电子背散射衍射(EBSD)技术在地壳构造变形研究中的应用

电子背散射衍射(EBSD)技术是岩组学研究的一项革命性新技术。该技术可以对传统的岩石薄片进行分析,实用性高,观测精度达到亚微米级别。配合扫描电子显微镜、阴极发光、波谱、能谱分析设备,EBSD技术可以对透明和非透明的任何对称性晶体进行取向测量,快速获取晶体显微结构、微区成分与晶体学参数,可以对晶体开展形貌观察、晶体优选方向(CPO)、取向差分析、物相鉴定、应变测量、晶界分析、变形机制、位错滑移系、晶内变形、温压条件研究。结合聚焦离子束(FIB)技术,可以获取矿物的三维结构图像。对地壳的主要矿物进行组构分析,结合野外矿物变形特征与试验岩石学研究成果,可以开展地壳构造运动学、动力学的研究。本文介绍岩组学的研究历史,以及EBSD技术在地壳常见矿物石英、钾长石、斜长石、角闪石以及假熔岩构造变形研究中的最新进展与典型实例,并对EBSD研究结果中一些潜在的不确定性因素进行了讨论。     

岩石组构学研究的最新技术——电子背散射衍射(EBSD)

岩石组构分析是构造地质学研究的一项基础工作,对理解许多地质过程非常关键。岩石组构学的理论研究和测试技术手段都有很大发展,取得了许多重要成果。最近十几年来,装备在扫描电镜上的电子背散射衍射（EBSD）新技术日臻成熟,已经成为地球科学和材料科学组构分析的强有力手段。作为革命性的新技术,EBSD的量化显微构造数据在地质学研究中具有广泛的应用前景,例如相鉴定、变形机制、位错滑移系、结晶学优选方位（CPO）和变质过程研究等。本文介绍了池际尚教授在开拓我国岩石组构学教学和科学研究以及人才培养方面的重要贡献,同时阐述了EBSD的仪器组成、基本原理和应用范围及其与费氏台、X射线衍射、中子衍射和透射电镜优缺点的对比,并展示了该方法在大别-苏鲁超高压榴辉岩组构分析中的应用。     

电子背散射衍射（EBSD）技术在大陆动力学研究中的应用

电子背散射衍射（Electron backscatter diffraction,简称EBSD）技术可以快捷准确地进行物相鉴定,确定矿物晶体的晶格优选定向和多相岩石中各矿物的空间分布,使其成为定量研究岩石显微构造的理想工具。将岩石组构测量、野外地质观察与矿物的变形实验研究相结合,可以判别物质运动的剪切指向和变形的温压条件,从而进行运动学和动力学机制的分析。本文首先介绍了EBSD技术的原理和主要矿物组构的实验研究进展,然后以国土资源部大陆动力学重点实验室5年来的成果为例,总结了EBSD技术在研究大陆深俯冲和折返的动力学机制和大陆造山带动力学研究中的应用。结果表明：橄榄石和绿辉石的组构揭示了板块深俯冲阶段的组构运动学特征,而石英、斜长石和夕线石的组构可以用来研究地壳内大型韧性剪切带的变形历史,如与苏鲁超高压变质岩折返相关的韧性剪切带、龙门山逆冲剪切带、西昆仑康西瓦走滑剪切带和喜马拉雅造山带的康马拆离剪切带。因此,EBSD技术的应用有助于实现显微构造与宏观构造相结合,建立变质-变形-运动学相统一的地球动力学模型。     

电子背散射衍射技术(EBSD)在组构分析中的应用和相关问题

在过去的二十年里,EBSD（Electron Backscattered Diffraction）,即电子背散射衍射测试技术,已广泛应用于韧性组构分析,成为变形运动学、流变学分析的常规手段。该方法主要应用于流变条件下矿物晶轴组构定向性分析,以判定流变剪切指向、对比应变强度、估算变形温度。理论上讲,EBSD法适用于所有矿物的全部晶轴定向的分析测试。然而鉴于天然变形的复杂性,笔者建议EBSD分析应以石英,特别是经历了动态重结晶的石英条带为组构分析的主要对象。长期以来,石英晶轴组构的不对称性被视作独立的剪切指向标志。然而,近年来基于天然变形和一般剪切实验的研究结果表明,塑性流变的剪切指向含义应为多重流变剪切指向标志综合判别比对的结果。尽管在提出之初,石英的轴组构开角被视作独立可靠的变形温度计（Kruhl,1998）。然而限于天然变形的复杂性,特别是对变质与变形阶段的对应、耦合的认识;尽管石英变形滑移系及石英晶轴组构开角可为动力变质温度提供重要的参考,但是石英晶轴组构开角并非独立的变形温度计。     

岩石中斜长石双晶的背散射电子衍射测试与分析

斜长石双晶很常见,双晶律达10多种,但斜长石的各种双晶律在光学显微镜下不容易鉴别.基于背散射电子衍射(EBSD)技术,对产于大别山地区的3种岩石(花岗岩、闪长岩、变粒岩)中斜长石双晶进行了精确测定.3种岩石中均以卡-钠复合双晶(包括钠长石律、卡斯巴律、卡-钠复合律)为主,这种卡-钠复合双晶在光学显微镜下只表现为两个聚片...     

迁安铁矿变形岩石的EBSD组构分析

迁安铁矿是我国大型沉积变质型铁矿之一,该矿区含矿变质岩系为前寒武纪老变质岩石,时代老,变质程度深,现存岩石的内部矿物发生过多次变形、变质和重结晶等变化,宏观上表现为该区岩石矿物组构的复杂性。为了更深入、清晰地了解该区变形岩石的组构,采用电子背散射衍射(EBSD)技术对该区岩石样品做了分析,通过EBSD系统的配套软件(HKL公司开发的Channel 5),对采集数据进行处理绘制成相应磁铁矿和石英的极图,经分析后重点总结出变形岩石内部石英的组构特点,由此进一步反映出本区构造变形时主要为中温-中高温的变形温度环境,少量组构图反映叠加了中低温变形。     

岩石显微构造分析现代技术——EBSD技术及应用

EBSD技术的发展,为岩石显微构造分析开辟了一个全新的领域。它与现代扫描电子显微镜和能谱分析等设备配合,可以同时对块状样品进行晶体结构与成分分析,从而使显微构造、微区成分与结晶学数据分析有机结合起来。 EBSD技术可以精确、快速定量标定包括各种晶系晶体颗粒的晶格方位和描述晶体颗粒的边界、形态等特征,对于具有低角度边界的晶体颗粒提供精确数据,为阐述岩石变形机制提供重要约束,并为高级晶族和不透明矿物结晶学组构与变形机制研究提供了有效的手段。EBSD尤其使获取微米级甚至纳米级尺度上颗粒（亚颗粒）或相之间的定向差别（达到20 nm的空间分辨率和0.3度角度分辨率）成为可能。EBSD技术在矿物相鉴定、亚微域内的应变分析、矿物出溶作用等方面的应用,进一步证明了这一新技术在显微构造分析及相关领域的应用前景。其广泛应用必将带来岩石显微构造研究的新突破,也将成为未来岩石变形机制与岩石圈流变学研究取得飞速发展不可或缺的技术手段。     

藏南泽当地区大反向逆冲断层变形研究——以磁组构与EBSD组构分析为例

仁布-泽当逆冲断层是喜马拉雅大反向逆冲断层（GCT）在藏南地区的重要延伸部分,也是喜马拉雅造山带北部边界新生代最为活动的构造单元之一。新生代以来特提斯喜马拉雅的构造变形组构特征的研究对于深入理解碰撞造山带演化与高原隆升具有重要构造意义。本文综合GCT泽当-琼结段断层的宏观与微观变形特征,对断裂带石英脉、围岩中石英和云母矿物的电子背散射（EBSD）组构及断层两侧岩石磁组构（AMS）特征进行对比分析。结果表明对AMS主要贡献来自顺磁性云母、绿泥石等,磁化率各向异性椭球体以压扁状为主,磁面理与构造面理（劈理、断层面）基本重合,显示较强的构造变形磁组构特征;磁线理优选方向近南北向,且与观测北向逆冲断层方向一致,揭示剪切作用在变形过程中的持续作用。研究发现泽当地区GCT附近石英微观结构从围岩至断层区,石英至少呈现3种不同类型的微观变形机制：围岩区溶解蠕变、断裂带石英以膨凸重结晶和亚颗粒旋转重结晶作用为主。断裂带石英的c轴EBSD组构指示变形为低温（300~400℃）环境,其中黑云母的结晶学优选（CPO）与磁组构主轴优选方向存在高度的一致性,进一步证实了顺磁性矿物黑云母对AMS的主要贡献。综合研究表明泽当地区GCT的韧性变形是断层处在中上地壳韧性带的活动阶段变形的结果,也代表了特提斯喜马拉雅在碰撞、高原隆升期的变形主要特征。

     

胶东新城金矿床控矿构造变形环境：显微构造和EBSD组构约束

新城金矿床是典型的"焦家式"破碎带蚀变岩型金矿,矿体形态和规模都严格受到断裂破碎带控制,是探讨复杂构造-流体耦合成矿系统控矿构造变形环境研究的理想选区。断裂破碎带中构造岩既是构造变形行为的载体,也是相应变形环境的受体。论文在新城金矿详细露头构造解析的基础上,系统采集该矿床控矿断裂破碎带定向构造岩样品,进行显微构造和EBSD组构分析。研究区构造岩显微构造特征主要表现为韧性变形和脆性变形。韧性变形有波状消光、带状消光、亚晶粒、动态重结晶、核幔构造、丝带构造、碎(残)斑系、扭折带、变形纹、机械双晶、蠕英结构、云母鱼等;脆性变形有书斜构造和显微裂隙等。长石(残)斑系、扭折带、变形纹、蠕英结构和石英颗粒边界迁移动态重结晶、丝带构造等矿物变形特征表明断裂带成矿前以高温韧性变形为主;石英波状消光、亚晶粒、亚颗粒旋转和膨凸动态重结晶、方解石机械双晶、长石显微裂隙充填物等矿物变形反映成矿期兼有中低温韧性变形和脆性变形;压剪性穿晶裂隙则反映出成矿后主要是低温脆性变形。根据差应力、应变测量和EBSD组构分析,将新城金矿床控矿构造变形环境可以分为3个构造期:成矿前在NW-SE向挤压作用下发生韧-脆性左行剪切变形,600~700℃,差应力61.37~111.09MPa,应变测量轴比a/c为2.295~3.978,动态重结晶石英颗粒边界分维值为1.466~1.599,反映矿区为高温中高压高应变带变形环境,应变速率较大;成矿期为NW-SE向逐渐NEE-SWW向转变的挤压作用,发生压剪性脆性变形,200~500℃,差应力65.91~135.68MPa,应变测量轴比a/c为1.403~2.204,动态重结晶石英颗粒边界分维值为1.321~1.378,反映矿区成矿期为中低温中高压低应变带变形环境,反应速率较小;成矿后在NWW-SEE向挤压作用下发生压剪变形,150~300℃,反映低温低压脆性变形环境。     

阿尔金山喀腊大湾地区变形岩石EBSD组构分析

岩石组构是指组成岩石的矿物在岩石中分布的各向异性,EBSD(Electron Back Scattered Diffraction)岩组分析就是运用电子背散射衍射技术测定岩石结构要素——岩石中矿物分布的规律性。本文作者运用EBSD技术方法,对阿尔金山喀腊大湾地区变形岩石的组构分析显示,花岗质糜棱岩和蚀变变形花岗岩中,石英变形机制是以中温I级柱面(10-10)0001和中高温II级柱面(10-10)0001滑移为主,少量为中低温底面(0001)11-20滑移;而在变形火山岩中,石英变形机制是以中低温底面(0001)11-20滑移系为主。在区域南北向剖面分布上,接近阿尔金北缘断裂和白尖山断裂的中北部变形温度较高,向南变形温度有逐渐降低的趋势。从岩石组构特点结合宏观构造分析,可以认为本区北段属于中—中深层次(15~25km,t=350~550℃,P=0.40~0.60GPa)的韧性变形,而中南段为中浅层次(10~15km,t=250~350℃,P=0.25~0.40GPa)的韧脆性变形。结合不同变形特点花岗岩的年代学资料,确定构造变形的时代为早古生代。上述特征与区域上发育板块碰撞带,且北部发育高压榴辉岩和蓝片岩的构造部位以及该构造变形带的演化历史相吻合。     

南苏鲁高压变质带南岗—高公岛韧性剪切带特征及EBSD石英组构分析

结合地质剖面对南苏鲁高压变质带中的南岗-高公岛韧性剪切带特征进行了研究，结果表明，剪切带上部变形较弱，主要发育S—C组构及拉伸线理；剪切带中部变形较强，发育不对称褶皱、S—C组构、σ型及δ型旋转碎斑以及多米诺骨牌等；剪切带下部变形最强，糜棱质颗粒达80％-90％，并见有同斜褶皱等。EBSD组构分析结果表明，剪切带上部糜棱质石英以中温柱面组构和中低温菱面组构为特征，中、下部以低温底面组构和中低温菱面组构为主，剪切带中石英条带以中温柱面组构为主，石英组构的剪切指向以SE→NW为主，其次为NW→SE，反映本区经历了中温→中低温→低温、以逆冲韧性剪切为主并曾发生韧性滑脱的复杂变形过程。各构造层化学成分及稀土元素变化趋势不明显，可能与原岩成分有关。剪切带中黑云母、白云母的^39Ar-^40Ar同位素年龄分析表明在253．8-214．2Ma期间本区曾发生强烈的变形变质作用。     

东天山康古尔构造带红丘陵段主期构造变形温度及时代约束——来自石英EBSD组构的证据

康古尔构造带位于东天山觉罗塔格造山带北部,是构建中亚造山带晚古生代增生造山过程的关键。系统建立康古尔构造带的变形样式和变形条件,对进一步理解其构造背景和动力学机制具有重要意义。本文基于康古尔构造带红丘陵段构造解析、糜棱岩显微构造和石英c轴组构分析,厘定出2期构造变形：D1期为南北向挤压韧性剪切,变形温度为500~650℃;D2期为右行剪切,变形温度小于350℃。综合已有区域构造热年代学数据分析认为,D1期变形时间为294~280 Ma,形成于康古尔有限洋盆闭合后的中天山地块与吐哈地块南北向碰撞挤压过程,D2期右行剪切发生于276~242 Ma的后碰撞陆内缩短环境。本研究可为康古尔构造带晚古生代构造演化过程提供重要支撑。     

胶东黄铁矿显微构造变形与金富集关系：黄铁矿EBSD组构和地球化学约束

载金黄铁矿显微构造变形与金富集关系可以从显微-超显微尺度揭示金成矿作用和地质过程,探讨金的再活化或再聚集作用。在胶东焦家金矿带成矿期识别出4种类型的黄铁矿,文章应用光学显微镜、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、电子背散射衍射(EBSD)和电子探针(EMPA)等技术方法,探讨黄铁矿显微构造特征、超微观结构与金的富集关系。结果显示:载金黄铁矿均不发育环带,其中w(Fe)为45.70%～46.85%,w(S)为52.57%～53.37%;显微构造变形既有脆性变形又有塑性变形;黄铁矿晶体优选方位(CPO)主要表现为平行于晶轴极密和复杂极密;黄铁矿晶格间距为0.58 nm,主要发育刃位错。焦家金矿带在金成矿作用过程中,可见金集合体经历了从复杂的纳米尺度到宏观尺度矿物载体富集的过程,包括成矿流体中金络合物、金-铋-硫族化合物富集等化学结构变化过程和纳米金、载金黄铁矿纳米颗粒、岩矿石显微-超显微构造微环境变化过程。因此,不同类型载金黄铁矿CPO受到化学结构变化和显微-超显微变形微环境变化的联合制约,间接反映出载金黄铁矿中金的富集与黄铁矿内部变形、表面形貌和结构缺陷有密切关系。     

黏土矿物组构对水化作用影响评价

泥页岩水化过程中黏土矿物起着主要的作用,但目前还缺少相关的定量描述研究。为此,利用SEM、X-粉晶衍射技术,对采自不同地区的泥岩和板岩在干燥状态、不同浸泡时间后的微观结构和含量进行分析及研究,分析黏土矿物的组构随浸泡时间的变化过程,并定量地分析其对水化过程的影响规律,研究泥页岩的软化过程。研究认为,（1）泥页岩、板岩中影响水化过程的内在因素是蒙脱石、高岭石、绿泥石和伊利石等黏土矿物的含量;（2）黏土矿物定向排列时水化作用效果较无序排列时的明显;（3）泥页岩的水化作用是一个渐进的过程,即在水化过程中流体介质首先使表面的黏土矿物软化,产生掉块;随着时间延长,流体沿裂缝、层理面向岩石内部渗透,黏土土矿物发生膨胀;无围岩限制作用时坍塌掉块持续发生;（4）泥浆中加入一定的无机盐有助于抑制水化过程的发生;压力增加将抑制水化过程的产生;温度升高则能促进泥页岩的水化过程。     

应变软化岩体分析原理及其应用

应变软化是指应力-应变曲线中轴向应力随应变的增加而减小的现象,许多种类的岩土介质在工程扰动的作用下呈现应变软化的行为。在分析应变软化问题时,其应力-应变关系式中的切线刚度矩阵是非正定的,由此导致计算求解的困难。将岩体应变软化过程简化为一系列脆塑性过程,于是应变软化问题的求解归结为一系列脆塑性过程的分析。基于经典弹塑性力学理论,提出了应变软化过程模拟方法及其相应的有限元求解过程,编制了计算程序,研究了应变软化本构模型中不同强度弱化速率对圆形洞室围岩塑形区分布的影响,进一步分析了应变软化模型对应的隧道径向变形沿洞轴方向的分布特征,并与已有监测数据得到的分布规律进行了对比。初步的研究结果表明,应变软化模型得到的计算结果是比较合理的