华北岩石圈三维流变结构的一种初步模型

利用华北地区(105~124°E, 30~42°N)的地震P波速度资料和大地热流资料建立了华北岩石圈的三维波速分布及温度分布. 考虑了摩擦滑动、脆性破裂及蠕变三 种主要的流变机制在岩石圈中的作用. 计算了华北岩石圈流变强度及粘度的三维分布. 结果表明, 岩石圈的流变强度和粘度有着明显的分层特征. 在应变率为 的情况下, 上地壳上部为脆性区, 下部有可能是以蠕变为主的延性区; 中地壳可以是以脆性破裂为主的脆性区, 也可以是上层以脆性破裂为主而大部分是以蠕变为主的延性区; 而下地壳几乎均是以蠕变为主的延性区; 壳下岩石圈上部是以脆性破裂为主或以蠕变为主的高强度区. 同时可以看出, 流变强度在水平方向上有很大的不同, 与大地构造有着明显的联系. 讨论了岩石圈波速结构, 温度分布对流变结构的影响, 并对改进岩石圈流变结构的研究提出了建议.     

岩石圈流变机制的确定及影响岩石圈流变强度的因素

讨论了确定岩石圈流变强度中存在的问题，根据Byerlee定律，给出了在Anderson断层系统下三种断层的摩擦滑动强度公式，利用小标本实验结果外推，用大标本实验结果作约束，得到岩石圈几种典型岩石的脆性破裂规律，利用上述结果和传统的方法，分别得到了鄂尔多斯和山西裂谷两个典型地区的流变强度随深度的变化。结果表明，以往的计算对岩石圈流变强度的估计过高，对脆性形变区估计不足，流变机制估计不对；岩石圈有力学分层的特性，但各地分层的深度范围不同，使得成层和力学作用变得复杂，讨论了水、应变率以及多相矿物对流变强度的影响。     

中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构

依据地震波速得到的上地幔温度和气象台站记录的地表温度为约束,结合地表热流和热导率观测数据,利用有限元方法计算了中国大陆及邻区岩石圈三维热结构.基于此温度结果和GPS观测得到的应变率数据,以滑动摩擦、脆性破裂和蠕变三种强度机制为约束,计算得到了中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构.结果显示:弱强度和低等效黏滞性系数的下地壳在中国大陆及邻区普遍存在,并且下地壳的流变强度和等效黏滞性系数比上地壳和岩石圈地幔一般要低1~2个数量级;中国大陆范围内青藏高原存在着厚度最大、强度最低的下地壳;青藏高原的岩石圈强度和等效黏滞性系数比华北、华南和印度板块的都要低;岩石圈流变结构的横向分布特征与重力梯度带和地形过渡带比较一致.     

岩石的脆-延转换——最新实验和理论进展

从脆性破裂到塑性流动的破坏模式转换,对了解震源机制、地壳强度及野外尺度上的变形方式具有重要的意义.最近在高质量力学数据采集、微观变形结构的系统观察和压缩条件下岩石破坏的理论模拟研究方面的进展,使我们能进一步认识脆-延转换的物理和力学机制.通过测量强度的温压敏感性和对破坏模式的观察,可识别一些岩石脆-延转换的力学特性.然而,在高温高压下,对硅质岩石的半脆性流动或不同的孔隙流体、应变率及颗粒粒径对强度和流变的影响等方面比较全面的研究,还几乎没有.从脆性破裂到半脆性流动、从半脆性流动到全塑性流动,它们的转换强度和压力呈明显的线性关系.但这种关系的物理基础还没有很好地建立起来.微观结构的定性观察结果提供了有关各种变形机制的运行条件、应变分区的估计和裂纹成核机制的确定等方面的信息.最近对微观结构的定量研究,对半脆性域变形的微观机制起到了重要的约束作用.但在认识上仍存在很大的差距.     

先存组构对各向异性岩石流变强度的影响

地壳深部岩石普遍存在变形组构,花岗质岩石中的变形组构不仅影响岩石强度,而且对后期变形具有显著控制作用。近年来,先存组构对各向异性岩石的流变强度影响成为高温高压实验研究的热点之一。文中对前人给出的各向异性岩石(包括云母片岩-片麻岩、石英-钙长石均匀混合体与层状组构样品)半脆性-塑性流变实验数据进行了重新整理与分析,结合作者开展的不同组构条件下花岗片麻岩与糜棱岩流变实验结果,讨论了先存组构对各向异性岩石流变强度的影响。实验数据表明:1)各向异性岩石的面理与最大主应力方向的角度是影响强度的主要因素。在半脆性破裂域,样品压缩方向垂直于面理(PER)和平行于面理(PAR)的强度基本相同,在压缩方向与面理呈30°夹角时,岩石破裂强度最小;在塑性流变域,垂直于面理方向的强度显著高于平行于面理方向的强度,当面理与最大主应力方向的角度为45°时,岩石强度最小。2)后期变形对原有组构的继承与改造程度,决定了各向异性岩石强度高低。3)样品中矿物的含量、分布与粒度对各向异性岩石强度有显著影响。理论模型预测结果与云母片岩实验结果比较吻合,但其他类型各向异性岩石的流变比理论模型结果要复杂得多。因此,进一步开展具有先存组构的各向异性岩石的流变实验,并将实验变形与实际地质条件下更为复杂的岩石变形进行对比分析,是认识各向异性岩石流变和变形机制最有效的方法。     

考虑强度-应变率依赖性的岩石弹塑性动力模型

本文基于现有的岩石的弹塑性模型。作适当的简化，并引入了岩石强度对于应变率的依赖关系。建议了一种考虑强度对于应变率的依赖关系的岩石弹塑性动力模型。这一模型能充分利用现有配套的实验数据，并考虑了强度对于应变率的依赖性这一岩石的主要动力特性，能更真实地反映岩石的动力行为。     

岩石加速破裂行为的物理自相似律

掌握岩石变形破坏过程中体积膨胀点至峰值强度点之间加速破裂行为的演化规律,是实现地质灾害物理预测的关键.本文考虑裂纹张开和闭合两种情况,基于断裂力学建立了三轴应力作用下裂纹扩展临界尺度与等效应力的关系.对微元体破坏概率,分别采用以等效应力表达的Weibull分布函数和裂纹尺度分形函数,通过对比导出了形状参数m与裂纹分布分维D_f关系的表达式.一个有趣的发现是,岩石峰值强度点与体积膨胀点应变比仅与m或D_f有关.对岩石蠕变或准蠕变破坏,合理的m值范围为[1.0,4.0],在此范围内应变比近似为常数1.48,该常数是描述不同尺度岩石加速破裂规律的物理自相似常数.实例分析表明,基于岩石加速破裂规律构建的多锁固段脆性破裂理论,其适用性广,尤其在崩滑和大地震预测领域,具有良好应用前景.此外,本文给出了b值与m值定量关系,以解释b值的物理意义,并探讨将其用于地震预测的可行性.     

断层脆塑性转化带的强度与变形机制及其流体和应变速率的影响

野外、实验和地震数据表明:浅部地壳的变形以脆性破裂为主,深部地壳的变形以晶体塑性流动为主.在这种认识的基础上,提出了地壳变形的2种机制模型,即发生脆性变形的上部地壳强度基于Byerlee摩擦定律以及发生塑性变形的下部地壳强度基于幂次蠕变定律.而位于其间的脆塑性转化带的深度与浅源地震深度的下限具有很好的一致性.然而,二元结构的流变模型局限性在于其力学模型过于简单,往往过高估计了脆塑性转化带的强度.问题的根源在于对脆塑性转化带的变形机制的研究已有很多,但没有定量的力学方程来描述脆塑性转化带强度;而且以往对断层脆塑性转化带的研究主要集中在温度引起的脆塑性转化方面,对因应变速率和流体对脆塑性转化的影响方面的研究也比较薄弱.对断层带内矿物变形机制研究表明,某些断层带脆塑性转化发生在相同深度(温度和压力)内,发生脆塑性转化的原因是应变速率的变化,而这种变化被认为与地震周期的同震、震后-间震期蠕变有关,这种变化得到了主震-余震深度分布变化的证实.对断层流体特征分析表明,断层带内可能存在高压流体,这种高压流体会随断裂带的破裂及愈合而周期性变化,在地震孕育及循环中起着关键性作用.高压流体的形成(裂隙愈合)有多种机理,其中,压溶是断层带裂隙愈合的主导机制之一.研究在水作用下的压溶,可以对传统的摩擦-流变二元地壳强度结构及其断层强度进行补充与修正.通过以上分析,认为有必要通过野外变形样品和高温高压实验,深入研究应变速率及流体压力对断层脆塑性转化的影响,同时,通过实验建立压溶蠕变的方程,近似地估计脆塑性转化带的强度.     

长英质岩石的流变学特征及其影响因素

在总结岩石变形机制与岩石流变学实验进展的基础上,讨论了岩石流变学数据的重复性。虽然高温高压流变学实验积累了大量的数据,但中、上地壳长英质岩石和早期获得的石英集合体的流变实验数据重复性比较差,而近年来发表的石英、长石的流变学实验数据重复性相对较好。虽然利用经验理论模型,根据端元组分可以拟合两相矿物集合体的流变律,但并不能满足定量确定复杂组分和特殊流变性的长英质岩石流变参数的需要。因此,利用长英质岩石流变参数估计大陆地壳流变强度剖面时,即使在相同地温和应变速率条件下,给出的流变曲线、脆-塑性转化带深度也有一定差别,还需要通过大量实验给出更精细的长英质岩石流变学实验数据。根据近年来流变学实验研究的新进展,讨论了在实验室条件下影响长英质岩石流变的各种因素,重点分析了流体、岩石成分、样品粒度和组构对流变的影响。微量结构水对岩石流变有显著的弱化作用,而熔体对流变的影响与熔体含量和分布相关,只有熔体呈薄膜状湿润颗粒边界时,熔体的弱化作用才显著。成分对岩石流变的影响不仅体现在样品的应力指数等流变参数的变化方面,还体现在样品从半脆性变形向塑性变形的转化温度方面。粒度主要影响岩石的变形机制,其中,细粒样品在扩散蠕变域具有应力与粒度线性负相关特性,是理想的应力计,可以用来定量确定韧性剪切带的流变强度;而在位错蠕变域,应力与粒度没有依存关系,这为将实验室条件得出的流变数据外推估计地壳流变提供了重要依据。组构和各向异性是地壳中岩石存在的普遍现象,但关于层状组构对多相矿物组成的岩石流变影响的研究非常少,需要通过新的实验来深入研究。     

非常规油气储层脆性评价方法研究进展

岩石脆性评价方法对于非常规油气资源的勘探开发至关重要,其通过计算岩石脆性指数来量化岩石脆性进而用于表征岩石可压裂性,最终服务于非常规油气资源的工业化生产.尽管脆性指标如此重要,由于其物理内涵的特殊性及复杂性,至今业界对岩石脆性没有统一的定义,因此没有统一的岩石脆性评价方法.研究人员出于各自不同的考虑提出了众多岩石脆性评价方法,例如通过确定岩石中脆性矿物及塑性矿物提出的矿物组分法、利用室内岩石力学实验应力-应变曲线中获得的弹性参数及其他特征参数提出的弹性参数法、全应力-应变曲线特征参数法以及利用硬度或强度测试得到的硬度、强度参数提出的硬度法、强度法等.随着近年来的研究深入,许多基于传统方法、原理或不同于传统方法的新型计算方法也得到了更为长足的发展,研究人员对于岩石脆性的定义有了更加深刻的理解.本文对岩石脆性评价常用的方法进行了分析,对计算方法的原理、优越性及局限性等方面进行讨论,并对岩石脆性评价方法的发展趋势进行了展望.     

A preliminary model for 3-D rheological structure of the lithosphere in North China

3-D rheological structure is mainly the spatial distribution of lithospheric strength or viscos-ity, its strength and viscosity are indispensable parameters in quantitative study of the lithosphere deformation. Plate tectonics theory initially divided the…     

Flow and fracture maps for basaltic rock deformation at high temperatures

Understanding how the strength of basaltic rock varies with the extrinsic conditions of stress state, pressure and temperature, and the intrinsic rock physical properties is fundamental to understanding the dynamics of volcanic systems. In particular it is essential to understand how rock strength at high temperatures is limited by fracture. We have collated and analysed laboratory data for basaltic rocks from over 500 rock deformation experiments and plotted these on principal stress failure maps. We have fitted an empirical flow law (Norton’s law) and a theoretical fracture criterion to these data. The principal stress failure map is a graphical representation of ductile and brittle experimental data together with flow and fracture envelopes under varying strain rate, temperature and pressure. We have used these maps to re-interpret the ductile–brittle transition in basaltic rocks at high temperatures and show, conceptually, how these failure maps can be applied to volcanic systems, using lava flows as an example.     

On the state of stress in the near-surface of the earth's crust

Five models for near-surface crustal stresses induced by gravity and horizontal deformation and the influence of rock property contrasts, rock strength, and stress relaxation on these stresses are presented. Three of the models—the lateral constraint model, the model for crustal stresses caused by horizontal deformation, and the model for the effects of anisotropy—are linearly elastic. The other two models assume that crustal rocks are brittle or viscoelastic in order to account for the effects of rock strength and time on near-surface stresses. It is shown that the lateral constraint model is simply a special case of the combined gravity-and deformation-induced stress field when horizontal strains vanish and that the inclusion of the effect of rock anisotropy in the solution for crustal stresses caused by gravity and horizontal deformation broadens the range for predicted stresses. It is also shown that when stress levels in the crust reach the limits of brittle rock strength, these stresses become independent of strain rates and that stress relaxation in ductile crustal rocks subject to constant horizontal strain rates causes horizontal stresses to become independent of time in the long term.     

地壳岩石变形行为的转变及其温压条件

岩石脆延性转化 (brittle ductiletransition)和脆塑性转化 (brittle plastictransition)是不同的概念。脆延性转化指从岩石的局部变形破坏到宏观均匀流动变形的转化 ,它与宏观结构和力学行为的变化相关。脆塑性转化指脆性向晶体塑性变形的转化 ,它与力学行为和微观机制的变化相关。通过地壳中最主要的石英、长石的实验室和野外变形温压条件对比发现 ,达到相同的变形特征 ,在实验室和野外所需温压条件不同。建立变形机制图使解决这一矛盾成为可能。但受实验资料的限制 ,目前几种主要岩石的变形机制图还无法建立。因此 ,通过对实验与自然环境下变形特征及微观机制对比 ,找出两者温压条件的差别 ,就成为将实验研究结果外推解决实际地质问题的有效途径     

Thermally induced brittle deformation in oceanic lithosphere and the spacing of fracture zones

Brittle deformation of oceanic lithosphere due to thermal stress is explored with a numerical model, with an emphasis on the spacing of fracture zones. Brittle deformation is represented by localized plastic strain within a material having an elasto-visco-plastic rheology with strain softening. We show that crustal thickness, creep strength, and the rule governing plastic flow control the formation of cracks. The spacing of primary crack decreases with crustal thickness as long as it is smaller than a threshold value. Creep strength shifts the threshold such that crust with strong creep strength develops primary cracks regardless of crustal thicknesses, while only a thin crust can have primary cracks if its creep strength is low. For a thin crust, the spacing of primary cracks is inversely proportional to the creep strength, suggesting that creep strength might independently contribute to the degree of brittle deformation. Through finite versus zero dilatation in plastic strain, associated and non-associated flow rule results in nearly vertical and V-shaped cracks, respectively. Changes in the tectonic environment of a ridge system can be reflected in variation in crustal thickness, and thus related to brittle deformation. The fracture zone-free Reykjanes ridge is known to have a uniformly thick crust. The Australian-Antarctic Discordance has multiple fracture zones and thin crust. These syntheses are consistent with enhanced brittle deformation of oceanic lithosphere when the crust is thin and vice versa.     

Thermal-rheological structure of the lithosphere beneath Jiyang Depression: Its implications for geodynamics

Thermal regime of the lithosphere is the scenario of the lithospheric thermal evolution, and the thermo-mechanical state of lithosphere definitively controls its deformation style and mechanism. Better understanding of the lithospheric deep thermal-rheo- logical structure of sedimentary basin will shed light on the formation and evolution dynamic process of the basin. Surface tectonics is the response of the deep structure, and is controlled by the lithospheric ther-mal-rheological properties.…     

大陆岩石圈流变结构研究进展及存在问题

自20世纪60年代以来，大陆岩石圈流变学取得了较大的进展，理论和应用研究不断深入.理论上，人们不仅认识到在构造运动中岩石圈介质是流变体而非简单的刚体性和弹性体；并利用矿物和岩石的实验结果提出了岩石圈流变分层的概念，建立了一维流变模型；进而用流变的观点解释了一些具体构造现象，而且开始了三维流变结构的研究，提出了岩石圈流变结构的横向分块纵向分层的观点.应用上，人们已从把流变强度曲线简单地运用于运动学或动力学模型的阶段，进入了在三维空间中定量研究地球动力学问题的阶段.随着岩石圈流变学研究的深入及大陆岩石圈的复杂性，新的问题也不断涌现.