高温高压条件下矿物反应对麻粒岩流变影响的实验研究

开展麻粒岩流变实验,分析新矿物的形成对麻粒岩的流变的影响,为研究中国东部地区下地壳中性和基性麻粒岩流变结构奠定基础。采用天然基性麻粒岩样品,在围压为1 500 MPa,温度900~1 050℃,应变速率1×10-5/s的条件下,开展流变实验,获得麻粒岩的稳态塑性流变方程;在相同压力和温度条件下,开展静压状态下的淬火实验,研究静压条件麻粒岩在高温高压下的矿物反应;利用扫描电镜(SEM)、电子探针等,分析实验样品的微观结构与成分,研究实验前后矿物成分变化,重点分析在高温高压条件下矿物反应分布以及通过反应形成的新矿物的特征;通过力学数据与微观结构、成分的定量分析,并与静压条件下的矿物反应对比,研究矿物反应对麻粒岩流变的影响,把矿物反应的影响作为参数引入流变方程中,为定量估计有变质反应参与的大陆下地壳流变强度提供初步的本够方程;根据天然麻粒岩样品的流变实验数据,结合已经发表的辉石、长石、长石—辉石组合、辉长岩、辉绿岩、麻粒岩、榴辉岩等的流变实验结果,综合研究矿物成分与矿物反应对麻粒岩流变的影响,揭示基性麻粒岩流变的复杂性。本项目拟利用天然的麻粒岩样品,在3 Gpa熔融盐固体介质三轴实验装置上,开展矿物参与的麻粒岩的高温高压流变实验,获得麻粒岩样品的稳态塑性流变方程、微观结构与变形机制;分析样品实验前后的成分变化,研究矿物反应形成的新矿物,并分析新矿物对麻粒岩的流变的影响;利用麻粒岩流变实验数据,为研究中国东部地区下地壳中性和基性麻粒岩流变结构奠定基础。     

中国华北高压基性麻粒岩的发现及其对深部地壳研究的意义

1991年春天我们在晋冀蒙交界地区进行地质调查时,在原来划为太古界右所堡群古老变质岩石中,发现一套出露厚度约数公里的基性麻粒岩,其典型的变质矿物组合是紫苏辉石(Opx)+单斜辉石(Cpx)+石榴子石(Gt)±斜长石(Pι)±角闪石,(Hb)。横穿片麻理方向,岩石有不含斜长石、以及斜长石含量由少到多的成分变化。石榴子石具特征的退变边结构,后者是二辉石和斜长石组成的后生合晶。该套基性麻粒岩的北侧与麻粒岩相的灰色片麻岩相连。灰色     

冀东黑云母片麻岩在1GPa压力下脱水熔融实验

报道冀东黑云母片麻岩在1GPa压力下脱水熔融实验的相关系。其固相线温度为812℃,黑云母消失的温度为837℃,角闪石消失的温度为887℃,在862℃时开始形成斜方辉石和单斜辉石。实验表明,在温度812-950℃范围内形成水不饱和的花岗质岩浆,数量为20%-30%,而留下的难熔残余是斜方辉石+单斜辉石+石榴石+斜长石+石英±角闪石,后者与麻粒岩相岩石的矿物组合相符合,暗示下地壳岩石经生成花岗质熔浆的熔融事件后,留下的将是麻粒岩相岩石。     

冀北滦平—承德一带晚太古代高压麻粒岩的发现及其构造地质意义

在冀北地区原太古代＂单塔子群＂内多处发现了高压基性麻粒岩构造岩片或透镜体,围岩为花岗片麻岩类,在区域上呈构造带出现。高压基性麻粒岩早期矿物组合为单斜辉石＋石榴石＋石英,退变组合为斜方辉石＋斜长石＋单斜辉石及更晚期的角闪石＋斜长石,明显经历了快速的抬升过程。上述高压麻粒岩在区域上可能对应于晋北－冀西北的高压麻粒岩带,代表克拉通基底的重要构造边界,对于认识区域早前寒武纪构造演化及深部地质作用过程将产生重要影响。     

胶东莱西-平度一带早元古代麻粒岩相岩石的成因矿物学

本文研究胶东地区早元古代麻粒岩相岩石的辉石、角闪石、斜长石、方柱石、榍石、磁铁矿、钛铁矿等矿物及共生组合特征,以及与形成条件的关系。采用二辉石、角闪石-斜长石、斜方辉石-角闪石、单斜辉石-角闪石、铁-钛氧化物等地质温度计,估测了变质作用的温度和氧逸度。用单矿物(单斜辉石和角闪石)的成分特点及方柱石-斜长石共生关系估测了压力。综合分析确定,本区主期变质作用的温度为720—810℃,压力5kbar左右,氧逸度为10~(-15·5),则地热梯度为41—46℃/km,属于较低温的低压麻粒岩相。     

阿尔泰基性麻粒岩的发现：来自矿物学的证据

新疆北部阿尔泰造山带富蕴乌恰沟一带首次发现代表中、下地壳深变质作用的基性麻粒岩详细的野外和室内研究表明阿尔泰基性麻粒岩主要由粗粒和细粒的麻粒岩组成(SiO2含量为47．83～53．57％)。两者的矿物组合相近，为斜方辉石 单斜辉石 斜长石 角闪石 黑云母。角闪石和黑云母成分富镁，可能与岩石的成分富镁有关、基性麻粒岩的岩石地球化学成分显示其富Mg/(Mg Fe^2 )和亏损U，Th，K及Rb，而且其原岩为钙碱性玄武岩，是岛弧构造环境下形成的产物。矿物化学特征表明斜方辉石中Mg／(Mg Fe^2 )介于0．65～0．71之间，为紫苏辉石，具高MgO FeO，低Al2O3和Ca／(Ca Mg Fe)，而单斜辉石具低TiO2和Al2O3的特点，说明它们皆为变质成因。部分角闪石和褐色黑云母富钛，指示它们为高温下形成的产物。这些特征证实了上述岩石为基性麻粒岩。角闪石和黑云母氟和氯含量较低以及水速度较高，暗示其流体成分氟和氯在变质作用过程中不起主导作用。根据麻粒岩中矿物共生组合、期次和矿物温压计估算，麻粒岩形成的峰期和退变质温压条件分别为750～780℃，0．6～0．7GPa和590～620℃，0．23～0．37GPa，前者属高温中压条件，阿尔泰地区基性麻粒岩的发现为进一步研究阿尔泰地区深部下地壳的组成和结构以及深化阿尔泰地区、新疆北部甚至中亚地区大陆动力学过程和机制都具有重要意义。     

东喜马拉雅构造结高压基性麻粒岩成因与构造意义

东喜马拉雅构造结南迦巴瓦杂岩中存在典型的泥质、长英质和基性高压麻粒岩。但是,高压麻粒岩在南迦巴瓦杂岩中的分布范围、变质条件和变质时间是否存在空间上的变化并不明确。本文对南迦巴瓦杂岩西南部巴嘎地区的高压基性麻粒岩进行了岩石学和年代学研究。研究表明,巴嘎高压基性麻粒岩由石榴子石、单斜辉石、角闪石、斜长石、黑云母和石英组成,石榴子石变斑晶发育生长成分环带。识别出三期矿物组合：进变质矿物组合M1为石榴子石变斑晶核部及其矿物包裹体,包括石榴子石、石英、榍石和磷灰石;峰期矿物组合M2为变斑晶石榴子石边部和基质矿物,即石榴子石+单斜辉石+斜长石+角闪石+石英+金红石+熔体;退变质矿物组合M3呈冠状体或基质产出,其组合为角闪石+斜长石+单斜辉石+黑云母+石英+榍石。高压基性麻粒岩的峰期变质条件约为1. 5 GPa和915 ℃,具有顺时针P- T轨迹,退变质的早期和晚期分别为近等温降压和降温降压过程。高压基性麻粒岩在峰期条件下发生了明显的部分熔融,含~26%（体积）的熔体,其退变质和熔体结晶作用很可能发生在26~14 Ma。本文和研究区现有研究成果表明,东喜马拉雅构造结南迦巴瓦杂岩中的高压麻粒岩广泛分布,从东北部的加拉、直白和派乡延伸到西南部的巴嘎沟,形成了一条长度超过80 km的高压麻粒岩带。整个带中的高压麻粒岩具有类似的变质条件和持续时间,是印度大陆地壳平缓俯冲并经历了高温和高压变质与部分熔融的产物,构成了喜马拉雅造山带的加厚下地壳。大量高压麻粒岩强烈部分熔融产生的熔体可能为喜马拉雅淡色花岗岩提供了源区。     

柴达木北缘德令哈地区基性麻粒岩的发现及其形成时代

德令哈地区的基性麻粒岩呈透镜状或脉状分布于长英质片麻岩和泥质片麻岩中.基性麻粒岩的主要矿物组成为紫苏辉石、单斜辉石、斜长石、角闪石,含有少量的铁铁矿、锆石等副矿物.单斜辉石中具有针状的斜方辉石和铁铁矿的出熔片晶,代表了高温条件下的出熔结构.采用不同方法的二辉石温度计,估算出其麻粒岩相的温度为720～925℃.基性麻粒岩的微量及稀土元素分析显示其原岩的形成环境可能为大陆边缘环境.全岩及矿物的Sm-Nd等时线年龄为1791士37Ma,代表了麻粒岩相的变质时代.基性麻粒岩及其围岩的Nd模式年龄显示出这一地区可能有太古宙的地壳物质存在.     

华北克拉通孔兹岩带东端孤山剖面石榴石基性麻粒岩的变质作用及年代学研究

大同孤山石榴石基性麻粒岩出露在华北克拉通孔兹岩带与中部带的构造接触部位,以大小不等的透镜体形式产于孔兹岩带内的夕线石榴片麻岩和紫苏二长片麻岩中.根据岩相学观察、矿物化学研究、P-T视剖面图和传统温压计计算结果,揭示孤山石榴石基性麻粒岩经历了4个阶段的变质演化:早期进变质阶段(M1)的主要矿物组合为石榴石核心及其内部包体矿物单斜辉石+角闪石+斜长石+石英+钛铁矿±金红石.反环带斜长石富钠核部记录了早期压力可达11k bar;峰期变质阶段(M2)的矿物组合是石榴石斑晶和基质中的单斜辉石+斜方辉石+斜长石+钛铁矿+石英,记录的温压条件为850～900℃、9～10kbar;峰期后降压阶段(M3)的标志是石榴石外围发育的后成合晶和冠状环,主要有单斜辉石+斜长石、斜方辉石+斜长石和角闪石+斜长石组合,其形成温压条件为760 ～820℃、5～8kbar;晚期低角闪岩相角闪石的生长表明岩石又经历了降温冷却的过程(M4),温度降至690℃以下.石榴石基性麻粒岩记录了含有近等温降压(ITD)阶段的顺时针变质作用P-T轨迹,揭示了阴山地块与鄂尔多斯地块之间俯冲碰撞加厚下地壳的折返过程.石榴石基性麻粒岩的变质锆石LA-ICP-MS U-Pb定年得到了两组变质年龄数据,分别为1945±25Ma和1828±36Ma,它们与阴山地块、鄂尔多斯地块碰撞形成孔兹岩带的时代及华北克拉通东、西陆块碰撞形成中部带的时代一致.结合该地区其他研究结果推断,石榴石基性麻粒岩在～ 1.95Ga鄂尔多斯地块与阴山地块碰撞过程中俯冲进入下地壳底部,经历早期的高压麻粒岩阶段,随后缓慢地抬升到下地壳上部;之后在～1.85Ga东、西部陆块碰撞过程中,石榴石基性麻粒岩折返到中上地壳.     

阜平地区麻粒岩的P—T路径研究

阜平麻粒岩分布于阜平大柳树和坊时一带的原阜平超群下亚群索家庄组花岗质片麻碉中,以不同规模的透镜体,似层状体产出。麻粒岩主要由石榴石、单斜辉石、斜方辉石、角闪石和斜长石等矿物组成,含有少量的石英。根据岩石的矿物组合和结构特征可将其变质作用演化上个阶段;①石榴石中的角闪石、斜长石、单斜辉石等变质矿物包体代表峰前阶段;②粗粒平衡共生的角闪石、单斜辉石、石榴石、斜长石±紫苏辉石±石英等代表了峰期变质阶段;③ 石榴石变斑晶后生合品反应边中外侧细粒斜方辉石、斜长石和石英集合体代表了峰后变质阶段;④ 后生合晶反应边中内侧角闪石、斜长石等,代表了晚期退化变质阶段。这四个变质阶段演化的P－T条件依次为：峰前阶段636℃、0.824GPa．峰期阶段751℃～ 833℃、0.854～ 1.085GPa,峰后阶段670℃～ 740℃、 0.55～0.70GPa,退化变质阶段665℃、0.727GPa．构成了一条顺时针的P－T路径,反映了该变质区从早期褶皱增厚到晚期构造抬升的地质动力学过程。     

岩石渗流-流变耦合的试验研究

通过对试验设备与工艺的改进,发展出一套比较有效的渗流-流变耦合试验方法。以多孔隙石灰岩为对象,研究了不同应力及水压作用下岩石试件的流变力学特性。试验结果显示,试件的应变总体上随偏应力及水压的提高而加大。在低应力作用下,垂向应变的变化量最大。提高应力后,渗流方向应变的增加趋势显著超过垂向。试件的渗透系数与体积变化具有相似规律,在低应力作用下,试件体积不断缩小,渗透系数也随之减小,此时增大水压会使试件进一步压缩。应力增大到某值后,体积逐步扩大而出现扩容,渗透系数也随之增大,此时增大水压会使扩容进一步增大。在各级应力作用下,试件的流变速率均有减速及稳定阶段。当应力较大时,会出现加速流变阶段导致破坏。     

岩石宏观流变性质的数值模拟

本文用有限元方法研究多矿物岩石的流变性质,即在一定温度压力范围内单矿物流变性质已知的情况下,采用随机网格划分和材料性质指定的方法,建立三维多矿物岩石的有限元模型,在计算机上计算该岩石模型在不同温度压力下的变形,根据这种数值模拟实验的结果,确定岩石整体的流变性质,而不必再进行真实多矿物岩石的高温高压实验.用有限元方法进行多矿物岩石流变性质的研究可以更为高效和节省,但其前提是多矿物间没有发生化学反应,变形机制仍与单矿物实验时的主导机制一样.本研究中进行了由锗橄榄石和锗尖晶石组成的双矿物岩石的流变实验,鉴于单个的随机生成的模型不一定居有代表性,因此对每一种矿物比例均随机生成了多个岩石模型,进行大量Monte Carlo实验和统计分析.计算结果表明,由两种矿物组成的双矿物岩石整体流变性质介于两者之间且按一定规律分布,与矿物比例有关;但即使同等矿物比例混合后的岩石会由于内部矿物分布结构的不同仍会出现一定差异,特别在试件尺度小时这种效应更为明显,因此多矿物岩石实验试件应该有足够大的尺度.     

岩石流变参数鲁棒辨识方法研究

基于室内岩石三轴蠕变试验资料对岩石的流变本构模型及流变参数进行辨识,是研究岩石流变力学特性的重要手段。由于受到试验条件和随机噪声的影响,试验数据中经常夹杂有异常值,采用传统的最小二乘法进行参数估计其结果往往会出现较大偏差。为了克服异常值对参数辨识结果的影响,引入统计学中的稳健估计理论,通过对实测的样本资料赋予不同的权重,采用双二次加权最小二乘法对流变参数进行估计。对比试验和计算结果表明,该方法能够有效地减小异常值对辨识结果的影响,在估值精度、收敛性、鲁棒性方面均优于传统的最小二乘估计方法。     

渗流场中岩石流变特性的数值模拟

渗流对岩石的流变特性有显著的影响,但限于试验条件,相关的试验成果较少。而数值计算技术已成为进行岩石力学研究的重要方法,因此,采用数值模拟方法对渗流场中岩石的流变特性进行了研究。对已有的岩石室内流变试验进行模拟来验证数值方法的有效性,在压缩流变试验的数值模拟中对试件分别施加单向、三向渗流场来模拟不同渗流条件对岩石流变特性的影响。模拟结果表明,在渗流方向上渗流产生的动水压力会导致试件的流变变形增大。此外,不同渗流场对流变的影响也有所差异,三向渗流场中试件受到的轴向渗透力小于单向渗流场,而侧向渗透力则大于单向渗流情况,这也导致三向渗流场中试件的轴向应变小于单向渗流场,而侧向应变大于单向渗流场。     

温度作用下岩石的热黏弹塑性模型研究

在西原体模型的基础上,通过引入弹簧的热膨胀系数,将温度效应引入到模型中,推导了单轴应力状态下微分形式的热粘塑性本构方程。通过蠕变曲线和卸载曲线的分析,考虑了温度效应的西原体模型当应力水平较低时为稳定蠕变,存在瞬时弹性、弹性后效和由温度引起的粘性流动;当应力水平较高时为不稳定蠕变,存在瞬时弹性、弹性后效和由温度和应力共同引起的粘性流动,该模型较全面地反映了岩石在温度作用下的蠕变性质。     

熔体的形态与分布特征对岩石流变的影响

熔体的形态与分布研究表明,在静态条件下,熔融程度比较低时,熔体主要分布于三个矿物颗粒之间,形成三角形状熔体结构,熔体二面角在0°~60°;熔融程度比较高时,熔体沿多个颗粒边界形成孤立的三角形或四边形结构,熔体三联点的二面角接近60°或大于60°。在动态条件下,在部分或全部矿物颗粒边界出现熔体薄膜,把熔体三角形连通,形成局部熔体网络,熔体三联点的二面角接近0°。如果熔体呈孤立的三角形或四边形结构时,熔体对岩石流变的影响比较小:当熔体含量小于2%~3%,熔体对岩石流变基本没有影响;只有熔体含量接近或超过3%~5%,熔体对流变强度的弱化作用才出现,当熔体含量达到10%时,流变强度弱化增加3倍左右。如果矿物颗粒边界出现熔体薄膜,微量熔体(小于1%)就对岩石流变强度有显著的弱化作用。流变实验表明,在颗粒边界含有小于1%的熔体时,熔体对流变强度的弱化达到4倍,当颗粒边界含有3%的熔体时,这种弱化作用达到10倍。     

动载作用频率对海相沉积软土动态流变特性影响试验研究

动态载荷作用下软弱岩土加速流变,引发更多的岩土工程事故和地质灾害。采集厦门海相沉积软土,采用人工重塑试样,在动态三轴仪上测试正弦荷载作用及不同频率条件下试样流变过程的动应力-应变、流变过程动应变-时间、流变应变等动态流变力学特性,对比分析了动载作用频率对海相沉积软土动态流变特性影响。试验测试分析表明：软土的动态流变特性对低频动载作用更敏感,流变效应更明显,而在高频动载作用下流变敏感性差,流变变形缓慢。研究结论为探索动载作用频率对软弱岩土动态流变力学特性影响,揭示动载作用诱发重大岩土地质灾害的流变动力学机制等具有一定的理论和现实意义。     

不同损伤程度下岩石力学参数变化的声波测试

声波波速变化可有效表征岩体损伤程度。通过对岩样进行人工预损,利用声波检测标定岩样的不同损伤程度,然后通过三轴压缩试验来研究不同损伤程度下岩石的力学特性,建立了声波速度下降幅度与岩体力学参数变化幅度间的关系。研究表明,当岩样的声波速度下降5%～8%时,黏聚力c值降低15%～25%,内摩擦角? 值则升高14%～32%,因此,用声波速度的下降幅度来描述岩体参数的变化是可行的。根据现场实测的岩体损伤区内的声波速度的变化值,可以从一定程度上估计岩体参数的跌落情况,从而更进一步地说明损伤区内岩体的承载力。     

一种新的岩石非线性黏弹塑性流变模型

借鉴经典元件组合模型的建模思路,将含分数阶微积分的软体元件与弹簧元件串联,结合一个幂函数黏塑性体,提出一种新的四元件非线性黏弹塑性流变模型,并给出该模型的本构方程和蠕变方程,得到在不同应力条件下的蠕变曲线。可以发现,岩石稳定蠕变阶段的非线性渐变过程和加速蠕变阶段蠕变速率的快慢程度可通过调整蠕变参数进行有效地模拟。在较低应力水平时,模型能够有效地刻画岩石的初始蠕变和稳定蠕变;当应力水平超过岩石的长期强度时,能够反映加速蠕变特性。利用该模型对试验数据拟合的结果表明,含有软体元件和幂函数黏塑性体的非线性流变模型能够有效地描述岩石的蠕变特性,减少组合模型中的元件个数和参数数量。     

典型基坑开挖卸荷路径下软土三轴流变特性研究

模拟基坑开挖下的卸荷路径,进行了不同卸荷条件下包括围压、卸荷路径和排水的卸荷流变试验。试验结果表明：软土在竖向卸荷试验中的回弹变形可分为瞬时回弹变形和滞后回弹变形;在应力控制式三轴试验中,围压和轴压同时卸荷时的初始变形速率较大;仅卸轴压时回弹滞后效应明显,而围压、轴压同时卸荷时由于土体产生剪切变形引起负孔压,使土体回弹滞后效应不明显;在相同卸荷路径下,排水剪切时由于土体吸水膨胀使得流变特性更明显些,且产生的负孔压最终会消散。根据试验成果,建立Merchant流变模型参数与卸荷条件的线性函数关系,并将函数关系代入Merchant模型,最终得到能考虑围压及卸荷路径影响的软土卸荷流变经验模型。研究结果为软土流变变形模型研究及卸荷后基坑变形研究提供了参考。