红河断裂韧性剪切带内纳米颗粒的形态及其构造意义

纳米颗粒被发现广泛发育于韧性剪切带内,其发育特征与断层的剪切活动密切相关.为了解红河断裂韧性剪切带内纳米颗粒的发育特征,探讨其形成规律及与红河断裂活动性的关系,我们在不同的区段3次穿越红河韧性剪切带,采集了韧性剪切带内糜棱岩、片麻岩和片岩等近百块样品进行扫描电镜（SEM）的观察,通过对纳米颗粒的统计和分析,在样品中发现了具球粒状形貌特征的纳米单体,这些单体呈分散状分布于岩石表面,同时还发现了多达12种纳米颗粒聚集体,不同的聚集体在形貌特征以及发育阶段上都有着明显的差异,反映了红河断裂带剪切活动过程中不同位置经历不同的构造应力、温度和压力条件.      

海南岛小妹韧性剪切带纳米颗粒发育阶段及形成机制

为了探讨韧性剪切带中纳米颗粒的发育过程和形成机制,进而厘定纳米颗粒对韧性剪切带形成过程和应力机制的指示作用,选取了在小妹韧性剪切带里发育的3种岩石样品（花岗岩、花岗质片麻岩和石英片岩）,在扫描电镜下观察其中的纳米颗粒结构及纳米颗粒的聚集形态.观察结果表明:存在2种基本形态——球形的粒状和长条形的柱状,粒状纳米粒子（纳米粒）在3种岩石中都广泛发育,而柱状纳米颗粒（纳米棒）则在花岗质片麻岩中最发育.对纳米颗粒聚集形态研究,可将发育阶段分为:粒化阶段-异化阶段-成层堆积阶段.再次活动时,首先是经过活化阶段,形成复体颗粒,然后再重复上述阶段.结合纳米颗粒形态变化过程,其形成机制可能为脆-韧性变形.      

华南武功山地区韧性剪切带的纳米尺度测量研究

在华南加里东造山带中段区域构造调查和中法合作研究的基础上, 对武功山地区从新元古代到中生代的韧性板劈理带、逆冲断层带、挤压片理带和拉伸构造带等多种构造类型的变形带, 就其超微观纳米粒子结构和动力薄膜进行了扫描电镜(SEM) 测量和新的探讨。 上述4类韧性剪切带的表层高应变域ab、ac组构面上均发现纳米粒子, 颗粒直径一般为50~90nm, 并因研磨滚动而形成磨粒(grinding grains)。 由纳米粒、纳米线和纳米层构成一套纳米微线理、面理和组构系统, 与宏观的线理和面理平行一致, 还可见到完好的超微SC面理和优选方位的纳米级应力矿物。 韧性剪切的所谓静态摩擦, 实际上是纳米界限层以微弱摩擦力推进滑移量(slippage)形成的平滑运动, 这种平滑运动是纳米级单体和复体磨粒滚动滑移所致。 本文从上述几方面揭示了韧性剪切带中纳米粒子存在的普遍性; 纳米结构与显微构造的可比性; 韧性剪切滑移机理的特殊性。 最后, 以区内韧性剪切带在地壳浅构造位异常发育的特点, 从一个方面讨论华南加里东构造带在系统动力学行为上的时间滞后性。     

断裂剪切带中的纳米结构与成矿作用

纳米科学已涉及从信息学到地学的各个领域,成为这个时代一个标志性的关键词。近十多年来,国内外的纳米地学 研究,在实践、理论和实验等诸方面都取得了迅速的进展。该文运用4F (Fact, Formation, Function and Formulation,即事实观 察、形成机理、功效作用和计算模拟)研究方法,利用扫描电子显微镜（SEM） 和透射电子显微镜（TEM） 对断裂剪切带中 的纳米结构与成矿作用进行了样品观察和综合分析。首先,作者表述了岩石剪切面上广泛分布的剪切薄壳（膜） 的形成、 发育和组成,一般脆性剪切的薄壳厚度（h,毫米-厘米级） 要比韧性的剪切薄膜（忽米-毫米级） 厚,前者是由动态摩擦 粘滑滑移引起的,而后者则是由静态蠕滑滑移造成的,且两者均是由纳米矿物和纳米结构组成的。随之,作者集中探讨了 作为研究主体的剪切薄壳（膜） 中纳米结构的应变变形和生成演化,它们既具有弹性又有粘性的变形特征而不是单一的力 学属性。纳米结构的生成-发育-演化,可依剪切变形过程划分为强化(硬化)-弱化（软化） -脆化(退化)三个变形应变阶 段,和相应的纳米涂层-纳米弱化-纳米层裂三种类型纳米作用：（1） 纳米涂层是一种最基本的纳米作用,在成熟的断裂 剪切(带)中,只要有滑移摩擦存在,就会有纳米结构。这种作用能引起有序的纳米结构和定向结构,包括单体纳米颗粒 （通常直径d= 40~80 nm） -复体纳米颗粒-多重复体纳米颗粒;纳米粒-纳米线-纳米层;纳米颗粒粒化-异化-再生 等。（2） 纳米弱化作用是由颗粒粒度减小,瞬时温热,叶理发育和弱势矿物等所致,并可细分为滑动纳米弱化、流变纳米 弱化和动力纳米弱化三种类别。（3） 纳米层裂作用是一种由动力热作用到静力冷作用诱发的剥离作用,通常沿着纳米结构 的劈理面、解理和滑移面开裂。进而,以江西省的金山金矿和广丰滑石矿为例讨论了纳米结构与成矿关系：（1） 含金糜棱 岩发育过程中的纳米涂层作用成岩,纳米弱化作用成矿和纳米层裂作用形成面理的三个阶段。其重要的是纳米弱化作用期 间超糜棱岩的温度能够达到纳米金物质的熔点327 ℃,并在流变滑移过程中产生集中颗粒型（d=15~35 nm） 和分散颗粒型 （d=4~8 nm） 的金颗粒;（2） 滑石矿中高应变反映的纳米结构和纳米作用尤为强烈,具有局部熔融流变,纳米弱化作用阶段 的纳米次分层作用非常发育,沿（001） 面滑移的叶理厚度仅10~15 nm,且纳米层裂作用更是造成开放性的剥离、裂理作 用。上述的研讨,揭示了实质上至少一维的“纳米小疙瘩（nano-orange） 在地球物质中无处不在”。这场地学变革-- “纳 米科学与技术是地球科学的下一次革命（Hochell, 2000）”--大幕才刚刚开启,就促使科研工作者对一些地质现象重新认 识,也激发大家去开发“纳米小疙瘩”在地球物质中的“新奇”功效。     

轴对称单轴压缩岩石材料应变局部化剪切带数值模拟研究

利用FLAC3D数值软件中的应变硬化—软化本构模型,模拟轴对称单轴压缩条件下岩石试件应变局部化剪切带的形成过程,同时对不同端面效应下长径比效应对应变局部化剪切带的影响进行分析。结果表明,岩石试件的应变局部化剪切带的启动、发展到最终形成是一个渐进的演化过程。端面效应和长径比效应均影响应变局部化剪切带的形状和岩石强度。光滑边界应变局部化剪切带形成于试件上下端面,摩擦边界形成于试件中部区域,且摩擦边界时试件的峰值强度高于光滑边界,峰值强度后的软化阶段陡峭于光滑边界。随着岩石试件长径比的增加,岩石的峰值强度在逐步降低,达到峰值强度所需的时步却呈增加的趋势。这一研究成果有助于加深理解岩石破坏过程。     

断裂岩石蠕剪中的细观接触损伤试验研究

为深刻理解构成断裂岩体长期抗剪强度的细观机制,对岩石断裂面的细观接触和损伤演化进行了试验研究。采用压剪方式和巴西劈裂方式制作出两类断裂岩石,在恒定法向力作用下对破坏岩石试件进行分级施加剪切力的蠕变试验。在加载前、中、后对断裂岩石分别进行CT和激光扫描,观察到不同蠕变阶段断裂岩石的细观接触和损伤状态,获得不同性质的断裂岩石抗剪强度特征。试验研究表明：构成断裂岩石长期抗剪强度的机制主要有两个：一是细观凹凸啮合体的抗剪断能力;二是表观凹凸接触体的抗摩擦能力。拉破裂岩石表面局部粗糙度相对较大,抗剪强度以第1种破坏机制为主,剪切破坏岩石表面宏观起伏度较大,抗剪强度是以第2种破坏机制为主。在蠕变剪切过程中,两种机制交织在一起,并随时间或剪位移的增加而相互转换。     

断裂岩岩石磁学研究进展

断裂岩的岩石磁学研究可以揭示地震断裂作用的物理和化学环境,对于探讨地震断裂作用机制具有重要作用。本文在断裂岩岩石磁学最新文献的基础上,结合笔者及所在研究团队在龙门山断裂带获得的研究成果,综述了断裂岩的岩石磁学研究进展。大量研究发现断层泥和假玄武玻璃通常具有磁化率值或剩磁强度异常特征。顺磁性矿物在摩擦热或流体作用下形成新的铁磁性矿物是断层泥和假玄武玻璃高磁化率值或高剩磁强度的主要原因;地震断裂摩擦熔融作用中形成的单质铁是假玄武玻璃中高磁化率值或高剩磁强度异常的另一个重要原因。蠕滑断裂和出露于浅地表的断裂带中可见一些具有低磁化率值异常的断层泥,原因可能是流体作用或断裂带未经历高温摩擦热。断裂岩的岩石磁学研究为地震断裂带的应力应变、形成温度、摩擦热效应、流体作用、形成深度和氧化还原特征等提供了重要信息,可用于分析地震断裂的孕震和发震环境。综合岩石磁学测试和微米至纳米尺度的超显微学研究,并辅助地震断裂岩的摩擦实验、高温热模拟实验等研究可以更好地获得断裂岩的岩石磁学信息。     

基于无网格法的含缺陷岩石变形局部化数值模拟研究

利用自主开发的基于无网格法的岩石力学计算分析程序,采用Mohr-Coulomb破坏准则,考虑材料塑性屈服后的软化特性,研究单轴压缩条件下含一个缺陷的岩石试样的变形特性,探讨含缺陷材料的岩石变形局部化的演化规律。计算结果表明,岩石试件的破坏是一个渐进破坏的过程;加载过程中试件中的缺陷弱粒子首先出现粒子破坏并产生声发射,随加载进行试件产生微裂隙并扩张形成一个变形局部化带,局部化带扩张、发展,最终形成一个明显的剪切破坏带,缺陷粒子对试件的破坏起到了控制作用。岩石的声发射记录了岩石材料的塑性破坏过程,岩石试件的剪切破坏带与塑性区的发展具有非常类似的规律,但塑性区面积要大于剪切破坏带,从所处位置来看剪切破坏带位于塑性区之内,通过研究声发射特征信息发现变形局部化发生在应力-加载步（应变）达到峰值强度前。     

非规则砂岩节理剪切变形本构关系试验研究

岩石节理剪切变形对岩体工程的安全性和稳定性具有重要影响。为研究常法向应力下岩石节理剪切变形本构关系,采用RDS-200型岩石直剪仪对非规则砂岩节理进行了不同法向应力下的直剪试验。根据岩石节理剪切应力?位移全程曲线形状特征,将其依次划分为峰前压密阶段、线性阶段、屈服阶段和峰后软化阶段;根据剪切应力在峰后软化阶段降低幅度和速率大小,将岩石节理剪切应力?位移曲线划分为3种类型：峰后平台型、峰后缓降型和峰后跌落型。基于岩石节理剪切应力?位移曲线各阶段剪切变形特征,采用分段函数建立了岩石节理剪切变形本构模型。与其他模型相比,新提出的岩石节理剪切变形本构模型对试验数据拟合精度更高,更好地描述了岩石节理剪切应力?位移全程曲线。另外,在通过岩石节理直剪试验由经验公式确定模型参数之后,所提出本构模型可在不同法向应力下实现对不同粗糙度岩石节理剪切应力?位移曲线的预测。研究结果对岩石节理剪切变形的数值模拟和工程估计具有一定的实用价值。     

鲁西地区韧性剪切带岩石磁组构分析及其构造意义

岩石磁组构分析可用来研究岩石的组构特征及构造变形。鲁西地区韧性剪切带岩石磁组构具有磁各异性度Ｐ和磁百分率各向异性值Ｈ高、磁化率量值椭球呈压扁状、磁面理发育而磁线理不发育的特点。区内韧性剪切带变形强烈,以压扁作用为主,最大主压应力方向近ＮＥ和Ｓ－Ｎ向,以右旋运动为主。韧性剪切带形成以后,区内主要经历了热蚀变和脆性变形,韧性变形很弱     

Microstructural study of a natural slip zone: quantification and deformation history

Microstructure of a natural slip zone was comprehensively examined using a combination of images captured systematically by optical microscopy (OPM) and backscattered electron microscopy (BEM) techniques. Microstructural features identified on these images were processed and evaluated using an advanced image analysis system, which proved that quantitative analyses could considerably enhance the understanding of shear behavior of slip zones. It was found that variations of porosity, abundance of platy clay particles and alignments of particles are significant indicators revealing nature of deformation processes. These indicators show that global mechanical behavior of the investigated slip zone can be conceptualized as that of normally consolidated clayey soils under drained conditions.

The geometric patterns of the microstructure of the slip zone are similar to the S–C fabrics seen in tectonic shear zones. It is suggested that combined progressive bulk simple shear and pure shear modes enable to realistically reconstruct the kinematic history of the slip zone, through which particle movements and microstructural evolution were accomplished via various types of particulate flows. The results of this study show that clay mineralogy plays a more important role in the development of the slip zone than abundance of clay-size particles, while both clay mineralogy and relative proportions of each particle size fraction control the response of particles to shear deformation. Among the fractions present in the slip zone, fine silts are the strongest indicator of global shear stress characterized by their highest degree of alignment, whereas clay particles are the weakest. Highest degree of shape preferred orientation is also found within fine silt domains.     

Development of conjugate shear bands during bulk simple shearing

In rocks possessing a strong planar fabric, shear bands of constant shear sense and oriented at an oblique angle to the foliation are considered by many authors to be characteristic of a non-coaxial bulk deformation history, whereas conjugate shear bands are considered to indicate coaxial shortening. However, in two areas where bulk deformation history appears to be non-coaxial (Cap Corse, Corsica and Ile de Groix, Brittany), conjugate shear bands are observed. In order to investigate this problem, experiments were performed by bulk simple shearing using Plasticine as a rock analogue. When slip between layers of the model is permitted, shear bands of normal-fault geometry form with both the same and opposite shear sense as the bulk simple shearing at approximately the same angle with the layering (40°) irrespective of layer orientation in the undeformed state (for initial orientations of 50, 30 and 15°). Shear bands are initially formed within individual layers and may propagate across layer interfaces when further movement along these is inhibited. The existence of conjugate shear bands in Corsica and Ile de Groix is therefore not incompatible with a model of bulk simple shearing for these two regions. In field studies, one should perhaps exercise care in using shear bands to determine the kind of motion or the sense of bulk shearing.     

陕西陇县深变质岩区两类韧性剪切带的确定及地质意义

依据糜棱面理产状、剪切褶皱（鞘褶皱）形态、拉伸线理空间位志、构造岩及剪切变质作用等特征的对比研究，确定陇县深变质岩区存在两种不同类型的韧性剪切带，即韧性推覆剪切带和韧性平移剪切带。结合区域地质构造的研究，认为韧性推覆剪切带形成于加里东晚期，与这一时期碰撞造山作用有关，而韧性平移剪切带则是印支期造山带内右行走滑作用的结果。     

珠江口地区岩土层工程地质特征及物理力学性质研究

基于港珠澳大桥、深中通道、虎门大桥等工程的精细化勘察成果,分析了珠江口地区岩土层地质特性,区内岩土层可划分为淤泥质软土层、黏土粉质黏土层、中粗砂层、残积土层、不同程度风化基岩共5大层,结合区内水动力环境、沉积物类型、钻孔对比及地质剖面,将研究区划分为河口砂质沉积区、潮流型泥质沉积区、泥砂混合沉积区、浅海泥砂混合沉积区等4类。珠江口地区岩土层的物性参数特征研究表明,随着深度增大,岩土层含水率降低,快剪黏聚力增大,压缩系数减小,压缩模量增大;原状土十字板抗剪强度C_u与软土含水率w呈幂函数相关,与压缩模量E_s、快剪黏聚力c呈线性正相关;孔压静力触探试验比贯入阻力p_s与含水率w呈对数相关,与压缩系数a_1?2呈幂函数相关,与黏性土、砂类土的快剪黏聚力c呈线性正相关,得到的经验公式可为珠江口地区类似场地工程建设提供参考。     

江西九瑞矿集区硅质断裂磨砾岩带的厘定及其成岩成矿意义

在九瑞矿集区研究叠合断裂和叠加成矿作用的基础上,我们进一步详细研究了出露在洋鸡山-丁家山-望夫山一线的硅质角砾岩,指出它们不是原先认为的石炭系沉积硅质岩,而应属于一种断裂磨砾岩,并深入探究其形成过程及与成矿之关系.断裂磨砾岩是断裂分带结构成熟的标志之一,多在剪切作用和热液作用下,断裂岩石经硅化-破裂-碎裂-粉碎-研磨,形成具有一定圆度和球度,大小差异较大的磨砾或磨粒,且又会反复的集结-破碎,不断拓宽断裂构造形成磨砾-角砾岩带.本文研究的断裂磨砾岩,呈北东向展布,延长达十几千米.成分上以硅化角砾岩为主,SiO2含量一般大于90％,石英颗粒由隐晶到显晶.一些角砾岩中含Fe2O3较高,有可能是原先的硫化物经氧化形成的褐铁矿.本区洋鸡山-丁家山-望夫山一线产出的断裂磨砾-角砾岩带,很可能是燕山期构造-岩浆-成矿事件的产物.在城门山和武山铜矿,我们之前的工作己发现存在产于泥盆系五通组和石炭系黄龙组层滑构造体系中的黄铁矿角砾岩,则有可能属于海西期同生断裂活动的产物.因此,这些不同的角砾岩具有多阶段活动和叠加成矿的特征.本文还进一步指出,九瑞地区其他层位(如泥盆系与志留系之间、志留系与奥陶系之间)发育的层滑构造体系和断裂角砾岩及热液蚀变岩,也很可能是成矿有利部位,值得今后找矿工作的关注.     

塔北哈拉哈塘地区剪切断裂系统构造特征及其对油气分布的控制

塔北哈拉哈塘地区发育多组北东、北西向主干断裂组成的剪切断裂系统, 本文在剪切断裂地球物理识别的基础上, 分析了研究区内剪切断裂系统构造特征及其对油气分布的控制.研究区内剪切断裂发育9种典型构造样式.平面上, 整体为共轭剪切断裂, 分支断裂延伸较短, 与主干断裂呈小角度相交; 单条剪切断裂带具有一定的分段性, 不同部位具有不同的构造样式和平面组合.纵向上, 哈拉哈塘地区剪切断裂系统具有分层变形的特征, 可以划分为下、中、上3个构造层.下构造层为寒武系-奥陶系, 为纯剪作用下形成的共轭剪切断裂系统; 中构造层为志留系-二叠系, 为受下构造层控制的张剪作用下形成的断裂; 上构造层为三叠系及其以上地层, 为受中下构造层控制的张剪作用下形成的雁列式分布的正断层.这种分层变形特征主要受控于区域古构造应力场的变化.哈拉哈塘地区剪切断裂系统的构造特征决定了该区油气分布具有"多层系含油、沿断裂富集"的特征.     

Fractal distribution of particle size in carbonate cataclastic rocks from the core of a regional strike-slip fault zone

We present particle size data from 31 samples of carbonate cataclastic rocks collected across the 26 m thick fault core of the Mattinata Fault in the foreland of the Southern Apennines, Italy. Particle size distributions of incoherent samples were determined by a sieving-and-weighting technique. The number of weight-equivalent spherical particles by size is well fitted by a power-law function on a log–log space. Fractal dimensions (D) of particle size distributions are in the 2.091–2.932 range and cluster around the value of 2.5. High D-values pertain to gouge in shear bands reworking the bulk cataclastic rocks of the fault core. Low D-values characterise immature cataclastic breccias. Intermediate D-values are typical of the bulk fault core. Analysis of the ratio between corresponding equivalent particle numbers from differently evolved cataclastic rocks indicates that the development of particle size distributions with D>2.6–2.7 occurred by a preferential relative increase of fine particles rather than a selective decrement of coarse particles. This preferentially occurred in shear bands where intense comminution enhanced by slip localisation progressed by rolling of coarse particles whose consequent smoothing produced a large number of fine particles. Our data suggest that during the progression of cataclasis, the fragmentation mode changed from the Allègre et al.'s [Nature 297 (1982) 47] “pillar of strength” mechanism in the early evolutionary stages, to the Sammis et al.'s [Pure and Applied Geophysics 125 (1987) 777] “constrained comminution” mechanism in the subsequent stages of cataclasis. Eventually, localised shear bands developed mainly by abrasion of coarse particles.     

地震勘探方法在赵官井田岩浆岩解释中的应用

赵官井田位于山东省的西北部,该区岩浆岩较发育,有三层岩浆岩呈岩床状侵入到煤系地层中。下层岩浆岩一般位于10煤以下,但在井田局部区域,也会上冲至10煤层,甚至达到7煤层,造成冲断条带两侧煤层底板形态发生剧烈变化,10煤或7煤直接吞蚀。依据赵官井田岩浆岩的发育规律及煤岩性特征,利用三维地震勘探方法查明了井田内三层岩浆岩的赋存状态,尤其对下层岩浆侵入形态以及对煤层的影响进行了解释,否定了以往地质资料中因岩浆侵入煤层而误解释为多条逆断层的存在。赵官庄井田三维地震勘探实例表明,岩浆岩冲断煤层在时间剖面上具有典型的响应特征,并指出下层岩浆岩的上冲的影响井田浅部煤层开采的一个重要地质因素。     

The motion of sediment-water mixtures during intense bedload transport: computer simulations

A new model, which couples fluid and particle dynamics, has been developed to study the motion of the sediment-water mixture during intense bedload transport, including the velocity profiles of both sediment and water, the roughness length of an upper plane bed and the thickness of moving sediment layers. Standard mixing length theory is used to model the motion of water above the boundary between the overlying water and the sediment-water mixture. The turbulent flow within the moving sediment layers is described by a shear stress model, in which the effective viscosity of the flowing water is proportional to the velocity difference between the fluid and the sediment. The particle dynamics method, in which the equations of motion of each of many particles are solved directly, is applied to model the movement of sediment particles. The particle-fluid interaction is expressed by a velocity-squared fluid drag force exerted on each sediment particle. Both computer simulation results and theoretical analysis have shown that the velocities of both sediment and fluid during intense sediment transport decrease exponentially with depth in the top layers of a fast-moving sediment—water mixture. The thickness of the moving sediment layers, obtained from the computer simulation results, is proportional to the shear stress, which agrees with previous experimental observations.     

红河-哀牢山剪切带角闪岩中角闪石变形特征及地震波各向异性

角闪岩作为中下地壳的重要物质组成,其岩石和矿物的变形行为及力学强度表现直接制约着中下地壳力学属性与状态,因此开展对其中重要组成矿物角闪石的变形行为和地震波各向异性研究,具有重要地质意义.以红河-哀牢山剪切带中出露的变形角闪岩中角闪石为研究对象,其中显微构造分析表明,变形角闪岩分别呈现出粗、中粒条带状糜棱岩和细粒条带状超糜棱岩.分别对这3种变形岩石中的角闪石矿物颗粒进行了EBSD晶格优选定向分析和地震波各向异性计算,结果表明3种变形角闪岩中的角闪石呈现出不同取向及典型晶质塑性变形特征,(100)[001]主要滑移系发育,同时发育不同程度的(010)[001]和(110)[001]次级滑移系.我们认为在剪切变形过程中,角闪石双晶滑移和解理面滑移共同作用致使角闪石细粒化.从粗粒到细粒条带状角闪石,随着角闪石颗粒粒度减小,角闪石中AV_p也有逐渐变小的趋势,表明角闪石变形行为、形态优选定向及晶格优选定向共同影响着地震波各向异性.