組構(gòu)對(duì)花崗質(zhì)巖石流變影響的實(shí)驗(yàn)研究

劉 貴

1）中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，中國科學(xué)院計(jì)算動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100049

2）中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029

（作者電子信箱，劉貴：hairylife＠163.com）

華北克拉通減薄是近年來地學(xué)界的熱點(diǎn)問題，拆離斷層形成與地殼伸展減薄是華北克拉通巖石圈減薄的淺部響應(yīng)，而拆離斷層內(nèi)巖石的流動(dòng)及變形機(jī)制直接受控于巖石流變學(xué)狀態(tài)。對(duì)于華北克拉通地殼流變研究，流變實(shí)驗(yàn)和天然樣品流變分析多數(shù)集中在下地殼，對(duì)于與拆離斷層對(duì)應(yīng)的中上地殼流變實(shí)驗(yàn)研究比較少。目前為止，有關(guān)于地殼伸展和拆離斷層形成相關(guān)的巖石流變實(shí)驗(yàn)處于空白狀態(tài)。

中地殼巖石經(jīng)歷了變質(zhì)變形作用，發(fā)育有強(qiáng)烈的變形組構(gòu)。為了研究先存組構(gòu)對(duì)中地殼長英質(zhì)巖石流變的影響，本論文選擇華北克拉通北部遼東拆離斷層中具有變形組構(gòu)的花崗片麻巖和糜棱巖為實(shí)驗(yàn)樣品，開展了2組樣品在實(shí)驗(yàn)壓縮方向分別平行和垂直面理組構(gòu)的高溫高壓流變實(shí)驗(yàn)（共4組）。實(shí)驗(yàn)條件為溫度600～890℃，圍壓800～1 200 MPa，應(yīng)變速率1×10－4/s～2.5×10－6/s為主。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過了軸壓摩擦力扣除和因樣品變形產(chǎn)生面積變化的校正等處理，獲得了校正后的力學(xué)數(shù)據(jù)，并求取了流變參數(shù)。利用偏光顯微鏡，掃描電鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)與變形機(jī)制的研究；通過透射電鏡能譜與電子探針，分析了熔體的分布和成分特征；采用電子背散射（EBSD）分析獲取了巖石中石英C 軸組構(gòu)變化極圖。探討不同組構(gòu)方向巖石的力學(xué)參數(shù)和微觀特征以及實(shí)驗(yàn)變形對(duì)原有組構(gòu)的構(gòu)造置換作用。另外為了對(duì)比組構(gòu)的影響，還分析了在溫度650～1 000℃，壓力1 050～1 100 MPa條件下均勻樣品石英閃長巖高溫高壓流變后樣品的微觀結(jié)構(gòu)和熔體特征。為研究地殼拆離斷層帶形成與演化規(guī)律，完善拆離斷層帶形成演化和地殼伸展減薄模型提供必要的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)。論文獲得的主要進(jìn)展如下：

（1）先存組構(gòu)對(duì)花崗質(zhì)巖石的脆塑性轉(zhuǎn)化機(jī)制沒有影響。糜棱巖和花崗片麻巖樣品在600～800℃的低溫階段處于半脆性變形域；800～890℃的高溫時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃巍?/p>

在半脆性變形域，2組糜棱巖和花崗片麻巖樣品中，長石以脆性破裂為主，石英碎裂和動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用共存。在塑性變形域，長石含有晶內(nèi)微破裂，但在部分長石邊緣出現(xiàn)動(dòng)態(tài)重結(jié)晶形成的亞顆粒；石英表現(xiàn)出以亞顆?；癁橹鞯乃苄宰冃翁卣?，而且隨著溫度升高，石英亞顆?；潭仍鰪?qiáng)，石英原有細(xì)顆粒條帶逐漸被新形成的亞顆粒條帶所替代；黑云母、角閃石、綠泥石集合體拉長形成條帶，在高溫下（800℃以上）黑云母和角閃石出現(xiàn)脫水熔融，熔體邊緣發(fā)現(xiàn)有淬火形成微晶角閃石和黑云母雛晶。而均勻樣品石英閃長巖在低溫條件下（650℃）處于脆塑性轉(zhuǎn)化域，長石以脆性變形為主，而石英和黑云母以位錯(cuò)滑移為主。在850℃條件下，長石含有晶內(nèi)微破裂，發(fā)育機(jī)械雙晶，石英亞顆粒化，角閃石出現(xiàn)脫水熔融。在900～1 000℃條件下，長石機(jī)械雙晶，石英亞顆粒化，大部分角閃石和黑云母出現(xiàn)不同程度的脫水熔融。顯然，含先存組構(gòu)的花崗片麻巖、糜棱巖與均勻樣品石英閃長巖的脆塑性轉(zhuǎn)化、塑性變形溫度條件，以及主要礦物的變形機(jī)制基本相同。

（2）樣品強(qiáng)度和流變參數(shù)表明，組構(gòu)對(duì)巖石半脆性—塑性變形的力學(xué)強(qiáng)度和激活能有顯著影響，但對(duì)應(yīng)力指數(shù)影響不大，即組構(gòu)只影響巖石變形的難易程度，不影響巖石的變形機(jī)制和應(yīng)變方式。

在塑性變形階段，兩組糜棱巖給出的應(yīng)力指數(shù)平均都為3左右，兩組花崗片麻巖的應(yīng)力指數(shù)平均都在2左右。但糜棱巖在垂直面理組構(gòu)（PER）和平行面理組構(gòu)（PAR）的激活能分別為Q＝353kJ/mol和Q＝354±52kJ/mol，花崗片麻巖在垂直面理方向（PER）和平行面理方向（PAR）的激活能分別為Q＝380.0kJ/mol和Q＝246.4kJ/mol。在相同的應(yīng)變速率和溫度條件下，糜棱巖和花崗片麻巖樣品在壓縮方向垂直面理時(shí)的強(qiáng)度都比平行面理時(shí)的強(qiáng)度要高。

（3）實(shí)驗(yàn)變形組構(gòu)置換了樣品中原有組構(gòu)。糜棱巖和花崗片麻巖實(shí)驗(yàn)變形形成的石英和黑云母、角閃石、綠泥石條帶改造了樣品原有面理組構(gòu)，其中，垂直面理組構(gòu)的樣品中新形成的變形組構(gòu)通過構(gòu)造置換作用，把原有組構(gòu)徹底改造；平行面理組構(gòu)的樣品，主體繼承了原有組構(gòu)，這導(dǎo)致垂直面理組構(gòu)的樣品強(qiáng)度高于平行面理組構(gòu)的樣品。表明平行面理組構(gòu)的巖石更易于變形。在石英閃長巖高溫變形實(shí)驗(yàn)中，部分樣品內(nèi)含有定向分布的大顆粒斜長石，斜長石長軸方向與最大主應(yīng)力方向（σ1）大角度相交（接近90°），大顆粒斜長石發(fā)生機(jī)械雙晶和彎曲。樣品的這種結(jié)構(gòu)與糜棱巖和花崗片麻巖中的垂直面理組構(gòu)相類似。顯然，組構(gòu)對(duì)巖石強(qiáng)度具有顯著的控制作用。這意味著巖石組構(gòu)與最大主應(yīng)力方向大角度相交或呈垂直方向時(shí)，不利于巖石變形和拆離斷層的形成，反之均勻巖石或巖石組構(gòu)與最大主應(yīng)力方向小角度相交，有利于巖石變形，容易發(fā)育拆離斷層。

（4）實(shí)驗(yàn)變形形成的新的石英c軸定向，徹底改造了原有石英c軸組構(gòu)。EBSD 分析表明，實(shí)驗(yàn)初始樣品中，糜棱巖和花崗片麻巖石英的c軸極密區(qū)均位于Z軸附近，底面＜a＞滑移，為低溫底面滑移形成的組構(gòu)。糜棱巖高溫實(shí)驗(yàn)變形后新形成的細(xì)粒石英組構(gòu)發(fā)生了明顯變化，其中，垂直面理組構(gòu)樣品在800℃～840℃～850℃的組構(gòu)分別為底面＜a＞—柱面＜a＞—柱面＜c＞；平行面理組構(gòu)樣品在840℃～850℃～890℃的組構(gòu)分別為柱面＜a＞（菱面＜a＞）—柱面＜c＞—柱面＜c＞，基本符合中溫條件下的滑移系規(guī)律?；◢徠閹r垂直面理組構(gòu)樣品的石英組構(gòu)＜c＞軸極密區(qū)位于X 軸附近，為柱面＜c＞滑移；平行面理組構(gòu)樣品的石英組構(gòu)＜c＞軸極密區(qū)位于Z軸附近，伴有少量的X 軸極密，底面＜a＞滑移和柱面＜c＞滑移。表明垂直面理組構(gòu)的樣品石英變形改造比平行面理組構(gòu)的樣品更徹底。

（5）角閃石、黑云母脫水熔融對(duì)樣品強(qiáng)度有微弱的影響，熔體成分顯示脫水熔融為局部非均勻非平衡的部分熔融。

花崗片麻巖在840℃時(shí)和糜棱巖在840～850℃時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線中出現(xiàn)應(yīng)變軟化行為，即隨著實(shí)驗(yàn)應(yīng)變?cè)龃螅垠w含量增加，熔體對(duì)樣品變形有弱化的趨勢(shì)。

角閃石脫水形成的熔體以團(tuán)塊狀分布于角閃石礦物邊緣，黑云母脫水形成的熔體以星點(diǎn)狀或樹枝狀分布于黑云母與長石和石英顆粒邊緣，顯示出熔體的空間分布非均勻。熔體中主要氧化物含量表明熔體成分受參與熔融的礦物成分控制，其中，黑云母周圍的熔體主要來源于黑云母本身，但角閃石邊緣的熔體除了來自角閃石外，部分石英、鉀長石及鈦鐵礦等參與了熔融，顯示出非平衡部分熔融特征。