岩石的脆性-延性转变及塑性流动网络

实验变形研究表明.随着矿物组成.粒度、温度、围压、应变率、液体介质等因素的变化岩石由脆性,半脆性,向半延性.延性转变,其中包括力学行为.微观机制和宏观结构的变化,而决定岩石脆性-延性转变的基本因素在于所含的粘塑性成分及其粘滞性.半延性流动具有共轭网络状的结构特征;延性流动则包括网络状流动和均匀流动两种宏观结构;半延性-延性流动网络以其近似正交性和非牛顿流动特性分别与半脆性破裂网络和均匀延性流动相区别.基于上述研究,可将地壳、上地幔划分为脆性-半脆性的中上地壳,半延性-延性网络状流动的岩石圈下层(含下地壳和岩石圈地幔)和均匀延性流动的软流圈.地壳多震层内的大型地震带及网络是岩石圈下层塑性流动网络的一种响应.     

水对下地壳基性岩脆塑性转化影响的实验研究

研究表明 ,干的基性下地壳处于半脆性摩擦与半脆性流变的过渡状态 ,因此 ,文中采用多种基性岩样品进行了干的和含水基性岩的脆塑性转化实验 ,以深入理解大陆下地壳的力学性质。实验围压 4 5 0～ 5 0 0MPa ,应变速率 1× 1 0 - 4s- 1。实验结果表明 ,济南辉长岩 (样品C)、延庆辉绿岩 (样品D)和含水辉绿岩从 30 0℃到 90 0℃经历了脆性破裂、碎裂流动、半脆性流动和塑性流动几个变形域 ,而细粒攀枝花辉长岩 (样品A)和中细粒攀枝花辉长岩 (样品B)从 70 0℃到 90 0℃经历了半脆性流动和塑性流动 2个变形域。干的辉长岩样品比干的辉绿岩样品发生脆延性转化的温度高 1 0 0℃ ;所有干的基性岩样品的脆塑性转化都发生在 70 0℃ ,但半脆性流动域变形微观结构有差别 ,辉绿岩中斜长石和辉石发生了细粒化 ,并存在强烈的定向 ,形成初糜棱岩结构 ,辉长岩样品的细粒化和定向特征不明显。干的基性岩在以位错滑移为主的高温塑性流变域的强度和微观结构基本相同。水对基性岩脆塑性转化的影响体现在岩石的强度和脆延性与脆塑性的转化温度两方面。在实验温度范围内 ,含水辉绿岩样品的强度远小于干的辉绿岩和辉长     

若干固体材料脆-延性转变及宏观结构的实验研究

石灰岩、石蜡-松香-水泥粉混合物和环氧树脂等固体材料室温下的压缩变形实验表明,随着围压的加大和材料可塑性的增强,试件破坏形式由脆性转变为延性,在宏观结构上表现为从脆性单斜破裂、半脆性共轭破裂,到半延性和延性网状流动,以及延性均匀流动的转变.材料屈服后在应力-应变曲线上所出现的平缓段或应变硬化段对应着试件中的网络状或均匀塑性流动;随着应变的增大,当出现负坡或坡度减小现象时,则标志着试件内宏观破裂的贯通,在宏观破坏结构上往往表现为共轭流动网络与共轭破裂网络的重叠,前者网带近似正交,后者斜交.蠕变实验进一步表明,稳态蠕变幂次流动律的应力指数n 值的大小反映了试件不同的宏观流动结构:网络状流动,n 显著大于1,为非牛顿流;均匀流动,n 等于或近似于1,为牛顿流或近似牛顿流.     

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。     

龙门山断裂带脆塑性转化带内花岗岩的微量水分布特征及其在地震孕育中的作用

本文采集了映秀—北川断裂带南段出露的发生韧性变形的花岗岩样品,分析了脆塑性转化带内的岩石变形特征、变形温度和流动应力,并利用傅里叶红外吸收光谱仪(FITR)重点对石英和长石进行了测试.研究表明,龙门山断裂带深部发生过局部化塑性流动,以中、高温位错蠕变机制为主,重结晶细粒石英的粒度约15~100μm,估算得到的流动应力约15~80MPa.石英和长石内的微量水由晶体缺陷水、颗粒边界水和少量的包裹体水构成,两者的红外吸收光谱特点非常相似,主要吸收峰出现在波数3400cm~(-1)附近,次要吸收峰主要分布在波数3050cm~(-1)、3200cm~(-1)、3300cm~(-1)、3380cm~(-1)、3430cm~(-1)、3600cm~(-1)、3650cm~(-1)和3730cm~(-1)附近.花岗片麻岩内石英的水含量0.004~0.019wt%,长石的水含量0.013~0.043wt%;花岗初糜棱岩中石英的水含量0.004~0.018wt%,长石的水含量0.029~0.069wt%,愈合片麻岩中裂缝的早期石英脉中的细粒石英的水含量0.003~0.014wt%,发生半脆性-脆性变形的晚期石英脉的水含量0.016~0.032wt%.通过与前人的研究对比,认为龙门山地区韧性剪切带内微量水含量随变形程度增加而升高,弱化了脆塑性转化带内断层中心岩石流变强度,提高断层的应变速率,加强了脆塑性转化带向脆性域底部的闭锁断层的应变传递作用.对于难以滑动的高角度逆断层,这有利于强震在中地壳深度附近的孕育和发生.     

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.     

大陆岩石圈的流变性质

地质和地球物理资料表明在上、中、下地壳内各有力学上的软弱带(σ_1-σ_3<10MPa),这从实验测定的岩石稳态流动性质得到证实。软弱带出现的深度主要取决于岩石类型和大地构造区,估计在10～15km、20～28km、25～40km范围。此外,地壳中广泛分布的延性、半脆性断层带也说明轶弱带可以出现在地壳10km以下的任何地方。目前虽然还没有下地壳代表性岩石的实验资料,但是力学性质相近的岩石实验结果支持这种假设,即莫霍面是力学上的不连续面,其下部是强度更高的橄榄岩。这种不连续性程度与温度和应变速率有很大关系。     

三维黏弹性数值模拟华北盆地地震空间分布与构造应力积累关系

华北盆地为我国板内地震多发区域,历史以来相继发生多次破坏性大地震.前人地震勘探与震源定位结果揭示了华北地震的空间分布特征:横向上,华北地震基本发生在地壳的薄弱地带(Moho面上隆),或者地壳厚度的急剧变化带;纵向上,华北地震在地壳一定深度范围内呈现成层分布特征;主震一般在上地壳底部9~15 km深度范围,余震多发生在大约深5~25 km的上地壳与中地壳范围内,在中地壳下层与下地壳中仅有少量或者鲜见有余震发生.为研究解释华北盆地地震空间分布的以上特征,本文建立了华北盆地岩石圈三维黏弹性有限元模型.震源机制和GPS反映华北盆地处于NNE最大主压应力方向挤压,因此对模型边界施以恒定的位移速率边界条件;数值模拟华北岩石圈各层位在数百年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,分析了华北地震空间分布与构造应力积累速率的关系,探讨了地壳结构与地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响.计算结果表明,Moho面的隆起与地壳各层位岩石介质的黏滞系数是华北盆地地震孕育的重要因素.华北盆地在构造挤压的持续作用下,Moho面隆起处产生明显应力集中现象.该区域应力在长时期的积累过程中,在脆性的上地壳与中地壳上层,应力表现近于线性增长趋势,上地壳底部较其它深度有最大的应力增长率,其主震可以在应力积累至岩石破裂强度时发生;在脆、韧性转换的中地壳下层,应力增长速率次之,华北地震的大部分余震可能在该层位为主震所触发;而在柔性的下地壳应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,而鲜有地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象揭示了华北地壳的分层流变性质:脆性(上地壳)-较弱脆性(中地壳上层)-较弱韧性(中地壳下层)-较强韧性(下地壳)-韧性(岩石圈上地幔)的分层流变结构.     

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.     

花岗岩非稳态流变实验

脆塑性转化带对于研究岩石圈变形、断层强度和变形机制以及强震的孕育和发生具有重要意义。文中采用汶川地震震源区彭灌杂岩中具有代表性的细粒花岗岩样品,在固体压力介质三轴实验系统上开展了高温高压非稳态流变实验研究。实验设计模拟了汶川地震区地壳10~30km深度的实际温度和压力,温度为190~490℃,压力为250~750MPa,应变速率为5×10^-4s^-1,利用扫描电镜对实验样品进行微观结构观察。实验力学数据、微观结构及变形机制分析表明,在相当于地壳浅部10~15km深处的低温低压条件下,表现为应变强化,样品具有脆性破裂-半脆性流动的变形特征;在相当于地壳15~20km的深度条件下,随着应变量增加,应力趋于稳态,样品具有脆塑性转化特征;在相当于地壳20~30km的深度条件下,样品具有塑性流动特征。当样品处于半脆性域时发生非稳态流变,主要变形机制为碎裂作用,同时激活了动态重结晶作用、位错蠕变等塑性变形机制。样品强度随着深度不断增大,在深度为15~20km时达到极大值,深度为20~30km时强度逐渐减小。因此,花岗岩的强度随深度的变化规律与微观结构及变形机制均表明,在实验温度和压力条件下,花岗岩具有非稳态流变特征,在15~20km深处,龙门山断裂带处于脆塑性转化带,花岗岩强度达到最大值,该深度与汶川地震的成核深度一致,显示出彭灌杂岩的强度和变形对汶川地震的孕育和发生具有控制作用。     

地壳主要岩石流变参数及华北地壳流变性质研究

岩石流变参数和变形机制是根据断层摩擦和岩石幂次流动本构关系建立岩石圈强度剖面的基础。近 30年来 ,高温高压实验取得了很大进展 ,获得了大量地壳矿物和岩石流变资料。本文系统总结了这些流变实验资料 ,并应用流变数据结合地震震源深度分布 ,对华北地壳流变性质进行了研究。结果表明 ,以花岗岩和低级变质岩为代表的上地壳为脆性破裂 ,其强度受断层摩擦约束 ,以长英质片麻岩为主的中地壳和以中性麻粒岩为主的下地壳上层处于塑性流变状态 ,由干的基性麻粒岩组成的下地壳下层处于脆性向塑性流变的过渡状态。华北地壳的这种物质组成和流变为地壳不同层次的解耦和强震孕育提供了力学条件 ,也构成了不同尺度块体的底边界     

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.     

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…     

Deformation mechanism maps for polycrystalline galena

A deformation mechanism map, depicting the fields of stress and temperature in which modes of plastic flow are dominant (i.e. provide the fastest strain rate) has been calculated for polycrystalline, stoichiometric galena for each of two grain sizes; namely, 10 and 10³ μm. The deformation mechanisms considered were dislocation glide, dislocation creep (i.e. creep involving dislocation climb), Nabarro-Herring creep and Coble creep.During folding and related tectonic deformation in the earth's crust steady-state flow of galena may occur by either dislocation or diffusion creep at very low differential stresses (typically ranging from 100 bars down to 10^?2 bar, or less). The dislocation creep field will be enlarged at the expense of that for diffusion creep, however, if (a) the stress dependence of strain rate for dislocation creep decreases at low stresses and if the grain size is greater than 10 μm, or (b) diffusion creep rates decline at high strains due to the presence of second-phase particles in the grain boundaries. It is probable that dislocation glide will be the dominant deformation mechanism in galena only at low temperatures and fast strain rates and it is unlikely to be the dominant mechanism during folding. Kinking may have some potential as an indicator of these temperatures and strain rates.     

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.     

Transient creep and semibrittle behavior of crystalline rocks

We review transient creep and semibrittle behavior of crystalline solids. The results are expected to be pertinent to crystalline rocks undergoing deformation in the depth range 5 to 20 km, corresponding to depths of focus of many major earthquakes. Transient creep data for crystalline rocks at elevated temperatures are analyzed but are poorly understood because of lack of information on the deformation processes which, at low to moderate pressure, are likely to be semibrittle in nature. Activation energies for transient creep at high effective confining pressure are much higher than those found for atmospheric pressure tests in which thermally-activated microfracturing probably dominates the creep rate. Empirical transient creep equations are extrapolated at 200° to 600°C, stresses from 0.1 to 1.0 kbar, to times ranging from 3.17×10² to 3.17×10⁸ years. At the higher temperatures, appreciable transient creep strains may take place but the physical significance of the results is in question because the flow mechanisms have not been determined. The purpose of this paper is to stimulate careful research on this important topic.     

Magnetotelluric Studies at the San Andreas Fault Zone: Implications for the Role of Fluids

Fluids residing in interconnected porosity networks have a significant weakening effect on the rheology of rocks and can strongly influence deformation along fault zones. The magnetotelluric (MT) technique is sensitive to interconnected fluid networks and can image these zones on crustal and upper mantle scales. MT images have revealed several prominent electrical conductivity anomalies at the San Andreas Fault which have been attributed to the presence of saline fluids within such networks and which have been associated with tectonic processes. These models suggest that ongoing fluid release in the upper mantle and lower crust is closely related to the mechanical state of the crust. Where fluids are drained into the brittle crust, and where these fluids are kept at high pressures, fault creep is supported. Fluid fluxes from deeper levels, in combination with meteoric and crustal metamorphic fluid inflow, and in response to fault creep, leads to high-conductivity zones developing as fault zone conductors in the brittle portion of crust. In turn, the absence of crustal fluid pathways may be characteristic for mechanically locked segments of the fault. Here, MT models suggest that fluids are trapped at depth and kept at high pressures. We speculate that fluids may infiltrate neighboring rocks and in their wake induce non-volcanic tremor.