帶僅可觀察到 Dn 一期事件，因其受糜稜化強烈變形使早期的構造皆被抹去，Dn 形成東北-西南走向平行剪切帶的直立褶皺 (圖 3.5a、b)，亦為此區域最主要的構造 (圖 3.5e)，近垂直的 Sn 同樣截切早期的 Sn-1 葉理及岩脈並有左移紀錄 (圖 3.5c、d)。從顯微薄片觀察期構造，葉理 Sn 於糜稜岩中由黑雲母、長石與榍石所組成。. 圖 3.5 糜稜岩帶 Dn 構造示意及野外葉理和線理的赤平投影圖。 (a)葉理及線理的赤平投影圖。 (b) Dn 直立褶皺示意圖。 (c)、(d)和(e)10CC03 露頭照片與構造描繪圖，Sn 使早期 Sn-1 葉理被褶，也使岩脈 V1 和 V2 變形伴隨左移剪切指標。. 39.

(55) (a). (b) 圖 3.6 10CC03B 顯微薄片影像。. 3.2 應變分析 3.2.1 TBSZ 測量顯微影像中長石與石顆粒的長軸、短軸與長軸位態 φ 得其長短軸比 Rf 對 φ 圖與應變率 Rs 值 (表 3.2)，其中長軸位態 φ 在水平面上 0 度為北方，順時針為正、逆時針為負，XZ 面、YZ 面上 0 度為此面與水平面交線之方向，同樣順時針為正逆時針為負，結果顯示 TBSZ 角閃片麻岩 (10CC02A、10CC02C) 中最大的應變率 Rs 為 1.24 與 1.2，最小應變率為 1.24 與 1.18，其 XZ 面與 YZ 面之應 40.

(56) 變率差異不大，壓碎岩最大 Rs 為 1.26 最小 1.12，石榴子石角閃片麻岩 (10CC02D) 應變率 Rs 最大為 1.42 最小為 1.2，而糜稜岩 (10CC02E) 最大 Rs 為 1.34 最小 Rs 是 1.22。比較不同岩性之 Rs 結果 (圖 3.7)，石榴子石角閃片麻岩的應變率大於其他岩性，指出 10CC02D 受到之應變較大，而糜稜岩之最大應變率 Rs 亦顯著高於角閃片麻岩與壓碎岩，角閃片麻岩之應變率 Rs 最小，且其 XZ 面與 YZ 面 Rs 值亦很相近。以 XZ 面、YZ 面與水平面應變分析所得之應變率 Rs 與 φ 經運算重建出應變橢球之形態(圖 3.8)，最大應變軸方向皆為東北-西南走向，只在 10CC02A 為近南-北向，應變橢球指出最大應變軸為東北-西南至南-北向並傾向南，而最小應變軸為北北西-南南東至西北 -東南向，因此推測其應力場方向為北北西-南南東至西北-東南向的壓縮。Flinn k 值於 10CC02A 與 10CC02D 均大於 1，顯示應變模式為扁長 (prolate)，其他則小於 1 為扁圓之應變，而 10CC02A 之應變橢球和福林圖皆與同岩性之樣本不同，可能是其位於褶皺軸所紀錄之葉理面位態不同因此應變分析結果也與其他樣本不一致。. 41.

(57) 表 3.2 應變分析結果統整表。φ：應變橢圓長軸伸張方向，水平面上 0 度為北方，XZ 面、YZ 面 0 度為水平面的方向，順時針為正逆時針為負。. 水平面 10CC02A 10CC02B 10CC02C 10CC02D 10CC02E 10CC03B 10CC03C. XZ 面. φ. Rs. N. -15.5 25.4 54.5 70.5 76.4 -1.7 35.2. 1.18 1.22 1.24 1.34 1.2 1.18 1.18. 4113 5013 3362 1896 657 658 434. 傾向傾角 90 214 297 221 260 237 202. 74 30 27 34 40 26 48. YZ 面. φ. Rs. N. 42.5 3.1 -65.5 8 -21.7 -7.7 22.4. 1.24 1.26 1.2 1.42 1.34 1.48 1.36. 4225 4831 1693 2590 1730 741 617. 42. 傾向傾角 251 55 250 55 99 75 50. 58 65 70 68 47 63 50. φ. Rs. N. -43.2 -8.6 4.5 7.5 -12.1 4.4 -66.2. 1.24 1.12 1.18 1.2 1.22 1.26 1.04. 3239 3432 5078 2015 1421 889 665.

(58) 10CC02A. 10CC02B. 10CC02C. 水平面 XZ 面. YZ 面. 續下頁. 43. 10CC02D.

(59) 10CC02E. 10CC03B. 10CC03C. 垂直面. 水平面 XZ 面. YZ 面. 圖 3.7 Rf/φ 分析結果計算所得之應變變形網圖。由上至下分別為水平面、XZ 面和 YZ 面之結果。只 10CC03B 為垂直面、XZ 面與 YZ 面。. 44.

(60) 圖 3.8 (上) 應變橢球分析結果 (中)應變三軸之赤平投影圖 (下)Flinn 圖。紅：最大應變軸，藍：次大應變軸，綠：最小應變軸。. 圖 3.9 應變橢球長軸、短軸與 k 值資料表. 長軸 (σ3) 10CC02A 10CC02B 10CC02C 10CC02D 10CC02E 10CC03B 10CC03C. 長度 1.24 1.14 1.13 1.24 1.05 1.14 1.30. 傾向 172.90 212.67 50.40 236.19 206.61 231.68 225.52. 短軸(σ1) 傾角 51.14 47.72 36.02 42.69 67.10 26.41 35.73. 45. 長度 0.90 0.87 0.85 0.83 0.79 0.81 0.94. 傾向 75.0 117.0 145.1 338.3 339.2 326.4 91.9. 傾角 6.3 5.1 6.4 12.8 15.9 9.4 43.8. k 2.27 0.95 0.72 1.16 0.18 0.61 4.57.

(61) 3.2.1 糜稜岩帶糜稜岩帶中兩個糜稜岩樣本 XZ 面之 Rs 為 1.48、1.36，YZ 面 Rs 為 1.26、1.04，糜稜岩帶之最大應變率高於 TBSZ 地區，也顯示其變形強烈。應變橢球於糜稜岩帶之重建顯示最大應變軸為東北西南走向傾向南，此位態亦與 TBSZ 一致，最小應變軸一為東西向傾向東傾角較大，而另一為西北東南向傾向西且緩，兩者之主應力方向不大相同。福林氏分析法 k 值之結果分別為 0.61 和 4.57，k 值介於 0 到 1 應變型態為扁圓狀(圖 2.9)，k 值大於 1 則為長柱狀，糜稜岩帶中兩個樣本顯示出不同之應變模式。. 圖 3.10 糜稜岩帶 (上) 應變橢球分析結果 (中)應變三軸之赤平投影圖 (下) Flinn 圖。紅：最大應變軸，藍：次大應變軸，綠：最小應變軸。. 46.

(62) 3.3 岩石學分析角閃片麻岩、含石榴子石及角閃石的片麻岩、壓碎岩及糜稜岩為主要出露之岩石，其主要組成礦物為角閃石、斜長石、鈉長石、鉀長石、黑雲母、綠泥石、榍石 (sphene) 和石英，而綠泥石於糜稜岩中較多壓碎岩中較少 (圖 3.11a、b)，而在偃臥褶皺區域的角閃片麻岩還含有石榴子石；次要礦物 (<1%) 則有磷灰石和鋯石 (圖 3.11c)。角閃石多為半自形其礦物節理不規則 (圖 3.12 a)，但仍受變形影響使角閃石有沿葉理被拉長成魚狀或斷裂成數段，尤其在含石榴子石的角閃片麻岩中，幾乎所有角閃石都呈魚狀並排列於葉理中。斜長石與鈉長石則有斑晶(prophyroclast)、岩脈或細碎顆粒沿葉理排列三種型式，斜長石斑晶常可觀察到雙晶(growth twinning)，鈉長石也經變形形成壓影區 (圖 3.11)。鉀長石多於壓影區 (pressure shadow) 和岩脈中出現，有少部分為殘留的鉀長石斑晶。黑雲母呈現細碎長形顆粒沿主葉理排列 (圖 3.11 a、c)，為主要定義葉理的礦物，而黑雲母也常在角閃石和鈉長石邊緣或鑲入。綠泥石也沿葉理排列，常出現在角閃石或黑雲母旁邊 (圖 3.15)，糜稜岩中分布最多，壓碎岩中則少。榍石可分為兩種，一種為顆粒狀分布在葉理、斜長石或角閃石中，常為橢圓或邊緣圓滑的顆粒(圖 3.11 j)，另一 47.

(63) 種則以長條狀出現在綠泥石中(圖 3.13)，並平行綠泥石的礦物節理。石榴子石只在 10CC02D 樣本中有觀察到，其顆粒直徑約 1.3 至 4.5 公釐，晶形完整晶體內無包裹物，但都被壓碎或有裂隙分布於其中且填充綠泥石(圖 3.11 e、i)，石英有重結晶的現象並排列於葉理。. 48.

(64) (a). (d). (b). (c). (e). (f). 續下頁 49.

(65) (g). (i). (h). (j). 圖 3.11 顯微薄片影像: (a) (c)角閃片麻岩石 (b)石榴子石角閃片麻岩。掃描式電子顯微影像: (f) (j)角閃片麻岩 (d) (g)壓碎岩 (e) (h) (i) 含石榴子石角閃片麻岩. 50.

(66) 3.3.1 TBSZ 從顯微薄片與掃描式電子顯微鏡影像中可觀察到葉理面 Sn-1 由黑雲母及左移的角閃石所定義 (圖 3.12)，黑雲母常長在角閃石旁或鑲入其中，由此礦物接觸關係可推知角閃石顆粒邊緣常被置換為黑雲母 (圖 3.12)，推測其化學關係為： Ca2Mg3FeAl3Si6O22(OH)2 + 3Mg2+ + 2Fe2+ + 3K+ + 3SiO2 + 6H2O Hbl → 3KMg2FeAlSi3O10(OH)2 + 2Ca2+ + 8H+. (式一). Bt 角閃石加上鐵或鎂離子與鉀離子產生黑雲母與鈣離子，電子顯微分析觀察到部分區域有鉀長石存在，因此鉀離子可能源於鉀長石，又以角閃片麻岩最多，但在含石榴子石之角閃片麻岩 (10CC02D) 中只有很少量的鉀長石殘留，顯示此反應的發生活躍而使鉀長石均被消耗完，角閃石也形成串腸構造 (圖 3.12)，斷裂的空隙被鉀長石和石英所填充；黑雲母與綠泥石分布於葉理 Sn 中，而黑雲母常被置換為綠泥石，其化學關係為：. 51.

(67) 5KMg2FeAlSi3O10(OH)2 + 26H+ Bt →Mg5Fe2 Al5Si8O20(OH)16 + 5K+ + 5Mg2+ + 3Fe2+ + 7SiO2 +10H2O Chl. (式二). 黑雲母失去鉀離子形成綠泥石，並伴隨有鉀離子與鈦離子，電子顯微分析觀察，於角閃石和黑雲母區域常有榍石 (Sphene； CaTiSiO5) 存在，可能鈦離子與角閃石形成黑雲母產生的鈣離子可生成榍石 (圖 3.15). 圖 3.12 角閃石之顯微薄片影像與 SEM 影像。 (a)10CC02D 水平面之偏光顯微薄片影像 (b)10CC02C XZ 面偏光顯微薄片影像 (c)10CC02C XZ 面 SEM 影像 (d) 10CC02C XZ 面 SEM 影像與其構造描繪圖。. 52.

(68) 圖 3.13 (a)10CC02C 與 (b)10CC02E 之 SEM 影像與 EDS 分析。綠泥石多出現在黑雲母旁或其中，下圖左為綠泥石 EDS 分析，下圖右為黑雲母 EDS 分析。. 3.3.2 糜稜岩帶糜稜岩帶中有角閃石含量高的區域，Sn-1 葉理即為變形之角閃石組成，帶有左移剪切方向，而黑雲母含量較少置換為綠泥石，顯示角閃石置換為黑雲母又再轉換為綠泥石，其化學關係如式一： Ca2Mg3FeAl3Si6O22(OH)2 + 3Mg2+ + 2Fe2+ + 3K+ + 3SiO2 + 6H2O Hbl → 3KMg2FeAlSi3O10(OH)2 + 2Ca2+ + 8H+. (式一). Bt 而從電子顯微影像與陰極光螢光影像(CL)分析發現有殘留的鉀長石 (圖 3.14)，推論鉀離子是由鉀長石所提供，Sn 葉理則主要為綠. 53.

(69) 泥石及少量黑雲母組成，綠泥石多形成於黑雲母與角閃石旁邊(圖 3.13)，或在黑雲母中，黑雲母被置換為綠泥石之化學關係為： 5KMg2FeAlSi3O10(OH)2 + 26H+ Bt →Mg5Fe2 Al5Si8O20(OH)16 + 5K+ + 5Mg2+ + 3Fe2+ + 7SiO2 +10H2O Chl. (式二). 黑雲母失去鉀離子形成綠泥石，並伴隨有鉀離子與鈦離子，而鈦離子與角閃石形成黑雲母產生的鈣離子可生成榍石(Sphene； CaTiSiO5) (圖 3.15)，鉀離子則提供後來低溫形成的鉀長石組成。. (a). (b) 圖 3.14. (c) (a) CL 顯微影像。藍色：低溫鉀長石脈，橘色：斜長石，黃橘色：鉀. 長石。 (b) SEM 影像。淺灰：鉀長石，深灰：斜長石，黑：石英。 (c) SEM 影像。. 54.

(70) 圖 3.15 (a)10CC03B 與 (b)10CC03A 之 SEM 影像。. Sn-1 葉理之礦物相為 Hbl+Bt+Ab+Gt，顯示其溫壓條件應在中至低度角閃岩相，而此期葉理之運動模式為逆衝；Sn-1 組成礦物為 Bt+Chl+Spn+Kfs，此礦物相代表之變質條件為綠色片岩相，Sn 的剪切方向為左移。Dn+1 為脆性變形形成斷層與壓碎岩帶，應發生在較低溫的條件，根據其變質條件之發展得溫度與壓力下降之路徑 (圖 3.16)，顯示了一平緩之溫壓路徑。. 表 3.3 構造事件、葉理礦物相、溫壓條件與剪切方向表. 事件 D. n-1. D. n. D. n+1. 組成. 溫壓條件. 運動模式. Sn-1: Hbl+Bt+Ab+Gt. 角閃岩相. 逆衝. Sn: Bt+Chl+Spn+Kfs. 綠色片岩相. 左移. 長石. 低溫. 55.

(71) 圖 3.16 變質條件之溫度對壓力圖與溫壓路徑。. 第4章章討論 4.1 構造發展綜合前人構造背景與本研究之結果 (表 4.1)，變形期 Dn-1 形成東北-西南走向傾向南之偃臥褶皺，此構造所對應的構造背景為泛非洲時期剛果地塊、西非地塊與東薩哈拉地塊之拼合，變質發生於角閃岩相，且從偃臥褶皺區域樣本之應變量 Rs 與顯微薄片比較所得其變質度均大於其他區域可獲得證實；Dn 形成東北-西南走向平行剪切帶之直立褶皺，此構造型態與大西洋張裂模式相符，也為剪切帶活動的時. 56.

(72) 期，從 Sn-1 葉理組成礦物推論溫壓條件為綠色片岩相，糜稜岩帶中只觀察到此 Dn 變形期，因強烈的變形作用使早期之構造皆被 Sn 變形而難以判斷；Dn+1 為接近地表之脆性變形事件。本研究光礦薄片觀察與光譜分析之指標礦物顯示變質條件在角閃岩相至綠色片岩相，非同剪切受加熱形成的高溫變質岩。. 表 4.1 變形期之構造、構造事件與溫壓條件統整表. 4.2 應變分析 Rf/φ 分析顯示石榴石角閃片麻岩之應變大，因其位於偃臥褶皺區域，經歷過早期較高度之變質；而糜稜岩之 XZ 面 Rs 亦明顯較角閃片麻岩與壓碎岩大，因糜稜岩均受過強烈之變形作用；分. 57.

(73) 析結果中角閃片麻岩之 XZ 面與 YZ 面差異小，而其 XZ 面 Rs 值也較其他樣本小，可能為 Rf/φ 分析對應變小之分析較不靈敏，相較之下，石榴石角閃片麻岩與糜稜岩 XZ 面 Rs 均大於 1.25 ，其 YZ 面之 Rs 都與 XZ 面 Rs 相差 0.12 以上，顯示 Rf/φ 分析法應較適用於應變大之樣本。另外以應變橢球得 X 軸與 Y 軸之位態，求出通過 X 軸與 Y 軸的 XY 面，即為重建之葉理面 (圖 4.1)，比對實際岩石標本上之葉理面是否吻合，以此驗證機制來判斷方法的準確性。其結果顯示大部分重建之葉理面皆為東北-西南走向且近垂直，與 Sn 葉理、岩石樣本相符，而 10CC02A 其岩石樣本之葉理面為南-北向，故其重建之葉理面與實際葉理面仍一致，只有 10CC03C 其岩石標本之葉理面為東北-西南向，而重建之葉理面卻為南-北向，此樣本為初糜稜岩(protomylonite)，雖然其 Rf/φ 計算結果於合理解釋範圍內且應變率大，但應變軸位態之重建則不如超糜稜岩 (ultramylonite) 10CC03B 理想，因初糜稜岩中雖然礦物呈明顯之橢圓顆粒，其顆粒間互相鑲嵌方向不如超糜稜岩中礦物顆粒皆被變形至葉理方向排列，因此應變三軸重建法於初糜稜岩中之誤差較大。. 58.

(74) 圖 4.1 應變分析結果重建之 XY 面赤平投影圖。. 4.3 主應力方向與板塊構造之意義主應力方向與板塊構造之意義本研究中 Dn-1 重建之應變橢球主應力方向為北北西-南南東，與泛非洲時期東撒哈拉地塊向南碰撞形成逆衝構造之背景符合，此最大應變軸顯示在東北-西南向之伸張。TBSZ 與糜稜岩帶皆為東北-西南走向傾向北 (圖 4.2)，由應變橢球所得之壓縮方向為北北西-南南東至西北-東南向，而最大應變軸於東北-西南向並傾向南，其應力綜合之結果導致 TBSZ 運動方向為平移伸張，此與大西洋張裂模式所得之應變形式相符 (Binks and Fairhead, 1992; Fairhead, 1988)，因南大西洋與赤道大西洋非同時張裂，導致 TBSZ 之左移走滑運動。. 59.

(75) 圖 4.2 應變橢球位置圖。. 60.

(76) 第5章章結論本研究以構造重建、應變分析、岩石學與顯微構造分析釐清 CASZ 地區的構造發展史至少經歷三期事件：Dn-1 形成東北-西南走向傾向南之偃臥褶皺，其為泛非洲時期地塊於西北喀麥隆地區之拼合所形成，而此變質事件發生於角閃岩相，與同剪切花崗岩形成之高溫變質岩不相符，因此鈾-鉛鋯石定年顯示的年代也非剪切帶的活動時間，而是早於剪切發生的年代；Dn 為此區域最顯著的變形期，形成東北西南走向傾向北的直立褶皺，為剪切帶發生的事件，剪切帶與大西洋張裂模式中之構造形式相符，而重建之應變橢圓顯示主應力方向在北北西-南南東至西北-東南向，剪切帶與應力之分布指出在 TBSZ 的應變模式為左移伸張，其溫壓條件為綠色片岩相；最後一期為 Dn+1 脆性變形事件發生於近地表處。. 61.

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