实验变形岩石低温破裂作用的微观机制

通过对温度和压力分别达３００℃和３ＧＰａ干条件下实验变形的一系列花岗岩样品的系统光学和扫描电镜显微构造分析,识别出了几种具有不同特点及不同变形机制的显微破裂型式：ａ．微破碎带;ｂ．微透镜带;ｃ．短程破裂;ｄ．扭折带破裂;ｅ．粒内破裂;ｆ．颗粒边界破裂。评价了它们与高压型和低压型破裂的显微构造对应性,认为前述ａ和ｆ是低压破裂的特征性构造型式,ｂ,ｃ和ｄ在高压破裂中最为典型,而ｅ则可以出现在两种破裂型式中。研究了破裂作用的微观机制,包括破裂的成核、扩展、生长和连接。破裂作用、由破裂诱发的脆性破裂和碎…     

上部地壳岩石流动与显微构造演化--天然与实验岩石变形证据

岩石流动性和变形显微构造的发育直接受温度、压力、应变速率和流体相等制约 ,致使在不同地壳层次岩石的流动性表现出很大的差异。对上部地壳环境条件下天然和实验变形岩石的显微构造分析揭示出一系列具有不同特点以及由不同的成核、扩展和联合方式形成的破裂与微破裂型式的存在。讨论了在上部地壳环境中 ,温度与围压的变化对岩石破裂的影响 ,并阐述了高压破裂与低压破裂及其力学、流变学和显微构造特点 ,提出高压破裂对应于天然变形环境下出现的剪切 (挤压 )破裂 ,而碎裂岩带是典型的天然低压破裂 ,其低压环境的出现可以是浅部低围压或深部高流体压力所致。流体相的存在不仅可以引起石英 ,也可以引起方解石类碳酸盐岩矿物的水解弱化 ,并进而导致岩石流动机制的转变。岩石变形及流体等因素所致的岩石粒度变化 ,则从另一个方面影响着上部地壳岩石流动性的变化。从变形环境考虑 ,随着深度的加大 ,温度和压力升高 ,导致岩石由脆性向韧性转变 ;转变域内岩石的变形是一个复杂过程 ,是多种不同脆性和晶质塑性机制的综合。     

含流体相条件下白云岩的低温流动变形--破裂与溶解-结晶的耦合过程

应用光学显微分析、阴极发光显微分析和TEM亚微分析．对于取自阿尔卑斯逆冲断层系底部的变形白云岩开展了详细的显微构造与岩石流动机制分析．光学显微构造和阴极发光分析表明岩石具有典型的类碎裂结构．微角砾常常是白云石颗粒的集合体组成,常常呈浑圆的形态和不规则的边界。基质颗粒中以新生结晶颗粒集合体为主．部分具有溶蚀特点的残余微角砾．而且它们经常具有新生结晶边。对于碎裂岩中变形残斑的透射电镜分析揭示出岩石的脆性特点．主要表现为各种不规则和缠结位错亚微构造特点的出现．而变形基质颗粒却很少具有或仅有微弱发育的位错亚结构。阴极发光显微结构分析进一步证实基质颗粒与微角砾之间在微量元素成分及形成时代上的差异。提出破裂(碎裂)及随后发生的溶解-迁移-结晶过程是断层带岩石细粒化与岩石应变的重要机制．认为破裂与溶解-结晶的耦合以及由此所致的岩石弱化为阿尔卑斯逆冲断层带巨大位移的形成做出了重要的贡献。     

胶东新城金矿床控矿构造变形环境：显微构造和EBSD组构约束

新城金矿床是典型的"焦家式"破碎带蚀变岩型金矿,矿体形态和规模都严格受到断裂破碎带控制,是探讨复杂构造-流体耦合成矿系统控矿构造变形环境研究的理想选区。断裂破碎带中构造岩既是构造变形行为的载体,也是相应变形环境的受体。论文在新城金矿详细露头构造解析的基础上,系统采集该矿床控矿断裂破碎带定向构造岩样品,进行显微构造和EBSD组构分析。研究区构造岩显微构造特征主要表现为韧性变形和脆性变形。韧性变形有波状消光、带状消光、亚晶粒、动态重结晶、核幔构造、丝带构造、碎(残)斑系、扭折带、变形纹、机械双晶、蠕英结构、云母鱼等;脆性变形有书斜构造和显微裂隙等。长石(残)斑系、扭折带、变形纹、蠕英结构和石英颗粒边界迁移动态重结晶、丝带构造等矿物变形特征表明断裂带成矿前以高温韧性变形为主;石英波状消光、亚晶粒、亚颗粒旋转和膨凸动态重结晶、方解石机械双晶、长石显微裂隙充填物等矿物变形反映成矿期兼有中低温韧性变形和脆性变形;压剪性穿晶裂隙则反映出成矿后主要是低温脆性变形。根据差应力、应变测量和EBSD组构分析,将新城金矿床控矿构造变形环境可以分为3个构造期:成矿前在NW-SE向挤压作用下发生韧-脆性左行剪切变形,600~700℃,差应力61.37~111.09MPa,应变测量轴比a/c为2.295~3.978,动态重结晶石英颗粒边界分维值为1.466~1.599,反映矿区为高温中高压高应变带变形环境,应变速率较大;成矿期为NW-SE向逐渐NEE-SWW向转变的挤压作用,发生压剪性脆性变形,200~500℃,差应力65.91~135.68MPa,应变测量轴比a/c为1.403~2.204,动态重结晶石英颗粒边界分维值为1.321~1.378,反映矿区成矿期为中低温中高压低应变带变形环境,反应速率较小;成矿后在NWW-SEE向挤压作用下发生压剪变形,150~300℃,反映低温低压脆性变形环境。     

天然变形方解石质岩石的低温塑性

对四套具不同特点的方解石质原岩断层构造岩应用光学显微镜、透射电子显微镜和阴极发光显微镜开展了系统研究。它们都表现出相似的变形显微构造特点与变形作用,宏观碎裂结构与微观糜棱状结构。碎屑颗粒或者变形的原岩颗粒具有发育的晶内变形显微构造(变形双晶、扭折和微破裂等),基质颗粒为弥散的极细粒物质。透射电镜下的微构造表现为反映脆性变形与晶质塑性变形共存的位错     

扫描电子显微镜对花岗岩中主要矿物裂隙作用的研究(英文)

微裂隙对于岩石的物理性质有重要影响.通过光学显微镜对显微裂隙进行的观察,难以将薄片的制作过程中产生的裂隙同自然裂隙区分;其次,观测的裂隙大小限制在0.1mm或以上数量级,一些重要细节观察不到.扫描电镜的高放大倍数和三维分辨率使其成为适合于裂隙研究的理想工具.利用扫描电镜观测了浙江花岗岩在室温下由51.6MPa压力产生的裂隙的发育过程.观察花岗岩的表面以研究其微裂隙和矿物的解理、晶形及破裂作用.微裂隙分为3种类型:晶体内裂隙(完全发育在颗粒内部),晶体间裂隙(穿过颗粒边界进入其他颗粒中),颗粒边界裂隙(沿颗粒边界发育或与边界重合).本研究中的花岗岩为中—粗粒(1～6mm),经过蚀变,约含40%斜长石,25%钾长石,25%石英,10%镁铁矿物(主要为黑云母和白云母).(1)石英裂隙表面的石英颗粒具有边界破裂和贯穿颗粒破裂.贯穿石英颗粒的破裂常呈贝壳状断口.变形集中带与滑动面相伴,其上发育有擦痕和沟槽,这是石英典型的脆性破裂类型.石英矿物的贝壳状破裂产状指示其变形作用早期的碎裂作用,在变形作用中发生交代作用.一些平滑的破裂面上没有石英颗粒的微裂隙构造,但在石英表面却有明显的擦痕面,可指示应力的方向.由于石英的各向异性,这些面也是由贯穿颗粒破裂所形成.一些开放的裂隙集中于石英晶体之中或沿     

断裂在纯净砂岩中的变形机制及断裂带内部结构

以纯净砂岩为对象,考虑了影响断裂变形的主要因素,包括成岩阶段、孔隙度、温度和围压,系统剖析了不同性质砂岩的断裂变形机制、微构造特征及形成断裂带的内部结构,对研究砂岩内断裂封闭性具有重要的指导意义。研究表明：纯净的砂岩在未固结-半固结成岩阶段发生断裂,变形机制为颗粒边界摩擦滑动,导致颗粒旋转和滚动,即为颗粒流,形成的微构造为解聚带,孔渗性同母岩比没有明显降低,断裂带尽管具有断层核和破碎带二分结构,但渗透率比母岩高,为流体垂向运移的通道;在固结成岩阶段（孔隙度大于15%）发生断裂,变形机制为碎裂作用,颗粒边界摩擦滑动导致颗粒旋转,即为碎裂流,形成的微构造为碎裂带,渗透率同母岩比一般降低1～3个数量级,形成侧向有一定封闭能力、垂向渗透的断裂带;固结阶段（孔隙度小于15%）发生断裂,开始由于破裂作用,形成断层角砾岩,伴随着碎裂流发生,形成碎裂岩,因此早期形成高渗透断裂带,后期断层逐渐封闭。固结成岩的砂岩在抬升过程发生断裂,变形机制为破裂作用,形成无内聚力的角砾岩,为高渗透断裂带。在不同成岩阶段发生变形,形成多类型变形构造的叠加,对于一条晚期形成的断层而言,由于不同深度变形机制及微构造类型不同,导致油气选择性充注,碎裂带和压溶胶结碎裂带阻止油气向高孔隙度砂岩中充注,解聚带会成为油气运移的通道,裂缝有利于油气优先充注。因此,高孔隙性砂岩中孔隙度较低的储集层由于碎裂带不发育常常含油气性最好,而低孔隙性砂岩由于裂缝产生含油气性较好。     

鄂尔多斯盆地东缘边界带构造样式及其区域构造意义

鄂尔多斯盆地东缘是一条燕山运动期形成的、复杂的构造——地貌边界带,由离石断裂和晋陕挠褶带组成。基于野外观察和构造测量资料,本文论述了该边界带分段特征及断裂构造样式,利用断层滑动矢量资料反演古构造应力方向,建立了侏罗纪—白垩纪构造应力场演化序列。结果表明,该边界带发育3类断裂构造样式:反冲断裂、上盘断坡褶皱和盖层滑脱。根据地表构造样式推断,该边界带构造组成了山西断隆深部由东向西扩展的断坪—断坡式拆离系统的前缘反冲构造或上盘断坡。沿边界带发育挤压破碎带和构造透镜体。断层运动学分析结果展示了多向挤压应力作用,挤压应力方向为W—E、NW—SE和NE—SW向。该边界带的分段构造样式和应力作用方向记录了晚侏罗世燕山运动时期华北地区陆内挤压变形特征,为研究燕山运动时期古太平洋板块向东亚大陆俯冲产生的远程效应和华北陆内构造变形动力学提供重要的构造地质学依据。     

黄土地区活动断层的显微构造和显微沉积学探测

以发育在黄土地层的陕西省西安市临潼—长安断裂为对象,采用显微构造和显微沉积学分析的方法,从微观的角度探讨黄土地层中的活动断层。观测了该断裂上的7个露头剖面和一条探槽剖面,采集样品42件。在室内对所采集的样品进行了显微构造、超微构造和能谱测定(扫描电镜)以及显微沉积学分析。研究结果表明,野外宏观观测难以辨认的断层迹象,在断层带样品的切片(大薄片)上肉眼即可清楚辨别。显微构造观测发现,断层在微观上可以表现为错动面、较宽的断层带、断层破碎带、变形条带、泥质条带和愈合的张裂隙等。扫描电镜观测和能谱测定显示,断层破碎带或泥质条带与其外围地层具有不同的超微结构,而且成分有所变化,表明断层活动过程中有流体的参与,并导致某些元素的带出和带入。粒度分析结果发现,断层样品相对于外围样品,粒度>0.03mm的颗粒减少,<0.03mm的颗粒和粘土质增加,表明黄土地层的断层活动仍有碎裂作用发生。分形分析结果表明,黄土地层的碎屑颗粒分形特征呈弧形分布,但断层样品更趋于线性分布。此外,在其中一个剖面的样品中,发现了震击物(seismite)的一些微观标志,如球状体构造、负荷构造和流体通道构造等。所有研究结果表明,显微构造和显微沉积学分析是黄土地层中活动断层研究的有效手段。     

正断层中继构造扩展演化机制及对成矿构造研究的启示

正断层的分段构造型式及其扩展演化机制的核心内容可以归结为正断层的中继构造模式。本文从正断层的断块变形、断裂扩展以及断裂力学特征等角度,总结了正断层中继构造的扩展演化机制。正断层的断块变形是指分段断层位移转换形成的中继斜坡,可分为内倾和外倾两种斜坡类型,位移曲线揭示了中继带变形的特征。正断层的断裂扩展有多种扩展方式,可分为断层内、断层间和断层系扩展,且可以形成不同型式的中继构造。正断层中继构造是在三维空间扩展的,将断层边缘的断裂力学性质和断层面的放射状扩展方向相结合,可完整描述中继构造的空间分布规律。正断层形成于伸展构造环境,是控制油气和金属矿产资源的重要构造型式,结合SEDEX型矿床同生断层和岩体侵位控制的正断层控矿研究实例,初步讨论了正断层中继构造扩展演化在SEDEX型矿床和正断层相关控矿断裂成矿构造研究中的作用。     

超临界CO2岩石致裂机制分析

超临界CO2是一种介于气体和液体之间的特殊状态的CO2流体,具有低黏、高扩散性和零表面张力等独特的性质。利用超临界CO2作为压裂液,有助于裂缝的起裂和扩展,同时可避免储层伤害。通过研究超临界CO2射流破岩和压裂特性,分析得到了超临界CO2岩石致裂机制。研究结果表明,超临界CO2低黏等特性使其更容易进入岩石微孔和微缝之中,在岩石内部建立大小不一的流体压力系统,使岩石发生拉伸和剪切破坏;常规流体压裂起裂压力较高,裂缝一般为单条或多条平直裂缝,大多沿着同一方向贯穿强度较高的胶结颗粒,且裂缝断面光滑、平整;超临界CO2压裂起裂压力相比于常规流体压裂低,在岩石中形成的裂缝网络较为复杂,裂缝互相连通,一般沿着强度较低的胶结物开裂,较少贯穿胶结颗粒,裂缝断面较为粗糙。该研究结果可为超临界CO2压裂技术的实施提供理论支撑。     

单轴加载条件下页岩层理角度对水力压裂缝扩展规律影响研究

水力压裂作为一种改造储层渗透性、压裂增产的技术,对页岩气开采具有重要意义。为研究射孔附近水力压裂过程中页岩各向异性特征对破裂压力及裂缝扩展的影响规律,开展了单轴试验条件下不同层理角度的页岩水力压裂试验。研究表明:页岩的破裂压力存在明显的各向异性,破裂压力随层理角度的分布曲线呈U型分布,其中0°和90°破裂压力最大,30°最小;页岩的破裂形态主要有两种,一种为沿着最大主应力方向即竖直方向起裂并延伸,另一种模式为裂缝先沿着最大主应力方向起裂并延伸,延伸过程中直接穿过层理面,随后渐渐转向为沿层理面方向扩展;破裂机制则包括拉张破坏和拉张剪切混合破坏。研究结果对于深入了解页岩裂缝起裂和延伸机理、水力压裂施工设计等具有重要的意义。     

Brittle-plastic deformation in initially dry rocks at fluid-present conditions: transient behaviour of feldspar at mid-crustal levels

We present detailed microstructural and chemical analyses from an initially dry anorthositic rock deformed during wet amphibolite facies conditions. Three different domains representing the microstructural variation of the deformed samples are investigated in detail in terms of fracture morphology and mode, grain characteristics and chemistry of present phases. Results show transient deformational behaviour where a close interaction between brittle, plastic and fluid-assisted deformation mechanisms can be observed. Our analysis allows us to describe the succession, interrelationships and effects of active mechanisms with progressively increasing strain in three so-called stages. In Stage 1, initial fracturing along cleavage planes promoted fluid influx that caused fragmentation and chemical reactions, producing fine-grained mineral assemblages in the fractures. Deformation twins and dislocations developed in clast pieces due to stress relaxation. Passive rotation of conjugate fracture sets and interconnection of intracrystalline fractures formed micro-shear-zones, constituting Stage 2. Microstructures and grain relationships indicate the activity and fluctuation between fracturing, dissolution-precipitation creep, grain boundary sliding and locally dislocation creep, reflecting the transient behaviour of brittle and plastic deformation mechanisms. Further rotation and widening of fractures into overall foliation parallel shear-bands (Stage 3) promoted strain partitioning into these areas through increased fluid influx, influence of fluid-assisted grain boundary sliding, phase mixing and presence of weak phases such as white mica. We suggest that local differences in fluid availability, volume fraction of weak phases produced by fluid present metamorphic reactions coupled with volume increase and local variations in stress concentration induced transient brittle-plastic behaviour. The studied shear-zone represents an example of the transformation of a rigid dry rock to a soft wet rock during deformation through syntectonic fracturing.     

Deformation of biotite and muscovite: Optical microstructure

An optical comparison illustrates the difference in behaviour of the two mica minerals biotite and muscovite; their response to deformation, and to chemical processes such as grain dissolution. Non-passive mechanical rotation, segmentation of deformed grains by a recovery-recrystallization type process and syntectonic growth of the phyllosilicates all contribute to the development of a strong tectonic foliation within a deformed pegmatite from the Italian Alps. There are significant mechanical differences between the two micas. Biotite readily deforms by kinking whereas muscovite forms sinusoidal folds and seldom kinks. If kink-like structures (deformation zones) are present in muscovite they are generally accompanied by fracturing. Fracturing and displacements are obvious in most deformed muscovites both parallel to axial surfaces and between (001) cleavages. Fracturing is occasionally recognised in biotite. However, it is often obscured by extensive dissolution and new grain nucleation. Evidence for dissolution processes in biotite is more abundant than in muscovite.     

Importance of fracturing during retro-metamorphism of eclogites

Presented textural and petrological data show that the deep to intermediate continental crust may fracture and that microfractures are the locus of fluid and mass transfer necessary for retrograde metamorphism. Kyanite eclogites from Ulsteinvik, Norway, underwent partial retrogression to granulite and amphibolite facies assemblages during near-isothermal exhumation from depths equivalent to more than 2.0 GPa at temperatures of 700–800 °C. Plagioclase-bearing assemblages, rich in hydrous phases, formed along margins of eclogite lenses and along mesoscopic fracture systems. Hydrated zones are from 1–50 cm thick, with adjacent wall-rock eclogite replaced by symplectites. At a low degree of reaction, the secondary minerals in the wall-rock are found along intra- and intergranular microfractures (typically 50–100 μm wide). Minerals filling the microfractures include orthopyroxene–plagioclase–spinel in garnet; plagioclase–sapphirine, plagioclase–corundum and plagioclase–spinel in kyanite; and diopside–plagioclase in omphacite. The microfractures are often arranged en echelon and are connected through microfaults. Releasing bends filled with amphibole and spinel form along microfaults in garnet. The faulting and fracturing caused localized chemical change in garnet: the damage zones close to faults are enriched in FeO and MnO with steep compositional gradients (8 wt% FeO over <20 μm). These FeO- and MnO-enriched zones form wedge-like structures around the tip of the faults (horsetail structures) and rose- or flame-like structures at sticking points along faults. They may represent examples of stress-induced chemical transport during fracture propagation. The change from dry to amphibole-bearing assemblages at the tip of the fracture, and fractures ending in splays of fluid inclusions trails, reflect the involvement of a fluid phase during fracture propagation. This suggests that the ‘dry’ granulite facies retrogression was also driven by fluid infiltration and that metamorphism at depth in collision zones may not be controlled by pressure and temperature alone.     

华南富氟花岗岩高磷和低磷亚类型对比

根据全岩Ｐ２Ｏ５含量的多寡可将华南富氧花岗岩分为高磷亚类和低磷亚类,它们之间具较大的地球化学差异。高磷亚类以低硅、强过铝和低的ＲＥＥ总量为特征,而低磷亚类则相反。在长石、云母等矿物化学成分上这两亚类花岗岩也有所差异。高磷亚类花岗岩中磷以长石中结构磷和磷铝锂石形式存在,而低磷亚类花夺中的磷则主要存在于磷灰石等磷酸盐矿物中。     

煤层水力压裂应力与裂隙演化的细观规律

水力压裂作为煤层强化增透技术的一种,其应力演化特征及裂隙形态与扩展范围的判断尤为重要。采用离散元数值方法,以导向压裂为背景,建立水力压裂流固耦合模型;通过应力路径、裂纹热点图等手段,探究水力压裂过程中压裂排量、泊松比、天然裂隙密度对应力演化和裂隙演化的影响及其细观规律。结果表明:不同压裂排量下的应力演化方向及最终应力路径曲线形状有着明显的不同,低排量下裂隙附近的应力比值逐渐增大,而在高排量下先增大后减小;煤层泊松比越大,平均压裂半径越低,但对起裂时间及裂隙的扩展形态影响不明显;天然裂隙的发育情况对水力裂隙的扩展起着关键性作用,高裂隙发育煤层水力裂隙扩展的方向性无法预测,应力演化方向会出现反转现象;压裂过程中不同区域的应力演化特征能够反映出裂隙的扩展状态,现场可通过监测压裂区域附近应力变化,判断水力压裂缝网的扩展范围。      

大尺寸真三轴页岩水平井水力压裂物理模拟试验与裂缝延伸规律分析

采用真三轴物理模型试验机、水力压裂伺服系统、声发射定位系统以及压裂液中添加示踪剂等方式,在真三轴条件下对大尺寸页岩水平井进行了水力压裂物理模拟试验,通过裂缝的动态监测和压裂后剖切等分析了裂缝的扩展规律,并对页岩压裂缝网的形成机制进行了初步探讨。结果表明：（1）水力裂缝自割缝处起裂并扩展、压开或贯穿层理面,形成相对较复杂的裂缝形态;（2）裂缝中既有垂直于层理面的新生水力主裂缝,又有沿弱层理面扩展延伸的次级裂缝,形成了纵向和横向裂缝并存的裂缝网络;（3）水力裂缝在延伸过程中会发生转向而逐渐垂直最小主应力;（4）水力裂缝在扩展过程中遇到弱层理面时的止裂、分叉、穿过和转向现象是形成页岩储层复杂裂缝网络的主要原因,而弱结构面的大量存在是形成复杂裂缝的基础。其研究结果可为页岩气藏水平井分段压裂开采等提供有力技术支持。     

青海共和盆地干热岩地热储层水力压裂物理模拟和裂缝起裂与扩展形态研究

水力压裂是青海共和盆地干热岩地热资源开发的难点技术问题之一。本文基于升级改造的大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统模拟干热岩储层高温高压环境,利用青海共和盆地露头岩心进行水力压裂物理模拟实验,揭示干热岩储层水力裂缝的起裂和扩展规律。通过物理模拟实验发现：干热岩储层裂缝起裂可以通过文中提出的起裂模型判断起裂方式和预测起裂压力;水力裂缝在岩石基质中的扩展形态简单,仅沿最大主应力方向延伸;但是水力裂缝会受到岩石中弱面的影响,发生转向沿弱面延伸,形成较复杂的裂缝形态。因此,建议在干热岩储层实际施工中,在天然裂缝发育较丰富的层段开展水力压裂,以实现复杂裂缝网络提取地热能。