神秘的109.4°——共轭变形带的夹角

塑性力学的滑移线理论、Watterson零伸长度理论和最大有效力矩准则均获得共轭变形带的夹角为109.4°。该值与黄金规则相容,然而,滑移线理论的预测值面对伸长方向,与实际不符。零伸长度理论所预测的109.4°,不能解释实际观察到的平面共轭剪切带。根据最大有效力矩准则理论,预测韧性变形域共轭变形带面对主压应力方向或瞬时最小伸长度方向的夹角为109.4°。迄今获得的全部野外观测值和岩石力学实验结果均位于该预测值的±20°范围内,证明最大有效力矩准则的有效性。最大有效力矩准则可解释或求解:1)折劈理的形成,2)大型低角度正断层和高角度逆冲断层的形成,3)地震反射剖面中的鳄鱼嘴构造,4)变质结晶基底的基本构造型式——菱网状韧性剪切带,5)拆离褶皱的形成,6)古主应力和相关的运动学涡度。     

最大有效力矩准则的理论拓展

在分析"导致变形带内先存面理或层理发生转动的最大有效力矩与先存面理或层理方向有关"的基础上, 对最大有效力矩准则(M_eff=0.5(σ₁-σ₃) Lsin2αsinα)进行理论上的拓展, 提出了可以判定任意方向先存面理最大有效力矩的准则——泛最大有效力矩准则(M_G-eff=0.5(σ₁-σ₃)Lsin2αsin(α-θ)), 其中当先存面理与最大主压应力(σ₁)平行时, 则成为最大有效力矩准则。该准则的理论分析表明:①当先存面理与σ₁平行时, 在σ₁左右两侧±54.7°方向出现2个有效力矩的最大值, 形成共轭的变形带, 钝角(109.4°)对着σ₁方向; ②当先存面理与σ₁斜交时, 在σ₁的另一侧出现1个有效力矩的最大值, 从而只出现一个方向的变形带, 并随着先存面理偏离σ₁方向, 变形带与σ₁的夹角逐渐减小(从θ=0°时的54.7°, 减小到θ=90°时的35.3°), 而与先存面理之间的夹角逐渐增大(从θ=0°时的54.7°, 增加到θ=90°时的125.3°); ③当先存面理与σ₁垂直时, 在σ₁左右两侧± 35.3°方向出现2个有效力矩的最大值, 也形成共轭的变形带, 但锐角(70.6°)对着σ₁方向。在主应变平面上变形带与先存面理方向及变形带剪切方向(左旋或右旋)已知的情况下, 可以确定最大主压应力方向。泛最大有效力矩准则克服了最大有效力矩准则与滑移线理论不相容的问题, 可以解释大多膝褶带非共轭发育等多种现象, 预期在韧性变形域中具有广阔的应用前景。      

新世纪构造地质学两大支柱理论: 最大有效力矩准则与变位形分解

传统构造地质学用摩尔-库伦准则和贝克尔的应变椭球体理念分别解释地壳中的脆性断层和塑性变形,将变形局部化的韧性剪切带形成解释为平行应变椭球体的圆切面,却无法解释变形局部化的共轭剪切带稳定夹角~110°面对应缩短方向。变形局部化是独立于脆性和塑性变形外的变形领域,受最大有效力矩准则控制。20世纪末提出的变位形分解理念,摆脱连续介质力学的束缚,合理地说明广泛存在的走滑断层平行俯冲带或逆冲断层带。非均匀变形和非连续介质力学理念的建立,为地质学与力学的结合开辟了新的前景。文章试用上述两理念概略分析中国和邻区中新生代构造格局,以期引发讨论。      

不同构造层次岩石变形准则的融合与发展

岩石变形准则对于构造地质学、工程安全等方面均具有重要的理论价值与实践意义。经典的岩石脆性变形(破裂)准则包括屈特加准则(水平直线型包络线)、库伦准则(斜直线型和抛物线型包络线)、格里菲斯准则(抛物线型包络线)等。近年来最大有效力矩准则在野外韧性剪切带观测与理论计算中都得到了广泛应用,逐渐成为岩石韧性变形的重要准则。然而,这些变形准则在应用过程中还存在一些问题,如有些准则在理论上无法解释、彼此不相协调,最大有效力矩准则在摩尔图解中尚无对应的包络线,部分准则边界条件和应用范围不清等。本文针对这些问题,结合野外实际情况和理论分析,取得了如下认识:(1)水平直线型屈特加准则在地质过程中无法实现。(2)提出了最大有效力矩准则的包络线方程为τ=-0.35(σ_n-σ_d),在摩尔图解中为一条反倾斜直线型包络线;进而将脆性变形的格里菲斯准则和库伦准则与韧性变形的最大有效力矩准则统一表述于应力摩尔图解中,使各准则彼此协调和融合。(3)初步明确了各变形准则的适用条件及所对应的构造层次:张性应力存在的构造环境(包括地壳浅表层次、水力压裂等人为张性应力环境),格里菲斯准则比较合适,以张性破裂(θ=～0°)和张剪性破裂(θ=0°～30°)为主;上地壳在一般情况下(3个主应力均为挤压应力),斜直线型库伦准则更为合适,以锐夹角共轭剪破裂(θ=～30°)为主;随着深度的增加,在中地壳,抛物线型库伦准则较合适,以锐夹角脆韧性剪切变形带(θ=30°～45°)为主;进入下地壳及以下,最大有效力矩准则更合适,以钝夹角韧性剪切变形带(θ=～55°)为主。实际地质作用过程中影响岩石变形的因素更为复杂多样,应具体问题具体分析,不能简单地对号入座。     

最大有效力矩准则及其构造地质学意义

摩尔-库伦准则广泛用于解释断裂的形成。然而却不能说明自然界广泛存在的大变形。一新的变形理论——最大有效力矩准则(MEMC),其数学表达式为:Meff=0.5(σ1-σ3)Lsin2αsinα,式中σ1-σ3为相关岩石的屈服强度,L为单位长度,α是最大主压应力轴(σ1)与变形带间的夹角。该准则证明有效力矩的最大值出现在σ1轴两侧54.7°方向上,其大小在55°±10°区间内无显著变化、覆盖全部自然和实验数据。最大有效力矩准则的主要构造意义为:1可用以确定相关变形构造形成时的应力状态;2在涡度与应变速率保持恒定的条件下,确定相关韧性剪切带运动学涡度(…     

伸展褶劈理地质现象、成因机制及其地质意义

伸展褶劈理(C′)是韧性剪切带最主要的组构之一,也是认识剪切带演化过程的重要线索。从地质现象、成因机制以及构造地质意义3个方面对30多年来C′的研究进行综述。(1)C′以脆性破裂面或韧性剪切的形式、呈间隔性分布出现在具有各向异性结构特征的岩石中(如糜棱岩),并低角度切割S面理。一般仅出现一组近平行的C′,个别情况下,还出现多组或共轭组(简写为C″)。共轭伸展褶劈理关于S面理对称,S面理平分它们的锐夹角。C′的几何参数,包括C′的密度、C′之间的间隔以及C′分别与C面理和S面理之间的夹角,均表现出接近主滑移面时增大或减小的趋势。观察结果表明,C′形成于脆-韧性转换阶段,例如韧性剪切带演化后期阶段。(2)基于C′地质现象,结合假设条件,目前有多种关于C′的成因机制,大概分为4类:①C′为脆性破裂面,并在形成之后发生旋转;②C′发生于塑性变形阶段,对应具有特定含义的物理方向,例如塑性滑移线、特征向量或最大剪切应变速率;③C′是剪切带局部应变分解,即不稳定变形的结果;④C′初始角度具有优选方位的特点,理论推导得出,C′形成于最大有效力矩方向。(3)C′是韧性剪切带运动学研究的重要标志体,其几何特征被用于指示运动学方向和估算运动学涡度(即剪切变形中纯剪切与简单剪切的相对贡献)。一般认为,C′形成于脆-韧性或韧-脆性转换变形阶段,是应变局部化的表现,可能代表了地震成核的初始过程。在区域尺度,增厚地壳的中地壳层位在重力作用下出现低角度C′,向上扩展并发育为低角度拆离断层;低角度拆离断层(韧性剪切带)内部C′可扩展为切割韧性剪切带的高角度正断层。青藏高原内部共轭走滑断裂系与共轭C′具有相似的几何样式,其挤压方向(即欧亚大陆与印度大陆碰撞方向)正对共轭走滑系钝夹角。     

结构面力学性质的定量鉴定

变形带力学性质的鉴定是地质力学研究中的先行基础步骤.近来出现一些新的概念和方法,可用以定量表征变形带的力学性质.天然变形带通常是一般剪切作用的产物,是纯剪切(共轴缩短或伸展)和简单剪切的组合.为了定量说明两者间的相对贡献,提出了运动学涡度(W_k)这一物理量,并简单地定义为cos υ.υ是主变形面内两特征方向间的夹角.纯剪切的υ=90°,W_k=0;简单剪切的υ=0°,W_k=1.一般剪切的υ介于0°和90°之间,W_k为0到1.运动学涡度符号的正负分别代表变形带的减薄和增厚.υ可通过极摩尔圆法求出.主压应力(σ₁)方向与W_k的关系为W_k=sin2ξ.ξ是σ₁与变形带法线间的夹角.因此,可用以确定变形带的W_k和力学性质.根据最大有效力矩准则,韧性变形带与主压应力(σ₁)方向间的夹角为55°,可用以确定古应力轴的方向,并可能确定变形时差应力的大小.      

南秦岭造山带韧性剪切系中—晚侏罗世运动学分析与力学机制探讨

南秦岭构造带为商丹缝合线以南的秦岭造山带部分。构造分析与同构造年代学研究证实该构造带内发育2条中—晚侏罗世区域性共轭韧性剪切带,即ENE向宁陕左旋韧性剪切带和NW向安康右旋韧性剪切带,其剪切变形年龄分别为169~162 Ma和178~163 Ma。通过对2条韧性剪切带的线理测量分析,反演其最大主压应力的方位约为NE向,与2条共轭韧性剪切带的钝角平分线一致,符合最大有效力矩准则。据此确定中一晚侏罗世秦岭造山带主要受控于NE-SW向区域性构造挤压作用,大致以秦岭造山带最狭窄部位(汉南一米仓山杂岩体)为界,其内部地块受ENE向与NW向共轭韧性剪切系控制,存在分别向西与向东的构造挤出活动。这一运动学模式可能代表了秦岭造山带中—晚侏罗世的主体变形方式。     

内蒙古固阳西部地区太古宙变质杂岩中膝折带及其与金矿关系

内蒙古固阳西部地区“东五分子群”“花岗岩—绿岩地体”在晚太古宙—早元古宙阶段,发生了四期变形。膝折作用属于第四期变形。区内的膝折作用主要发育在叶理化的岩石和糜棱岩中。它的类型有单斜膝折和共轭膝折。单斜膝折和不对称共轭膝折的形成是由于最大压缩应力方向斜交层(或叶理),夹角呈30°左右;对称共轭膝折的形成是由于最大压缩应力方向平行于层(或叶理)。膝折作用发生在早元古宙时期绿片岩相的变质环境中。本区金的矿化、运移、沉淀与韧性剪切带的活动(第二期变形)有密切关系。膝折作用与韧性剪切带叠加的构造部位,是寻找金矿的有利位置。     

实践中发展的最大有效力矩准则

最大有效力矩准则发表以来, 不断得到新的野外观察和实验结果的验证, 正在得到国内外同行的支持。岩石的变形行为取决于自身力学性质、构造层次(包括温度、压力、流体压力等因素)和应变速率。浅构造层次中平面菱网状构造和剖面共轭膝褶带, 钝角面对缩短方向, 受最大有效力矩准则控制, 是对慢应变速率的构造响应。证明应变速率对变形行为的控制程度不亚于构造层次。韧、脆性构造的共存意味着构造演化过程为快、慢应变速率的交替。      

祁连山东南段加里东造山期构造变形年代的精确限定及其意义

祁连山东南段呈北西-南东向展布着加里东期中祁连造山带和拉脊山造山带, 其基底为前加里东变质岩系, 在该变质结晶基底岩系中发育着菱形网格状韧性剪切带, 共轭韧性剪切带面对缩短方向的夹角为104°~114°, 其最大主应力方位为SW210°左右.在中祁连地块金沙峡和化隆地块科却两处韧性剪切带中的糜棱岩化岩石, 获取变质矿物白云母40Ar-39Ar坪年龄分别为(405.1±2.4) Ma和(418.3±2.8) Ma.这一年代学结果不仅确定了加里东基底变质岩系中韧性剪切带是加里东造山作用过程中形成, 更重要的是通过对基底韧性剪切带中变质变形岩石的年代学研究, 精确地限定了祁连山东南段的早古生代火山盆地(或岛弧盆地)、拉脊山小洋盆关闭的构造年代.这为造山带构造演化过程中盆地关闭时间的确定开辟了新的途径.      

最大有效力矩准则及相关地质构造

摩尔-库伦准则广泛用以说明断裂构造的形成,然而却不能解释自然界广泛分布的大变形。最近提出的岩石变形新理论——最大有效力矩准则,其数学表达式为Meff=0.5(σ1-σ3)L.sin2α.sinα。式中,σ1-σ3代表变形岩石的屈服强度,L为单位长度,α为σ1与变形带间的角度。该准则证明最大有效力矩出现在σ1轴左右54.7°方向,55°±10°区间力矩无显著变化,天然和实验的全部观测值全部位于该区间内。相关地质构造包括:膝褶带、伸展褶劈理、膏盐层中的屈服带、低角正断层、高角逆断层、结晶基底中的菱网状剪切带、地震反射剖面中的鳄鱼嘴构造和前陆盆地中的拆离褶皱等。据该准则可确定有关构造形成时的应力状态和运动学涡度,并扩展说明深俯冲超高压岩石的折返-出露机制。     

最大有效力矩准则及相关地质构造

摩尔-库伦准则广泛用以说明断裂构造的形成,然而却不能解释自然界广泛分布的大变形。最近提出的岩石变形新理论--最大有效力矩准则,其数学表达式为Meff=0.5(σ1-σ3)L.sin2α.sinα。式中,σ1-σ3代表变形岩石的屈服强度,L为单位长度,α为σ1与变形带间的角度。该准则证明最大有效力矩出现在σ1轴左右54.7°方向,55°±10°区间力矩无显著变化,天然和实验的全部观测值全部位于该区间内。相关地质构造包括:膝褶带、伸展褶劈理、膏盐层中的屈服带、低角正断层、高角逆断层、结晶基底中的菱网状剪切带、地震反射剖面中的鳄鱼嘴构造和前陆盆地中的拆离褶皱等。据该准则可确定有关构造形成时的应力状态和运动学涡度,并扩展说明深俯冲超高压岩石的折返-出露机制。     

鲁西地区韧性剪切带显微构造研究及岩组分析

通过对鲁西地区韧性剪切带显微构造及岩组特征等的研究,认为该区韧性剪切带具有多期次、多方向、多性质的变形特点,韧性变形主体具有右行剪切性质,最大主压应力方位为ＮＥＮＥＥ。从岩组分析结果可知,区内岩石韧性变形较强,并且复杂,变形以压剪性变形为主,石英变形机制主要为柱在滑移,韧性变形时温度较高。石英自由位位错密度法应力估算结果说明,区内最大差应力为７５．４ＭＰａ,平均值６８．４５ＭＰａ,金矿体的赋存与构     

浙江治岭头金银矿体的控矿构造

治岭头金银矿基底发育八都群变质系,盖层为晚侏罗世火山岩系,金银矿体赋存于变质岩系中,金银矿体受控于变质基底的韧性共轭剪切带。研究认为,NW方向的韧性剪切带具有右行平移性质,NE方向的韧性剪切带具有左行平移性质,EW方向剪切带未见剪切动向,主要为含变质岩角砾的石英脉。NE和NW两个方向的韧性剪切带具有共轭性质,EW方向剪切带位于共轭剪切带交汇部位,受到相向挤压造成的尖端钝化,SN向的脆性断裂对矿体起到破坏作用。     

韧性剪切带糜棱岩中不对称旋转碎斑系剪切指向模拟实验韧性剪切带糜棱岩中不对称旋转碎斑系剪切指向模拟实验研究现状及其问题

韧性剪切带是大陆变形过程中形成于地壳深层次的重要构造变形形迹,是重建构造变形温压环境、变形几何学、运动学及动力学的重要研究对象。剪切变形方向的确定是韧性剪切带研究的基础环节之一。尽管指示韧性剪切带剪切方向的标志很多,但是由于韧性剪切带变形过程的复杂性,实际工作中往往很难准确地限定剪切方向,甚至常常会发现同一条韧性剪切带中发育指向相反的剪切标志。在变形岩石中,不对称旋转碎斑系被认为是判断韧性剪切带剪切方向的可靠标志。根据有拖尾的旋转碎斑系判断剪切指向要比“云母鱼”、“多米诺”等组构可靠得多。总结前人的理论和模拟试验成果,可以清楚地认识到,碎斑系的演化是其形态、轴率、初始方位、基质及其界面性质、运动学涡度、剪应变强度、剪切带的厚度、碎斑短轴比等因素综合作用的结果。深刻认识不对称旋转碎斑系在韧性剪切带形成过程中的发育过程、限制条件、影响因素,将有助于准确地运用它们来判断韧性剪切变形的构造指向,以便进一步研究与该韧性剪切变形相关的大陆动力学。     

韧性剪切带糜棱岩中不对称旋转碎斑系剪切指向模拟实验研究现状及其问题

韧性剪切带是大陆变形过程中形成于地壳深层次的重要构造变形形迹,是重建构造变形温压环境、变形几何学、运动学及动力学的重要研究对象.剪切变形方向的确定是韧性剪切带研究的基础环节之一.尽管指示韧性剪切带剪切方向的标志很多,但是由于韧性剪切带变形过程的复杂性,实际工作中往往很难准确地限定剪切方向,甚至常常会发现同一条韧性剪切带中发育指向相反的剪切标志.在变形岩石中,不对称旋转碎斑系被认为是判断韧性剪切带剪切方向的可靠标志.根据有拖尾的旋转碎斑系判断剪切指向要比"云母鱼"、"多米诺"等组构可靠得多.总结前人的理论和模拟试验成果,可以清楚地认识到,碎斑系的演化是其形态、轴率、初始方位、基质及其界面性质、运动学涡度、剪应变强度、剪切带宽度/碎斑短轴等因素综合作用的结果.深刻认识不对称旋转碎斑系在韧性剪切带形成过程中的发育过程、限制条件、影响因素,将有助于准确地运用它们来判断韧性剪切变形的构造指向,以便进一步研究与该韧性剪切变形相关的大陆动力学.     

卡尔古利区戈尔登迈尔:构造引起的含金变质流体的渗入:位于韧性剪切带的大型金矿床

通过卡尔古利戈尔登迈尔构造控制中型和微型金矿化的构造分析,已经表明了矿物单纯的含金黄铁矿类型(开采量为70％)限于狭窄的强烈变形带内(韧性剪切带)和介于未变形岩石中有关的张性断裂的交叉系统中。事实上所有的韧性剪切带的矿脉构造都分布于戈尔登迈尔粒玄岩中,因为在变形前它需要动力完全均匀。有人提出在几乎直立的区域褶皱事件中,在接近褶轴面方向上形成许多韧性剪切带,伴随与这个方向一致的倾角较缓的同步形成的两组共轭剪切带。动力分析说明,张性交错矿脉,可能与这三组韧性剪切带有空间的几何关系。戈尔登迈尔型矿化是同构造期形成的,在构造期后,原先的构造部位没有矿液沉淀。显微构造分析表明,在韧性剪切带内,在从物质转移占主导的韧性变形期间,韧性剪切带内强烈地改造了与金侵位有关的矿物。特别在微破裂内的破裂封闭系统中,颗粒的边缘和显微穿晶位置有大量的证据说明有助于韧性剪切带内块体的塑性流动。有人提出,在导致增大渗透性的每个破裂封闭循环系统中,建立高流体压梯度及考虑通过狭窄叶理带的流体的集中。这个构造引起的渗入机制使矿液在变形带中渗透,同时也控制了把溶解的矿物组份从高应力带运移到沉淀的场所的应变过程。因此,在剪切带演化的韧性期间产生矿化,虽然中型脉是存在于韧性剪切带内,它们不是金矿侵位事件必不可少的部分,在构造历史中大多数脉形成较晚。微型变形控制了在韧性剪切带中的金侵位,即使在缺少大型和中型的扩张部位,韧性剪切带也是一个很好的勘查靶区。     

长春东南劝农山地区早二叠世范家屯组岩石变形组构及流变学特征

劝农山地区位于长春市东南部,处于佳-伊断裂和西拉木伦河缝合带交汇处.详细野外调查发现,该区曾遭受强烈韧性剪切变形,剪切带内岩石普遍糜棱岩化,主要由下二叠统范家屯组（P₁f）钙质糜棱岩与侵入其中的燕山期花岗质糜棱岩组成,变形程度处于初糜棱岩至糜棱岩之间,多具有糜棱结构.岩石应变类型主要为压扁型应变,偏一般压缩,为L=S型构造岩,指示其形成于挤压型剪切带的构造环境.多种宏微观韧性剪切变形标志,指示明显的左行剪切运动.电子探针方解石-白云石地质温度计、方解石和石英EBSD组构特征、方解石e双晶形态以及石英长石变形行为等均显示岩石具有低温塑性流变特点,变形环境不超过绿片岩相.剪切带内应变速率偏高,应变集中带应变速率最大,在10-6.95~10-8.89之间,远离强变形带应变速率在10-9.25~10-12.17之间,糜棱岩化作用过程中差异应力下限应大致为51.27~65.46 MPa,代表剪切带糜棱岩化作用为低温中等强度应变,在稍快的应变速率条件下形成.压溶扩散和双晶滑移为劝农山韧性剪切带变形初期的主要变形机制,随着递进变形,逐渐以双晶滑移和晶内滑移为主,递进变形晚期,局部强变形域内发生了粒间滑移.劝农山韧性剪切带形成与早白垩世中晚期伊泽纳崎板块NNW向高斜度斜向俯冲于欧亚大陆之下有关,是佳-伊断裂带左旋走滑事件的局部表现.      

阿尔泰山南缘东段玛因鄂博韧性剪切带特征及运动学、动力学分析

玛因鄂博韧性剪切带位于阿尔泰山南缘额尔齐斯大断裂东段,玛因鄂博断裂以北,带内岩石糜棱岩化强烈,线理、面理构造发育,局部剪切变形明显部位发育S-C组构、σ型和δ型残碎长石斑晶系,均指示为左行韧性剪切变形.带内变形岩石宏、微观特征显示:玛因鄂博韧性剪切带是以压扁变形为主的左行剪切变形,韧性变形深度相当于地壳10～15km深处,温度约300～450℃,压力在0.25～0.40GPa,是一种发生在地壳中-浅构造层次和中-低温度、中等压力条件下的韧性-脆性变形,其变形变质作用相当于中低绿片岩相,局部达高绿片岩相;剪切主应力方向为NEE向,约83°.剪切位移量和剪切带宽度大致相当,总剪切位移量约9.2～11.5km.该韧性剪切带的剪切活动持续时间较长,高峰期为290～270Ma,而其最后结束时间为230Ma左右.