变形岩石的显微构造与岩石圈流变学

岩石圈的流变学分析和岩石构造、显微构造证据揭示出大陆岩石圈具有显著的横向和纵向上的异向性,并具有明显的非板块表现.全面开展不同温度和压力条件下变形岩石的构造与显微构造分析,正确认识岩石圈不同层次上岩石的流变学规律、流动机理及其制约因素等,将成为后板块构造研究与新的岩石圈演化理论建立的基础和主要动力.岩石流动的宏观-微观尺度问题(岩石圈结构与流变性、边界弱化效应和岩石流变学与显微构造响应等)、岩石流动的时间问题(不同时间尺度岩石的流动性、实验室模拟与天然岩石流动的协调性、浅层岩石流动变形的有效定年等)、岩石流动的制约因素(内在的成分与结构、外在的物理与化学环境)将成为岩石圈流动与岩石变形显微构造研究的重要方面.现代化实验室建设和最新实验技术、手段的利用将成为解决上述科学问题的必要条件.     

岩石变形机制与流变学研究的近期发展--显微构造、变形机制与流变学国际会议简介

结合显微构造,变形机制与流学国际会议讨论的有关为形机制与流学的几个主要方面,阐述了目前在该学科领域与研究方向上的研究现状与进展;地壳岩石脆－韧性转变变形机制,强调脆性变形机制与韧性变形机制之间的反应及由此引起的岩石强度降低;应变局部化机理与主要影响因素,应变局部化可以由是软化或硬化机制引起的。     

碳酸盐岩石变形显微构造与宏观构造关系研究

碳酸盐岩石变形组构及其优选方位的实验研究得到比较完善的发展,但应用于解释自然界复杂的地质构造变形还存在许多困难。本文将碳酸盐岩微观构造分析与宏观构造研究紧密结合,重点研究了浅层次(铜陵地区)和中-深层次(北淮阳地区)构造环境中碳酸盐岩的显微构造特征、变形行为及所揭示的宏观构造信息,为一系列地质问题的分析提供了充分的微观依据。      

大陆岩石圈流变学研究

简单介绍了流变学的概念和两种基本研究方法,基于大陆岩石圈较大洋岩石圈有更为复杂的流变特征客观事实,指出研究大陆岩石圈流变学的重要性,并提出几个主要的研究方向和领域。     

岩石圈构造变形的物理模拟实验研究现状

在介绍物理模拟实验研究方法的基础上,系统概括了常规重力模拟实验的主要进展,研究内容以及模型相似性的研究现状。其研究进展 现在驱动自动化和观察,记录,测试系统数字化;模型结构多层化和实验材料多样化;模型相似半定量化。     

大陆岩石圈构造与地球动力学

从简述大陆岩石圈与地球动力学研究的基本现状和存在的问题入手,提出了今后十年岩石圈构造研究的五个重点课题,即岩石圈的流变性、岩石圈界面的性质、软流圈、岩石圈中的薄层及波导、岩石圈构造的横向变化。同时,讨论了震源及震源环境的研究,列出了今后的重要研究课题,最后论述了深部构造与中国大地构造的关系。     

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。     

阿克塞—台湾断面显微构造研究

显微构造在阿克塞－台湾地学大断面研究中的应用揭示了该区带岩石圈上地幔、下地壳、中地壳和上地壳４个圈层中不同的显微构造特征、微观变形机制和变形的物理化学条件。通过对４个圈层中微观和宏观变形特征、变形机制的对比分析，建立起区带大陆岩石圈变形及动力学模式。     

石英显微变形机制及流变学特征研究进展

石英是组成地壳的主要矿物之一,其物理性质与地壳的变形行为及流变学属性密切相关,因此石英的显微变形机制及流变学特征研究意义重大。随着石英显微变形机制及流变学属性实验学研究的深入,我们对石英在地壳变形过程中重要作用的认识也随之提升。本文从石英结构入手,对升温过程中石英主滑移系的转换进行了总结,并且升温过程中显微变形机制也发生了改变,对流变学内涵也不同,所以分述了石英的主要变形机制,及其流变学参数;由于应变局部化为地壳变形的研究热点,并且石英对应变局部化具有一定的指示意义,所以本文对石英在应变局部化过程中的表现进行了深入讨论。考虑到地壳变形的研究过程中,石英不常作为单矿物发生变形,所以本文对多相矿物的变形表现也进行了讨论。最后我们将简单介绍一些现今主流的石英显微变形机制的研究手段。     

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。     

Structure and rheology of lithosphere in Italy and surrounding

We define the structure and rheology of the lithosphere in Italy and surrounding, combining the cellular velocity models derived from nonlinear tomographic inversion with the distribution vs. depth of hypocentres to assess the brittle properties of the Earth’s crust. We average, over cells sized 1 × 1 degree, the mechanical properties of the uppermost 60 km of the Earth, along with seismicity, grouping hypocentral depths in 4‐km intervals. For most of the cells, the earthquake energy is concentrated in the upper crust (4–12 km). For some regions, where orogenic processes occur, the release of earthquake energy is shallower and limited to the uppermost 10 km of the crust. Ambiguities in the structural models are minimized considering the hypocentral distribution, mainly to define the location of the Moho boundary, when its identification, based on shear‐wave velocities, is not straightforward.     

岩石成因与岩石圈演化思考

岩石圈内能变化导致岩石的形成和消亡。组成岩石圈的三种不同类型岩石的形成和消亡过程在岩石圈表面引起不同的大地构造效应。大洋岩石圈和大陆岩石圈的演化效应存在互补关系:前者内能升高导致岩石形成,反之岩石消亡;后者内能升高导致岩石消亡,反之岩石形成;前者造成平、剖面上均自洋中脊向外变老的岩石序列,后者造成平面上自陆核向外变新,剖面上自重熔界面向上和向下变新的岩石序列。     

岩石流变损伤本构方程

根据岩石材料的微结构机理,基于简单机械模型,通过在不可逆应变和牛顿时间所构成的空间中合理的定义广义时间、引入四阶各向异性损伤张量,建立了岩石的流变损伤本构方程。该模型能够考虑复杂应力状态下材料的响应特性,各向异性损伤及其损伤的方向特征,静水压力的影响等。发展了相应的数值分析方法,并根据泥岩三轴蠕变试验结果进行了验证。     

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.     

Critical phenomena in the rheology of partially melted rocks

Theoretical considerations and exploratory experiments indicate that most of the extreme change of large-strain “viscosities” between the solidus and the liquidus of rocks is concentrated about a non-zero rheological critical melt percentage (RCMP). Usually the RCMP is within the range of 20 ± 10 vol%. Below it, both bulk shear and segregative-compactive filter pressing are drastically slowed down, requiring strains in the solid fraction and squeezing of thin melt films. Many geological consequences of these critical phenomena may be far reaching. In particular, most of the upper-mantle low-velocity zone (LVZ), if partially melted, is likely to be stabilized somewhat below the RCMP, with runaway excesses of heat, melt and shear strain creating local excursions over the RCMP. Flow may be thus concentrated in narrow high-melt channels, within a relatively unsheared LVZ.     

Porphyroblast-matrix microstructural relationships in deformed metamorphic rocks

Most porphyroblast-matrix microstructural criteria used for inferring relative time relationships between metamorphism and deformation are equivocal. Therefore, all reasonable alternative explanations should be considered, and as many criteria as possible should be applied to a particular microstructure before an interpretation is made. Such microstructures should not be interpreted without adequate consideration of metamorphic implications, with emphasis on assemblages, rather than individual minerals.

---

Zusammenfassung Die meisten Gefügekriterien der Beziehung von Porphyroblasten und Matrix, die zur relativen Zeitbestimmung von Metamorphose und Deformation herangezogen werden, sind nicht eindeutig. Es sollten daher alle zusätzlichen Informationen berücksichtigt und alternative Abfolgen geprüft werden, ehe man aus einer Gefügeanalyse eine Altersabfolge aufstellt. Eine Deutung der Gefüge sollte nicht ohne Kenntnis der Metamorphosebedingungen gegeben werden, wobei weniger die Einzelminerale als mehr die Mineralvergesellschaftung die entscheidenden Kriterien liefern können.

---

Résumé La plupart des critères microstructuraux matrice-porphyroblastes employés pour établir l'âge relatif entre le métamorphisme et la déformation sont ambigus. C'est pourquoi il faut considérer toutes les explications possibles, et appliquer autant de critères que possible sur une microstructure particulière avant de l'interpréter. L'interprétation de ces microstructures doit tenir compte des événements métamorphiques, et, plus particulièrement, des assemblages plutôt que des minéraux individuels.

---

, , , . , , . , ; , .

     

Natural indicators of solid-body rotation in deformed rocks

Mechanically passive features with structural polarity such as faint graded beds or cross beds are apt to be the best natural gauges of two-dimensional paleo-rotation. If the primary dip direction of cross bedding is known, then the planes of bedding and cross bedding collectively record the magnitude of three-dimensional rotation. Rigid spherical inclusions fail to roll as a result of oblique superposition of pure finite strains or due to bulk rotation of lithologic units. In progressive simple shear, the rigid-body rotation of spherical or circular inclusions is generally greater than the solid-body rotation of the weak matrix, which cannot exceed 90 degrees.     

Recognizing soft-sediment structures in deformed rocks of orogens

Soft-sediment deformation structures are common on passive continental margins, in trenches at subduction zones, and in strike-slip environments. Rocks from all these tectonic environments are incorporated into orogens, where soft-sediment deformation structures should be common. However, recognizing soft-sediment structures is difficult where superimposed tectonic structures are present. In seeking characteristic features of soft-sediment deformation, it is important to separate questions that relate to physical state (lithified or unlithified) from those that address the overall kinematic style (rooted or gravity driven). One recognizable physical state is liquefaction, which produces sand that has much lower strength than interbedded mud. Hence structures which indicate that mud was stronger than adjacent sand at the time of deformation can be used as indicators of soft-sediment deformation. These include angular fragments of mud surrounded by sand, dykes of sand cutting mud, and most usefully, folded sandstone layers displaying class 3 geometry interbedded with mud layers that show class 1 geometry. All these geometries have the potential to survive overprinting by later superimposed tectonic deformation; when preserved in deformed sedimentary rocks at low metamorphic grade they are indicators of liquefaction of unlithified sediment during deformation.     

The rheology of polymineralic rocks — an approach

Deduced from empirical and theoretical work, a model is proposed for the rheology of bi- and polyphase rocks based on the rheology of the components, their volume fractions, and their geometrical distribution. The model is formulated for the common case where some minerals deform by crystall plasticity at steady state and others, stronger ones, deform in the vincinity of the brittle-ductile transition.The model results from a combination of a load-carrying framework model and a two-block model. The first model is valid for the field, where stress is mainly accommodated by interconnecting stronger phases. The second model describes the case where strain is concentrated mainly within the weaker phase. The transition-point from one partial-model to the other depends on the material properties of the minerals involved. With increasing strain, it shifts first to higher then to lower contents of weaker materials, due to an increase of contrast in competence and to the development of a mechanically induced compositional foliation. Finally, the rheology of the resulting well foliated rock is dominated by the rheology of the weakest component.

---

Zusammenfassung Basierend auf empirischen und theoretischen Arbeiten wird ein Modell für zwei- und mehrphasige Gesteine vorgestellt, mit dem die Gesamt-Rheologie als Funktion der Rheologien der einzelnen Phasen, ihren volumenmäßigen Anteilen am Gesamtgestein und ihrer geometrischen Verteilung formuliert werden kann.Das Modell entsteht durch die Verbindung zweier Teil-Modelle. Das eine nimmt ein tragendes Gerüst, aufgebaut durch härtere, vorwiegend spröd bis kataklastisch deformierende Mineralien an. Das zweite gilt für den Bereich, wo die Verformung vollständig durch weiche Komponenten aufgenommen wird.Der Übergang vom Gültigkeitsbereich des einen in denjenigen des anderen Teilmodells ist eine Funktion der Materialeigenschaften der beteiligten Mineralien. Er verlagert sich mit zunehmender Deformation zuerst in Richtung höherer, dann in Richtung niedrigerer Anteile von weicheren Komponenten, bedingt einerseits durch einen zunehmenden Kompetenzkontrast, andererseits durch die zunehmende, mechanisch bedingte Ausbildung einer Stoffbänderung. Die Rheologie des schlußendlich vollständig gebänderten Gesteins wird weitgehendst von der Rheologie der weichsten Komponente kontrolliert.

---

Résumé L'auteur, à partir de données empiriques et de travaux théoriques, présente un modèle de la rhéologie des roches biet poly-phasées, dans lequel cette propriété apparaît comme une fonction de la rhéologie de chacune des phases, des proportions en volume de celles-ci et de leurs relations géométriques. Ce modèle s'applique au cas le plus répandu dans lequel certains minéraux ont un comportement proche de la transition cassant-ductile, tandis que les autres fluent plastiquement à contrainte constante à l'intervention de processus intra-cristallins.Le modèle est la synthèse de deux modèles partiels. Le premier correspond au cas où la phase compétente forme un squelette absorbant la plus grande part de la contrainte («load-carrying framework model»). Le deuxième s'applique au cas où la déformation se concentre presque uniquement dans la phase incompétente («two bock model»). La transition d'un modèle partiel à l'autre dépend des propriétés physiques de ces deux phases. Lors d'une déformation progressive cette transition se déplace dans un premier temps vers les plus grandes teneurs en matériau moins compétent, en raison de l'accroissement de la différence de compétence. Puis elle glisse, au contraire, vers les plus petites teneurs en raison du développement d'un rubanement compositionnel d'origine mécanique. Finalement la rhéologie d'une roche ainsi entièrement rubanée est déterminée essentiellement par la rhéologie du matériau le moins compétent.

---

- , , , . . — -, , . . . — , () . . , ( ) , . () .

     

多矿物岩石流变性的有限元计算

本文利用有限元计算方法从单矿物的流变关系式来确定其组合而成的岩石整体的流变规律建互了三维不可压缩流体的粘弹性有限元模型，计算模型的骨架矿物橄榄石为立方体，填充矿物尖晶石分别取为立方体、单一球体和多个球体，模拟双矿物在三轴压缩实验条件下的蠕变变形过程。首先，本文验证了使用有限元方法数值模拟双矿物在三轴压缩实验下的蠕变变形的可行性。其次，计算研究了当填充矿物为弱矿物时几何外形对整体流变强度的影响，结果表明，填充矿物的几何外形为立方体时比球体时对整体的流变强度有更大的影响。当填充矿物体积不同时，随着填充矿物体积的增加，填充矿物对整体流变强度的影响也不断加大。最后利用三维模型得到的双矿物整体的流变强度结果，归纳出了填充矿物尖晶石占体积5％，10％，15％，20％时和骨架矿物橄榄石构成的双矿物岩石的蠕变关系式。与Tullis利用平面应变模型归纳出的双矿物经验流变关系式比较，发现Tullis的经验流变公式存在较大的误差，而本文得到的双矿物蠕变公式与理论结果更好地符合、本文结果为研究地幔多矿物岩石流变规律提供了新的途径。