辉长岩脆-塑性转化及其影响因素的高温高压实验研究

本文利用高温高压多功能三轴实验装置,以NaCl为固体围压传压介质,在围压为450MPa~800MPa,温度区间为600℃~1150℃和应变速率为1×10-4~3.125×10-6/s条件下,对攀枝花辉长岩进行了流变学实验研究。实验结果表明,辉长岩围压在450MPa~800MPa条件下,温度在600℃时为脆性变形,700℃~850℃时为半塑性流动,含微破裂,大于900℃时为塑性流动。辉长岩的脆-塑性转化温度为700℃~900℃,主要影响因素为温度、围压和应变速率,同时存在双相流变学问题。      

断层脆塑性转化带变形机制与裂隙愈合实验研究

开展断层脆塑性转化带的变形机制、断层带流体-岩石相互作用、断层愈合作用等研究,对理解间震期、同震加载、震后滑动阶段断层的变形机制转化、强震孕育和发生具有重要意义。笔者采用Carrara大理岩,在温度300~700℃、围压300 MPa和600~800 MPa、应变速率1×10-4/s~1×10-5/s和1×10-7/s~2.5×10-6/s、水含量0.005%~0.01%和0.1%~0.5%条件下,开展了轴向压缩变形实验与裂隙愈合实验。通过偏光显微镜、扫描电镜与能谱分析,研究了实验变形样品的微观结构与变形机制,讨论了水、温度、围压、应变速率对脆塑性转化和变形机制的影响,以及裂隙愈合对断层强度和流体压力变化的制约作用。实验结果表明:(1)Carrara大理岩在低温(300~400℃)、低应变速率和高含水条件下发生了压溶,其中,在低温低应变速率(1×10-7/s)条件下为压溶蠕变,在低温中等应变速率(5×10-7/s)条件下为压溶+碎裂流动。(2)在低温(400℃)、中-高应变速率和低含水条件下发生了位错滑移(双晶滑移、机械双晶)与碎裂流动,局部伴有压溶作用。(3)在中温(500℃)、各应变速率和各含水条件下发生了位错滑移(双晶滑移、机械双晶)与动态重结晶作用。(4)在高温(600~700℃)条件下,动态重结晶作用成为主要变形机制。(5)在压溶和动态重结晶作用下,在脆性变形阶段产生的裂隙与孔隙被愈合。断层强度恢复程度受裂隙和孔隙愈合程度控制。温度、水和应变速率对大理岩脆塑性转化和变形机制的影响非常显著,在相同温度与应变速率条件下,水降低了样品强度,促进了压溶和塑性变形。增加应变和水含量,能够显著促进裂缝和孔隙愈合。根据实验结果推测:在快速变形的同震和震后滑动阶段,断层脆塑性转化带以碎裂变形为主;在缓慢变形的间震期,断层脆塑性转化带以压溶和动态重结晶为主。在塑性变形作用下,同震滑动产生的裂隙被愈合,不仅恢复了断层带强度,而且为断层带内部形成高压流体创造了条件。     

天然花岗岩的脆塑性转化-塑性流变实验研究

<正>本研究样品采用四川泸定地区的细粒花岗岩,在德国GFZ的Paterson型高温流变仪上开展了轴向压缩和扭转实验研究。样品含有石英36%,钾长石34%,钠长石26%,白云母3%,绿泥石1%。轴向压缩实验条件为300 MPa围压、温度800~1 050℃、等应变速率10-5s-1。由于实验样品不同程度地出现脆性破裂特征,在900℃温度、围压1 atm和100 MPa条件下分别进行了轴向压缩实验。在此基础上开展了围压400Mpa、温度950℃、最大扭应变速率1.8×10-5s-1的等应变速率的扭转实验。实验结果显示,随温度升     

1.0 GPa、高温下岩石熔融玻璃的弹性波速测量及其地球物理意义

利用超声波反射法,在1.0GPa、最高温度分别达900℃和730℃条件下,测量了岩石成分从酸性到基性的7种熔融玻璃的纵波波速(vp)和横波波速(vs)随温度的变化。实验过程证明,高压下升温过程中样品被压缩导致了样品中弹性波走时减少,而降温过程中样品长度基本保持不变。结果显示,1.0GPa下,随实验温度升高,不同成分玻璃的vp首先以-0.2×10-3km.s-1.℃-1到-0.7×10-3km.s-1.℃-1不等的速率缓慢降低,而其vs多以-0.1×10-3km.s-1.℃-1速率随温度升高而降低。当温度高于玻璃转变温度(Tg)后,玻璃的vp开始以-0.8×10-3km.s-1.℃-1到-3.6×10-3km.s-1.℃-1不等的速率快速下降。根据玻璃vp随温度变化速率的改变,拟合出这几种玻璃的转变温度从584℃到654℃。由实验获得的玻璃波速,利用Voigt-Reuss-Hill(VRH)平均计算出下地壳岩石中玻璃的存在将降低岩石的波速,并由此为下地壳低速层提出一种新的解释,即非晶质体的存在可能在下地壳形成地震波低速层。     

叶蛇纹岩脆性-半脆性破裂研究

利用Paterson气体介质高温高压流变仪对纯叶蛇纹岩在100~400MPa围压、25~700℃温度和10-5~1.5×10-6s-1应变速率下进行了三轴压缩变形实验。实验结果表明叶蛇纹石在低压条件下表现为脆性破裂,高压或脱水条件下表现为半脆性破裂。随着温度的增加,叶蛇纹石的强度显示逐渐降低的趋势;尤其在脱水条件下,温度的增加可导致叶蛇纹石强度大幅度地降低,而且此时预热时间对强度的影响比未发生脱水时更加显著。结合前人的研究并对比发现,围压在室温下的增加导致叶蛇纹岩强度增加;但在高温下围压的增加导致试样强度整体上降低,这很可能是试样内聚力的局部损失与韧性增强引起的。围压和温度的升高,以及断层面上流体的增加很可能会增加破裂面的韧性,从而减小摩擦系数。此外,叶蛇纹石并非以往人们所认为的那样具有极低的强度,其强度要比低温蛇纹石(如利蛇纹石和纤蛇纹石)的大得多,即便在高温(大约600℃)下差应力大于约600MPa和中-低温(≤400℃)下差应力大于约1000MPa时仍没有表现出明显屈服的迹象。在脱水条件下,蛇纹岩并没有发生脱水致脆,相反脱水使得试样的断裂行为变得更加温和些。因此,俯冲带蛇纹岩脱水更可能诱发其周围更加脆性的岩石发生地震而不是脱水的蛇纹岩本身发生地震。     

宿县矿区祁南矿中煤级煤高温高压变形实验研究

为了深刻揭示构造作用下煤中孔、裂隙结构演化特征与机理,采集淮北宿县矿区祁南矿原生结构煤煤样,开展煤的高温高压变形实验(围压50 MPa,温度100～200℃,应变速率1×10~(-3)～5×10~(-6)/s,应变量10%～20%)。通过对温度、应变速率和应变量对煤变形的影响和实验变形煤孔裂隙结构特征分析,结果表明:温度增高,煤的塑性增强,温度达到200℃时,煤变形发生脆-韧性转变;煤的强度随着应变速率降低而减小,从而更容易发生变形;应变量增大加剧了煤脆性或韧性变形程度。同时,温度、应变速率和应变量也影响着煤的孔裂隙发育。随着煤变形程度的增强,显微裂隙越发育且组合越复杂,总孔容呈波动式变化,微孔孔容和比表面积在脆性变形时不断增大,后在韧性变形初级阶段时有减小的趋势。     

迁安石英岩脆延性转变特征及定量判据

本文在0—700MPa围压、室温800℃温度条件下,对一组迁安石英岩变形破坏实验研究,提出了不同条件下地壳岩石两种可能的脆延性转变机制,并阐明了脆延性转变中岩石力学性质、强度特性和失稳型式的变化。文章指出,岩石脆延性转变的实质是岩石破裂前各种机制产生的非弹性变形组分迅速增加,造成破裂贯通点偏离线性变形段,使岩石表现出延性行为。因此,依据破裂贯通点偏离线弹性变形段的程度,就可以定量判别岩石的变形性质,确定岩石脆延性转变的条件。     

大理岩脆-韧性转换变形实验研究

本文利用两组大理岩岩样进行脆-韧性变形有实验，一组在室温条件，围压变化范围为20-400MPa；另一组围压为50MPa，温度变化范围为15-200℃。前者发生脆-韧性转换的围岩范围为50-400MPa，其中变形最敏感的围压为50-150MPa，脆-韧性转换过程表现为应变硬化作用；后者发生脆-韧性转换的温度为50-200℃，其中变形最敏感的温度为100℃左右，脆-韧性转换过程表现为应变软化作用为主。在变形（实验）岩样宏观变形行为和微观构造特征分析的基础上，讨论了岩石脆-韧性转换变形的若干标志（包括力学性质、宏观变形行为和显微构造标志等），并阐明了大理岩脆-韧性转换变形方式是以微破裂、晶内滑移和碎裂流动作用为主。这些实验研究结果对于地壳中浅层次构造变形及表层构造软弱带成因研究肯有重要意义。     

常温下砂岩的变形特征及其影响因素

本文研究了常温下砂岩的变形特征，发现低围压条件下。砂岩表现为脆性剪切破裂，并产生扩容现象，而在高围压条件下，则表现为塑性流动，在塑性流动过程中，孔隙破裂，砂粒被压碎。并发生旋转和滑动，砂岩体积收缩，并表现为应变硬化，在砂岩由脆性剪切破裂向塑性流动的转化过程中，砂岩的孔隙率和围压起了关键的作用，本文还研究了砂岩孔隙破裂的机制，随着围压的增加，孔隙破裂分为两个阶段；第一阶段是孔隙边缘的剪切破裂，第二阶     

上部地壳岩石流动与显微构造演化--天然与实验岩石变形证据

岩石流动性和变形显微构造的发育直接受温度、压力、应变速率和流体相等制约 ,致使在不同地壳层次岩石的流动性表现出很大的差异。对上部地壳环境条件下天然和实验变形岩石的显微构造分析揭示出一系列具有不同特点以及由不同的成核、扩展和联合方式形成的破裂与微破裂型式的存在。讨论了在上部地壳环境中 ,温度与围压的变化对岩石破裂的影响 ,并阐述了高压破裂与低压破裂及其力学、流变学和显微构造特点 ,提出高压破裂对应于天然变形环境下出现的剪切 (挤压 )破裂 ,而碎裂岩带是典型的天然低压破裂 ,其低压环境的出现可以是浅部低围压或深部高流体压力所致。流体相的存在不仅可以引起石英 ,也可以引起方解石类碳酸盐岩矿物的水解弱化 ,并进而导致岩石流动机制的转变。岩石变形及流体等因素所致的岩石粒度变化 ,则从另一个方面影响着上部地壳岩石流动性的变化。从变形环境考虑 ,随着深度的加大 ,温度和压力升高 ,导致岩石由脆性向韧性转变 ;转变域内岩石的变形是一个复杂过程 ,是多种不同脆性和晶质塑性机制的综合。     

高温作用后花岗岩三轴压缩试验研究

为综合考察温度、围压对花岗岩力学性质及破坏方式的影响,在高温（25℃～1 000 ℃）作用后,利用MTS815.02电液伺服材料试验系统对花岗岩岩样进行不同围压作用下的三轴压缩试验。研究结果表明,（1）围压一定时,经历不同高温作用后花岗岩三轴压缩全应力-应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏、塑性流动5个阶段;（2）经历不同高温作用后岩样三轴抗压强度与围压呈非线性二次多项式增长关系,围压为40 MPa时的抗压强度比单轴抗压强度提高了382.30%;常规三轴压缩条件下,400 ℃是花岗岩力学参数的阀值温度;（3）经历高温作用后,岩样弹性模量随围压升高呈增大趋势,围压为40 MPa时的弹性模量比单轴时提高了90.26%;随温度升高呈二次非线性减小,1 000 ℃时的弹性模量比25℃时降低了57.16%;（4）花岗岩的失稳型式同时取决于围压和温度。单轴压缩状态下,随着温度的升高,岩样变形破坏型式由脆性破裂向塑性变形过渡,失稳型式在低温时为突发失稳、中高温为准突发失稳,温度高于800 ℃为渐进破坏;三轴压缩状态下,随着围压的增大,岩样破裂型式由脆性张拉破裂逐渐向剪切破裂过渡,岩样的失稳型式以突发失稳为主。在试验温压范围内,影响花岗岩力学性质的首要因素是温度,其次是围压。     

晋冀内蒙交界区下地壳流变性质的实验研究及其构造演化意义

酸性和基性麻粒岩的高温度压实验表明,基稳态流动律分别为：ε＝２０．７ｅｘｐ（－２８８／ＲＴ）·Δσ＾３．０和ε＝１０＾６．５９ｅｘｐ（－４２５／ＲＴ）·Δσ＾３．０２,并可与加拿大地盾的麻粒岩流动津相比。在下地壳的温度７００℃-１０００℃、压力１．０Ｇｐａ-１．２ＧＰａ和应变率１０＾－４／ｓ￣１０＾－７／ｓ条件下,岩石变形以韧性变形为主,并发育韧性剪切带,其中辉石和斜长石极易发生动态重结晶及定向排成线理,石英则巳静态恢复,此结果与野外观察的吻合。下地壳的宏观流变模型显示,增厚型下地壳存在一厚的低蠕变强度层,减薄型地壳则上地壳也出现低强度层,太陆下地壳这种低蠕变强度层的流变性质有助于岩石圈增厚和减薄的发生。     

白云石有序度与流变特征的研究进展

白云石CaMg(CO3)2常见于白云岩、灰岩及大理岩中,其稳定的温压范围很广,是研究俯冲隧道变形、全球碳循环和地幔交代作用的重要矿物。白云石的有序度可能与重结晶过程相关,温度是影响白云石有序度的关键因素,压力对白云石有序度的影响较弱。在1~3 GPa 下白云石完全无序的转变温度为1150~1200℃,Fe、Mn、Cd 离子含量的增高可显著降低白云石结构无序化的转变温度。天然变形的白云石常发育由底面c 滑移控制的晶格优选定向。根据白云石的流变律,在天然 应变速率下（10-15~10-12 s-1）,>400℃细粒白云石以扩散蠕变为主;而粗粒白云石以位错蠕变为主,只有在高温下（>600~700℃） 扩散蠕变才成为主控变形机制。分解反应或者动态重结晶可导致白云石流变强度的显著下降,应变集中。白云石c滑移的临界剪应力随温度升高而增大的现象可能与白云石有序度的变化有关,而围压、水逸度和成分对白云石流变的影响尚不清楚,定量研究白云石的有序度与流变学性质的相关性将为追踪碳酸盐岩和大理岩的成岩和变形历史提供新的信息。     

差应力与石英组构关系的实验研究

为了探讨柯石英的形成条件,利用河北省平山县西柏坡地区太古代阜平群中的黑云母片麻岩进行高温高压条件下的岩石变形实验。实验的温度为800 ℃,围压为0.2 GPa,应变量为10%,应变速率为10^-5/s。实验结果表明,变形后样品中不同部位石英颗粒的激光拉曼光谱与标准的石英光谱相比较发生了明显的变化,具体表现为：挤压带中,石英颗粒的光谱出现了9个峰,而标准石英光谱为6个峰;在剪切带中,石英颗粒的谱线只有一个清晰的峰,在拉伸带中,石英颗粒的谱线无论峰的数目还是出现的位置都与标准石英光谱有着显著的区别,说明导致岩石变形的差应力对石英晶格结构的改造具有一定的影响。     

胶东焦家断裂带韧性变形特征

焦家断裂带晚期表现为强烈的脆性变形,但其早期则表现以糜棱岩组合、对称组构等为特征的韧性变形。应变测量和差应力估算表明:从焦家主断裂到望儿山支断裂的糜棱岩变形标志体有主轴比变小、K值增大、古应力值逐渐变小的趋势,韧性变形阶段差应力方向为NWW-SEE.焦家断裂带早期是在中温(300℃~500℃)、中等围压(0.27 GPa~0.49 GPa)条件下形成的以压扁作用为主的左行韧性变形带。      

Upper Limit for Rheological Strength of Crust in Continental Subduction Zone： Constraints Imposed by Laboratory Experiments

The transitional pressure of quartz-coesite under the differential stress and highly-strained conditions is far from the pressure of the stable field under the static pressure. Therefore, the effect of the differential stress should be considered when the depth of petrogenesis is estimated about ultrahigh pressure metamorphic (UHPM) rocks. The rheological strength of typical ultrahigh pressure rocks in continental subduction zone was derived from the results of the laboratory experiments. The results indicate the following three points. (1) The rheological strength of gabbro, similar to that of eclogite, is smaller than that of clinopyroxenite on the same condition. (2) The calculated strength of rocks (gabbro, eclogite and clinopyroxenite) related to UHPM decreases by nearly one order of magnitude with the temperature rising by 100 ℃ in the range between 600 and 900 ℃. The calculated strength is far greater than the faulting strength of rocks at 600 ℃, and is in several hundred to more than one thousand mega-pascals at 700-800 ℃, which suggests that those rocks are located in the brittle deformation region at 600 ℃, but are in the semi-brittle to plastic deformation region at 700-800 ℃. Obviously, the 700 ℃ is a brittle-plastic transition boundary. (3) The calculated rheological strength in the localized deformation zone on a higher strain rate condition (1.6×10-12 s-l) is 2-5 times more than that in the distributed deformation zone on a lower strain rate condition (1.6×10-14 s-1). The average rheological stress (1 600 MPa) at the strain rate of 10-12 s-1 stands for the ultimate differential stress of UHPM rocks in the semi-brittle flow field, and the average rheological stress (550-950 MPa) at the strain rate of l0-14 -10-13 s-l stands for the ultimate differential stress of UHPM rocks in the plastic flow field, suggesting that the depth for the formation of UHPM rocks is more than 20-60 km below the depth estimated under static pressure condition due to the effect of the differential stress.     

Strain partitioning and deformation mode analysis of the normal faults at Red Mountain, Birmingham, Alabama

In a low-temperature environment, the thin-section scale rock-deformation mode is primarily a function of confining pressure and total strain at geological strain rates. A deformation mode diagram is constructed from published experimental data by plotting the deformation mode on a graph of total strain versus the confining pressure. Four deformation modes are shown on the diagram: extensional fracturing, mesoscopic faulting, incipient faulting, and uniform flow. By determining the total strain and the deformation mode of a naturally deformed sample, the confining pressure and hence the depth at which the rock was deformed can be evaluated. The method is applied to normal faults exposed on the gently dipping southeast limb of the Birmingham anticlinorium in the Red Mountain expressway cut in Birmingham, Alabama. Samples of the Ordovician Chickamauga Limestone within and adjacent to the faults contain brittle structures, including mesoscopic faults and veins, and ductile deformation features including calcite twins, intergranular and transgranular pressure solution, and deformed burrows. During compaction, a vertical shortening of about 45 to 80% in shale is indicated by deformed burrows and relative compaction of shale to burrows, about 6% in limestone by stylolites. The normal faults formed after the Ordovician rocks were consolidated because the faults and associated veins truncate the deformed burrows and stylolites, which truncate the calcite cement. A total strain of 2.0% was caused by mesoscopic faults during normal faulting. A later homogenous deformation, indicated by the calcite twins in veins, cement and fossil fragments, has its major principal shortening strain in the dip direction at a low angle (about 22°) to bedding. The strain magnitude is about 2.6%. By locating the observed data on the deformation mode diagram, it is found that the normal faulting characterized by brittle deformation occurred under low confining pressure (< 18 MPa) at shallow depth (< 800 m), and the homogenous horizontal compression characterized by uniform flow occurred under higher confining pressure (at least 60 MPa) at greater depth (> 2.5 km).