大陆岩石圈流变学研究的发展现状与前景

板块构造登陆导致大陆动力学的兴起,但大陆动力学迄今在理论上尚无长足发展,究其原因是大陆构造的复杂性,这一复杂性取决于大陆岩石圈复杂的流变学结构(纵向分层和横向不均一)。因此,大陆岩石圈流变学研究是大陆动力学的核心,并成为发展大陆动力学、完善板块构造理论的关键研究领域,同时对构造地质学学科发展具有推动作用,并在资源形成和地震机理方面具有实际意义。本文在阐述了岩石圈流变学的发展与现状的基础上,较详细分析了大陆流变学的核心内容:大陆岩石圈流变学结构特征,大陆物质的本构方程及大陆流变学特性对大陆变形与构造演化的影响。本文还总结了我国开展大陆流变学的基础和条件,对未来研究进行了展望:1)形成常态的多尺度-多手段-多学科-多部门的联合研究;2)缩小量子力学和岩石/矿物流变结构研究间的差距; 3)从全球尺度物质流动着手,构建以流变学为基础的大陆动力学模型。     

岩石圈流变学：一种研究地球深部岩体变形的新方法

岩石圈流变学是大陆岩石变形的主导因素之一,是一种研究地球深部岩体变形的新方法。简要介绍流变学对大陆动力学研究的影响,并对当前流变学研究进展进行评述。岩石圈流变学在岩石圈地层、造山带和大型盆地动力学和动力学特征研究中的应用非常广泛。近年来,岩石圈流变学在脆-塑性转换、岩石流变含水性、“三明治”结构及岩石流变律等方面有重大进展。最后,指出目前岩石圈流变学还存在一些亟待解决的问题,如时间因素。     

大陆岩石圈流变学研究及其在伸展盆地动力学中的应用

大陆岩石圈流变性是伸展盆地动力学研究中的一个重要方面。大陆岩石圈具有多种流变学特征,控制着不同的岩石圈变形样式以及盆地形态、沉降/上隆、沉积样式和岩浆岩分布等岩石圈变形在伸展盆地中的表现形式。大陆岩石圈流变学研究在伸展盆地运动学和动力学模拟中的应用现状和最新进展表明,尽管大陆岩石圈的流变性非常复杂,其在伸展盆地动力学分析中起到了非常重要的作用,应该加以足够重视和深入研究。     

岩石圈热—流变结构与大陆动力学

由于大陆内部存在上千公里宽的弥散边界变形带，板块构造理论用于解释新生代大陆内部的显著的构造变形遇到了困难。因此，探讨大陆岩石圈的构造变形机制、演化及动力学过程从而成为国际地球科学的热点研究领域---大陆动力学。大量的地震测深、地震层析成像技术的应用对岩石圈的精细结构研究，已揭示岩石圈结构和物质组成存在显著的横向非均质性。这种横向非均质性是地质时期内大陆岩石圈经历多期次构造-热事件叠加与改造所形成的。同时，也决定了岩石圈热-流变学结构的横向分块、纵向分层的特性。大陆岩石圈热-流变学结构非均质性及其构造继承性对大陆内部构造变形起控制作用。所以，大陆动力学应注重开展大陆变形的运动学、大陆岩石圈的热-流变学结构和大陆变形的地球动力学数值模拟研究。     

超高压榴辉岩流变学研究

大陆岩石圈和大洋岩石圈在成分、厚度和力学强度方面有明显的差别。因此,现有板块构造不完全适合于大陆构造。大陆地壳和上地幔流变学的综合研究是认识大陆构造最佳途径之一。流变学研究是大陆造山带几何学、运动学和动力学的桥梁。大陆岩石圈对构造作用、重力不稳定性和热结构的响应在很大程度上取决于岩石流变强度。岩石圈流变性质是岩石圈分层、构造复杂性和塑性流动的主导控制因素。超高压榴辉岩在地幔对流、壳-幔物质循环和俯冲带动力学起着重要作用。榴辉岩的流变性质和变形机制对于阐明大陆造山带和大陆深俯冲的动力学过程具有十分重要的意义。本文主要内容包括以下4个方面：（1）岩石流变学研究在地球动力学中地位和重要性;（2）回顾池际尚先生对岩石流变学实验的贡献;（3）近几年来超高压榴辉岩流变学研究成果;（4）国外岩石流变学实验研究发展态势和启示。     

超高压变质岩的塑性流变学

岩石流变作用是大陆造山作用的基本特征,超高压岩石的形成和折返过程也是大陆深俯冲带内物质的复杂流变过程。要深入理解大陆造山带的造山作用和大陆壳岩石的深俯冲和折返动力学过程,必须对大陆地壳及地幔岩石的流变学进行深入研究。岩石圈流变学的主要研究内容主要包括流变学分层性、变形分解和应变局部化及大陆壳岩石部分熔融作用的流变学效应等。应用岩石圈流变学的基本原理和方法,分析了大别-苏鲁超高压变质带中超高压变质岩的塑性流变特点,探讨了超高压变质岩形成和折返过程的塑性流变学。     

大陆岩石圈的流变学性质和矿物中的水

评述了近些年来岩石圈(尤其是大陆岩石圈)流变学研究中的主要进展。这些研究中最重要的一个发现是水的存在可以显著地增强岩石的变形,从而对其流变性质产生明显影响。大陆岩石圈的流变性质比大洋岩石圈要复杂得多,尤其是较深处的下地壳和岩石圈地幔之间流变性质的对比和差异成为近些年来人们争执较大的问题。大陆岩石圈的流变性质可能具有显著的不均一性,不仅体现在垂向上,也体现在横向上。根据流变学实验研究的进展和对深部壳幔捕虏体中主要构成矿物结构水含量的测定,对华北克拉通深部岩石圈的流变性质进行了定量计算。结果表明华北克拉通在重力梯度带两侧的岩石圈有着截然不同的流变特征,这种差异可能对两侧不同的岩石圈动力学过程有重要的影响。     

大陆岩石圈流变动力学研究进展

综述了近年来宏观尺度上大陆岩石圈在流变结构、运动学和动力学研究方面的进展 ,简要介绍了INDEPTH ,KTB等科学工程的最新成果。固体地球科学的发展趋势表明 :查明岩石圈的物质组成和岩石圈的热结构是建立岩石圈流变结构模型的基础 ,高分辨率地球物理方法、大陆科学深钻和岩石学探针是研究岩石圈流变结构的重要途径 ;大地测量是研究岩石圈运动学的主要手段 ;定量计算岩石圈的流变学参数和模拟动力学演化过程是动力学研究的基本内容。     

地球透镜计划2010-2020年科学研究内容

大陆岩石圈经历了40多亿年的地壳构造活动,北美洲是幕式大陆增生、变形和破裂的最完整记录之一.虽然在化学和流变学方面,大陆地壳和地幔与邻近的大洋岩石圈和地幔截然不同,但是,对于地壳和地幔是如何相互作用的许多问题仍然需要研究.     

超越板块构造——我国构造地质学要做些什么?

对近十年来全球构造学和构造地质学的重要进展进行了简要评述.30年前建立的全球构造理论改变了人们对地球及其演化的认识.作为固体地球统一理论的板块构造主要涉及刚性板块边界之间的变形、地震活动和火山作用.至今还没有完整理论阐明板块运动的驱动力和地幔对流机制.板块边界和板内变形等许多问题仍然无法回答.大陆岩石圈和大洋岩石圈在成分、厚度和力学强度方面有明显的差别, 因此现有板块构造不完全适合于大陆构造.大陆地壳和地幔流变学的综合研究是认识大陆构造和超越板块构造的最佳途径.流变学是大陆造山带几何学和动力学的桥梁.大陆岩石圈对构造作用、重力作用和热作用的响应在很大程度上取决于其流变强度.岩石圈流变性质是岩石圈分层和塑性流动的主导因素.大量透入性变形和巨型大陆造山带内部构造显示非刚性特征.大陆构造和力学行为主要由地壳强度而不是地幔强度所控制.从大陆岩石圈多层性和力学强度不均匀性表征看, 现在是抛弃传统“三明治”构造模式的时候了.面对地球系统科学和地球动力学新思维发展趋势, 多学科综合研究大陆构造(造山带)和加速高水平构造地质学人才的培养是我国构造地质学发展的最紧迫任务      

大陆中部地壳应变局部化与应变弱化

大陆岩石圈流变学研究是构造地质学学科发展的必然,也是发展板块构造理论、探索大陆板块内部变形与动力学演化的核心问题。大陆中部地壳是大陆岩石圈中一个具有特殊性的圈层,其主要成分以花岗质岩石为代表,位于岩石脆-韧性转变域。在中部地壳层次上,岩石既具有脆性变形特点,又具有韧性变形属性,而且常常表现出多种流变强度。研究成果显示,中部地壳岩石流变具有许多特殊性:1)应变局部化是中部地壳流动最为典型表现形式;2)存在大陆地壳多震层:多震与强震,显示出中部地壳既弱又强的流变学属性;3)液/岩反应强烈,流体相直接影响着岩石的流变性;4)在许多地区存在有地球物理异常体(低速高导体)。大陆中部地壳应变局部化是板块相互作用过程中地壳层次上应变积累与集中的重要表现。在宏观尺度、中小型尺度和微观尺度上都有着重要的构造特点。地壳岩石的应变弱化,是诱发应变局部化的主要机制。多种形式的水致弱化(包括液压致裂、反应弱化、水解弱化等)与结构弱化(包括细粒化、晶格取向、成分分带性等)对于应变局部化具有重要的贡献。大陆地壳岩石流变学、中部地壳弱化与应变局部化研究,是未来岩石圈流变学研究的重要方向。     

大陆动力学的过去、现在和未来——理论与应用

近十年来大陆岩石圈流变学、板块下的构造和整个地幔运动、现代大陆变形动力学、大陆深俯冲动力学、"中下地壳的隧道流"、复合造山带和复合造山动力学、盆-山耦合与大陆增生、地幔物质和地幔动力学以及全球大陆科学钻探整合计划等大陆动力学研究的重要进展,表明大陆动力学是继"板块构造"之后固体地球科学发展的新的起点,建立大陆动力学新的理论体系以及为资源、能源、环境和预防地震灾害的人类需求服务,是大陆动力学发展的未来.     

大陆下地壳麻粒岩的流变学研究进展

大险下地壳麻粒岩的流变学研究可以解释地壳变形、壳幔物质交换以及岩石圈深部动力学过程等科学问题.前人通过研究各矿物的显微构造变形特征与变形机制,运用广义混合流变律探讨多矿物复合岩石的流变性质,结合水与流体对岩石变形强度的弱化作用,阐明在大陆下地壳变形环境下复矿麻粒岩的塑性变形和韧性流变性质.目前人们致力于对天然变形岩石和...     

Rock mechanics observations pertinent to the rheology of the continental lithosphere and the localization of strain along shear zones

Emphasized in this paper are the deformation processes and rheologies of rocks at high temperatures and high effective pressures, conditions that are presumably appropriate to the lower crust and upper mantle in continental collision zones. Much recent progress has been made in understanding the flexure of the oceanic lithosphere using rock-mechanics-based yield criteria for the inelastic deformations at the top and base. At mid-plate depths, stresses are likely to be supported elastically because bending strains and elastic stresses are low. The collisional tectonic regime, however, is far more complex because very large permanent strains are sustained at mid-plate depths and this requires us to include the broad transition between brittle and ductile flow. Moreover, important changes in the ductile flow mechanisms occur at the intermediate temperatures found at mid-plate depths.Two specific contributions of laboratory rock rheology research are considered in this paper. First, the high-temperature steady-state flow mechanisms and rheology of mafic and ultramafic rocks are reviewed with special emphasis on olivine and crystalline rocks. Rock strength decreases very markedly with increases in temperature and it is the onset of flow by high temperature ductile mechanisms that defines the base of the lithosphere. The thickness of the continental lithosphere can therefore be defined by the depth to a particular isotherm T_c above which (at geologic strain rates) the high-temperature ductile strength falls below some arbitrary strength isobar (e.g., 100 MPa). For olivine T_c is about 700°–800°C but for other crustal silicates, T_c may be as low as 400°–600°C, suggesting that substantial decoupling may take place within thick continental crust and that strength may increase with depth at the Moho, as suggested by a number of workers on independent grounds. Put another way, the Moho is a rheological discontinuity. A second class of laboratory observations pertains to the general phenomenon of ductile faulting in which ductile strains are localized into shear zones. Ductile faults have been produced in experiments of five different rock types and is generally expressed as strain softening in constant-strain-rate tests or as an accelerating-creep-rate stage at constant differential stress. A number of physical mechanisms have been identified that may be responsible for ductile faulting, including the onset of dynamic recrystallization, phase changes, hydrothermal alteration and hydrolytic weakening. Microscopic evidence for these processes as well as larger-scale geological and geophysical observations suggest that ductile faulting in the middle to lower crust and upper mantle may greatly influence the distribution and magnitudes of differential stresses and the style of deformation in the overlying upper continental lithosphere.