先存組構(gòu)對(duì)各向異性巖石流變強(qiáng)度的影響

劉 貴 周永勝 石耀霖

1)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，中國(guó)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(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

0 引言

花崗質(zhì)巖石的流變實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識(shí)中上地殼流變結(jié)構(gòu)的主要途徑，是大陸動(dòng)力學(xué)研究的重要環(huán)節(jié)。通過對(duì)均勻結(jié)構(gòu)花崗巖樣品流變實(shí)驗(yàn)研究(Dell'Angelo et al.，1996;Schulmann et al.，1996;Bagdassarov et al.，1998)，初步建立了中上地殼的流變結(jié)構(gòu)。然而，大量野外地質(zhì)研究表明，在高應(yīng)變區(qū)，花崗巖因變形而形成的層狀結(jié)構(gòu)是地殼深部變形的主要特征。例如在上地殼，通過長(zhǎng)石的分解，形成云母條帶層(Evans，1988);在中下地殼，S－C組構(gòu)普遍存在(Lister et al.，1984;Shimamoto，1989)，形成帶狀或斑狀花崗質(zhì)片麻巖、糜棱巖(Schulmann et al.，1996)。由于花崗質(zhì)巖石中的變形層狀組構(gòu)導(dǎo)致巖石出現(xiàn)各向異性，不僅影響巖石的強(qiáng)度，而且對(duì)后期變形具有顯著控制作用。例如，Liu等(2013)對(duì)遼東半島拆離斷層內(nèi)構(gòu)造巖的研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造巖顯示中溫變形組構(gòu)被低溫變形組構(gòu)改造，結(jié)合年代學(xué)數(shù)據(jù)得出，遼東拆離斷層經(jīng)歷了2期變形，早期為中溫韌性剪切，晚期為低溫脆性－韌性轉(zhuǎn)化域的剪切變形，這表明拆離斷層形成和發(fā)育程度受中地殼巖石的流變——脆－韌性轉(zhuǎn)化變形控制。由于這2期剪切變形都發(fā)生在同一拆離斷層帶上，后期的脆－韌性變形是在已經(jīng)變形的糜棱巖基礎(chǔ)上發(fā)展的。早期糜棱巖變形組構(gòu)不僅控制了拆離斷層帶后期變形的發(fā)生與發(fā)展，而且影響了地殼伸展與減薄。

采用非均勻樣品，進(jìn)行高溫、高壓流變實(shí)驗(yàn)，是研究先存組構(gòu)對(duì)各向異性巖石流變影響的直接途徑。前人對(duì)具有層狀組構(gòu)的各向異性巖石的半脆性破裂實(shí)驗(yàn)有了初步的結(jié)果，但研究組構(gòu)對(duì)巖石流變影響的實(shí)驗(yàn)非常少(劉貴等，2013)。早期開展的層狀頁(yè)巖和云母片巖的脆性－半脆性破裂實(shí)驗(yàn)(Jaeger，1960;Donath，1961，1964，1972;Borg et al.，1966;Paterson et al.，1966;McLamore et al.，1967;McCabe et al.，1975)表明，層狀結(jié)構(gòu)對(duì)巖石破裂強(qiáng)度有顯著的影響:當(dāng)先存變形面理與最大主應(yīng)力方向的角度為45°時(shí)，巖石強(qiáng)度最小。但是，也有一些層狀巖石破裂實(shí)驗(yàn)顯示，破裂強(qiáng)度可能在與面理呈30°方向時(shí)最小(Donath，1961，1964;McLamore et al.，1967)。云母片巖半脆性流變實(shí)驗(yàn)(Gottschalk et al.，1990;Shea et al.，1992，1993)表明，不僅巖石強(qiáng)度隨云母含量的增加而減小，而且云母分布均勻程度也直接影響樣品強(qiáng)度。Ji等(2000)通過合成石英－鈣長(zhǎng)石的均勻混合體(Pc)和層狀結(jié)構(gòu)巖石的實(shí)驗(yàn)，研究了單相礦物、均勻混合體、層狀結(jié)構(gòu)巖石的強(qiáng)度特征，結(jié)果顯示，均勻混合體和層狀結(jié)構(gòu)的巖石強(qiáng)度比純的鈣長(zhǎng)石的強(qiáng)度高。Druiventak等(2011)研究了面理化橄欖巖在壓縮方向垂直于面理和平行于面理時(shí)的半脆性破裂強(qiáng)度，結(jié)果表明，部分樣品在這2個(gè)方向的巖石強(qiáng)度變化不明顯，但也有部分樣品強(qiáng)度在垂直于面理方向顯著大于平行于面理方向。沿與糜棱巖面理呈45°方向的剪切變形實(shí)驗(yàn)(Rabinowitz et al.，2012)同樣顯示，組構(gòu)對(duì)剪切變形強(qiáng)度和變形方式都有顯著影響。

這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果為分析組構(gòu)對(duì)各向異性巖石流變強(qiáng)度影響提供了很好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文重新分析和總結(jié)了云母片巖半脆性流變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(Shea et al.，1992，1993)以及合成石英－鈣長(zhǎng)石均勻混合體(Pc)和層狀結(jié)構(gòu)樣品的流變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(Ji et al.，2000)，并結(jié)合花崗片麻巖和糜棱巖半脆性－塑性流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果(劉貴等，2013;Liu et al.，2014)討論了先存組構(gòu)對(duì)各向異性巖石流變強(qiáng)度的影響。

1 組構(gòu)對(duì)云母片巖和片麻巖流變強(qiáng)度的影響

Gottschalk等(1990)、Shea等(1992，1993)采用3種云母片巖和片麻巖，開展了實(shí)驗(yàn)壓縮方向與樣品面理方向夾角分別為 0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°的半脆性流變實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，巖石強(qiáng)度受云母分布和巖石面理與壓縮軸之間的角度控制(圖1)。

在相同云母含量條件下，云母集中分布于局部條帶，壓縮軸與巖石面理在0°～15°與75°～90°方向，樣品強(qiáng)度相同，而且達(dá)到最大，在30°和60°方向，強(qiáng)度迅速降低，在45°方向強(qiáng)度最低，相當(dāng)于壓縮軸平行或垂直巖石面理方向的巖石強(qiáng)度的1/4(Gottschalk et al.，1990;Shea et al.，1992，1993)(圖1 a)。云母均勻分布但沿面理定向時(shí)，壓縮軸與巖石面理在0°～15°與75°～90°方向，樣品強(qiáng)度相同，而且達(dá)到最大，在靠近30°和60°方向，強(qiáng)度緩慢降低，在45°方向強(qiáng)度最低，相當(dāng)于壓縮軸平行或垂直巖石面理方向的巖石強(qiáng)度的2/3(圖1b)。如果云母均勻分布，樣品表現(xiàn)為形態(tài)各向同性，樣品在各方向的壓縮強(qiáng)度基本相同，而且普遍比較低(圖1c)。顯然，云母分布以及實(shí)驗(yàn)壓縮方向與樣品面理夾角都會(huì)影響樣品強(qiáng)度。

圖1 云母分布、面理與壓縮方向夾角對(duì)云母片巖破裂強(qiáng)度的影響(Shea et al.，1992，1993)Fig.1 Effect of mica distribution and angle between foliation and compression direction on the fracture strength of mica schist(after Shea et al.，1992，1993).

這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，組構(gòu)對(duì)巖石的流變強(qiáng)度影響顯著。壓縮軸與巖石面理呈45°方向的樣品強(qiáng)度往往相當(dāng)于壓縮軸平行或垂直巖石面理方向的巖石強(qiáng)度的1/4～2/3，但平行面理和垂直面理樣品的巖石強(qiáng)度是基本一致的。

2 組構(gòu)對(duì)石英－長(zhǎng)石熱壓合成樣品強(qiáng)度的影響

2.1 層狀組構(gòu)對(duì)石英－長(zhǎng)石熱壓樣品強(qiáng)度的影響

層狀構(gòu)造是所有沉積巖、變質(zhì)巖以及部分巖漿巖的重要特征，這些巖石由具有不同力學(xué)性質(zhì)的成分層構(gòu)成(嵇少丞等，2008a)，之前人們一直認(rèn)為層狀巖石的強(qiáng)度近似等于弱層強(qiáng)度。Ji等(2000)采用石英和鈣長(zhǎng)石各含50%的均勻混合體(Pc)和具有層狀結(jié)構(gòu)的合成樣品，通過高溫高壓實(shí)驗(yàn)，研究了單相礦物鈣長(zhǎng)石、均勻混合體以及最大主應(yīng)力方向垂直于石英－鈣長(zhǎng)石層(以下簡(jiǎn)稱為PER)樣品的強(qiáng)度(圖2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，石英的強(qiáng)度最高，鈣長(zhǎng)石的強(qiáng)度最低，均勻混合體和合成層狀樣品(PER)強(qiáng)度比純的鈣長(zhǎng)石的強(qiáng)度高，比石英強(qiáng)度低。用鈣長(zhǎng)石強(qiáng)度歸一化后，σpc/σAn和σper/σAn值為2～8，部分樣品強(qiáng)度之比達(dá)到20～24(圖3)。顯示出各向異性樣品的強(qiáng)度介于強(qiáng)相與弱相之間，而不是傳統(tǒng)意義上認(rèn)為的成分分層巖石的強(qiáng)度由弱層控制。

2.2 石英、長(zhǎng)石粒度對(duì)樣品強(qiáng)度的影響

圖2 礦物成分、礦物分層厚度比值(D/h)對(duì)巖石強(qiáng)度的影響(Ji et al.，2000)Fig.2 Effect of component and D/h of minerals on the strength of rocks(after Ji et al.，2000).

圖3 石英－鈣長(zhǎng)石的均勻混合體(Pc)和層狀合成樣品強(qiáng)度與鈣長(zhǎng)石強(qiáng)度之比隨溫度的變化(根據(jù)Ji et al.，2000，Xiao et al.，2002的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重新分析)Fig.3 The intensity ratio between synthetic layer and particulate quartz-anorthite composites and anorthite changes with temperature(re-analysed creep data from Ji et al.，2000，Xiao et al.，2002).

石英與鈣長(zhǎng)石層狀合成樣品中(Ji et al.，2000)，樣品直徑與成分層厚度的比值(D/h)也直接影響樣品強(qiáng)度，D/h值越大，樣品強(qiáng)度越高，其中D/h=9的樣品強(qiáng)度比D/h=3的樣品強(qiáng)度高，D/h=1的樣品強(qiáng)度比D/h=3時(shí)略低(圖2，3)。均勻混合體樣品的高溫流變實(shí)驗(yàn)顯示(Xiao et al.，2002)，不僅混合體樣品比純的鈣長(zhǎng)石強(qiáng)度高，而且其強(qiáng)度之比隨石英和鈣長(zhǎng)石比例變化，石英含量越高，其強(qiáng)度之比越大(圖3，4)。顯示出在相同溫度和應(yīng)變速率條件下，石英比鈣長(zhǎng)石強(qiáng)度大，鈣長(zhǎng)石比石英更容易變形。

這一結(jié)果與野外地質(zhì)觀察及花崗巖變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果相悖。在地殼脆－塑性轉(zhuǎn)化帶和塑性變形的糜棱巖樣品中，石英表現(xiàn)為壓扁拉長(zhǎng)、亞晶粒化、重結(jié)晶等現(xiàn)象，表明石英發(fā)生位錯(cuò)蠕變、動(dòng)態(tài)重結(jié)晶恢復(fù)，為典型的塑性變形。而長(zhǎng)石仍表現(xiàn)為半脆性變形，以相對(duì)剛性的碎斑或碎裂基質(zhì)形式出現(xiàn)于變形巖石中。在這種環(huán)境中，石英力學(xué)強(qiáng)度比長(zhǎng)石弱得多，石英容易變形，巖石的變形是由石英的塑性變形控制的。天然花崗巖變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，石英容易變形，而且如果石英含量 ＞20%，則石英控制樣品強(qiáng)度(周永勝等，2009)。

圖4 石英含量對(duì)均勻混合體樣品強(qiáng)度的影響(Xiao et al.，2002)Fig.4 Content of quartz effect on the strength of quartz-anorthite composites(after Xiao et al.，2002).

出現(xiàn)這種截然相反結(jié)果的原因是樣品粒度造成的。在野外地質(zhì)觀察和天然花崗巖樣品實(shí)驗(yàn)中，石英和長(zhǎng)石的粒度接近，或者石英粒度略小，石英與長(zhǎng)石粒度之比在0.5～1之間。而石英－鈣長(zhǎng)石組合的熱壓均勻樣品中(Ji et al.，2000;Xiao et al.，2002)，鈣長(zhǎng)石粒度非常小，為2～6μm，而石英的粒度相對(duì)于鈣長(zhǎng)石較大，為30～40μm。在該實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)樣品粒度很小，高溫下鈣長(zhǎng)石普遍為擴(kuò)散蠕變，石英可能處于擴(kuò)散蠕變與半脆性變形邊界(Ji et al.，2000)。在擴(kuò)散蠕變域，粒度對(duì)樣品強(qiáng)度有顯著影響，根據(jù)石英和長(zhǎng)石的變形機(jī)制圖(Rybacki et al.，2004;Burgmann et al.，2008)，粒度越大，強(qiáng)度越大。由于石英粒度遠(yuǎn)大于長(zhǎng)石，因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)石英強(qiáng)度顯著高于鈣長(zhǎng)石的情況(圖2)。這充分顯示出粒度的非均勻?qū)悠窂?qiáng)度有顯著影響。

3 組構(gòu)對(duì)花崗片麻巖強(qiáng)度的影響

脆性－半脆性破裂的片麻巖實(shí)驗(yàn)表明(Gottschalk et al.，1990)，破裂強(qiáng)度不僅同面理 S與壓縮方向夾角相關(guān)，而且與線理L方向相關(guān)，壓縮方向平行線理時(shí)，樣品破裂強(qiáng)度比垂直線理方向要大(Gottschalk et al.，1990)(圖5)。云母片巖、含云母片麻巖和橄欖巖為400～700℃時(shí)為脆性－半脆性破裂，其垂直于面理(PER)與平行于面理(PAR)強(qiáng)度之比(σper/σpar)大部分為0.9～1.1，表明2個(gè)方向強(qiáng)度接近，但也有部分樣品在2個(gè)方向的強(qiáng)度之比(σper/σpar)在1.2～1.3之間，顯示出垂直于面理的強(qiáng)度大于平行于面理的強(qiáng)度(圖5)。

圖5 壓縮方向垂直面理和平行面理的樣品強(qiáng)度比與溫度的關(guān)系(根據(jù)劉貴等，2013，Gottschalk et al.，1990，Druiventak et al.，2012，Shea et al.，1992 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重新整理)Fig.5 The intensity ratio between rocks with PER and PAR versus temperature(re-analysed experimental data from LIU Gui et al.，2013;Gottschalk et al.，1990;Druiventak et al.，2012;Shea et al.，1992).

為了研究組構(gòu)對(duì)花崗片麻巖變形強(qiáng)度的影響，劉貴等(2013)在溫度為600～850℃，壓力為800～1 200MPa條件下，分別開展了壓縮方向垂直和平行花崗片麻巖面理的半脆性－塑性流變實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)樣品取自塊狀花崗片麻巖，把鉆取的圓柱狀樣品拋光磨圓至直徑3mm，高度6mm，放入烘箱內(nèi)，在150℃條件下干燥48h，以脫去樣品吸附的自由水。變形實(shí)驗(yàn)采用等應(yīng)變速率加載，主要考察樣品在壓縮方向垂直于花崗片麻巖面理(PER)和平行于面理(PAR)條件下的強(qiáng)度特征。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(劉貴等，2013)，在600～700℃條件下，樣品為半脆性破裂，其壓縮方向垂直于面理的巖石強(qiáng)度與平行于面理的巖石強(qiáng)度之比(σper/σpar)為0.9～1.1，表明樣品在2個(gè)方向的強(qiáng)度接近，這與前人的結(jié)果相同(圖5)。但在800～850℃條件下，樣品為塑性流變，垂直于面理的巖石強(qiáng)度與平行于面理的巖石強(qiáng)度之比(σper/σpar)在1.1～1.8之間。即在相同的應(yīng)變速率和溫度條件下，樣品壓縮方向垂直于面理(PER)和平行于面理(PAR)的半脆性破裂強(qiáng)度基本相同，但垂直于面理方向的流變強(qiáng)度顯著高于平行于面理方向的流變強(qiáng)度(圖5)。

4 組構(gòu)對(duì)花崗質(zhì)糜棱巖強(qiáng)度的影響

與花崗片麻巖相比，花崗質(zhì)糜棱巖中的礦物粒度更細(xì)，而且面理組構(gòu)更為顯著。為了研究強(qiáng)烈韌性變形形成的面理組構(gòu)對(duì)各向異性巖石流變強(qiáng)度的影響，在溫度600～890℃，壓力1 200MPa的條件下開展了花崗質(zhì)糜棱巖半脆性－塑性流變實(shí)驗(yàn)研究，同樣考察樣品在壓縮方向垂直于糜棱巖面理和平行于面理?xiàng)l件下的強(qiáng)度特征(Liu et al.，2014)。實(shí)驗(yàn)方法與花崗片麻巖變形實(shí)驗(yàn)相同(劉貴等，2013)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(Liu et al.，2014)，在600℃條件下，樣品為半脆性破裂，其壓縮方向垂直于面理的巖石強(qiáng)度與平行于面理的巖石強(qiáng)度之比(σper/σpar)為0.9～1.1，表明樣品在2個(gè)方向的強(qiáng)度接近(圖6)。但在700～890℃條件下，樣品為塑性流變，垂直于面理的巖石強(qiáng)度與平行于面理的巖石強(qiáng)度之比(σper/σpar)在 1.2～1.4之間(圖 6)。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與花崗片麻巖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，表明在半脆性破裂域(600℃)，樣品壓縮方向垂直于面理和平行于面理的破裂強(qiáng)度基本相同;但在塑性流變域(700～890℃)，垂直于面理方向的強(qiáng)度顯著高于平行于面理方向的強(qiáng)度(圖 6)。

圖6 糜棱巖在壓縮方向垂直面理和平行面理的強(qiáng)度之比與溫度的關(guān)系Fig.6 The intensity ratio between mylonite with PER and PAR versus temperature.

5 討論

5.1 組構(gòu)對(duì)各向異性巖石強(qiáng)度影響機(jī)制及其對(duì)地殼拆離斷層形成和發(fā)育的啟示

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在半脆性破裂域，樣品壓縮方向垂直于面理和平行于面理的強(qiáng)度基本相同，在壓縮方向與面理呈30°夾角時(shí)，巖石破裂強(qiáng)度最小，這符合庫(kù)侖破裂準(zhǔn)則和斷層沿弱面摩擦滑動(dòng)規(guī)律;在塑性流變域，垂直于面理方向的強(qiáng)度顯著高于平行于面理方向，當(dāng)面理與最大主應(yīng)力方向角度為45°時(shí)，巖石強(qiáng)度最小，這與塑性滑移線場(chǎng)理論和塑性流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模型是一致的。

通過偏光顯微鏡和掃描電鏡對(duì)巖石變形微觀結(jié)構(gòu)觀察表明(劉貴等，2013;Liu et al.，2014)，巖石先存面理構(gòu)成了巖石中的力學(xué)弱面，當(dāng)該弱面與壓縮方向夾角在30°～45°時(shí)，滿足庫(kù)侖破裂或塑性滑移所需條件，應(yīng)變集中于該弱面，實(shí)驗(yàn)變形完全繼承了原有面理組構(gòu)，因此其強(qiáng)度比較低。與此相反，壓縮方向垂直面理的樣品，在實(shí)驗(yàn)變形過程形成新的變形條帶，把原有的面理破壞，這需要更多的能量和更高的應(yīng)力，因此強(qiáng)度最高;而壓縮方向平行于面理的樣品，在實(shí)驗(yàn)變形過程中形成的變形帶主體繼承了原有組構(gòu)，但局部形成新的變形帶，后期變形對(duì)原有組構(gòu)的繼承與改造作用共存，決定了巖石強(qiáng)度比較高，但小于壓縮方向垂直于面理的樣品強(qiáng)度。EBSD分析顯示(劉貴等，2013;Liu et al.，2014)，在低溫半脆性條件下，實(shí)驗(yàn)變形對(duì)石英組構(gòu)改造不顯著，但在高溫條件下，實(shí)驗(yàn)變形對(duì)石英組構(gòu)有顯著的改造作用，而且垂直于面理的樣品中石英變形改造比平行于面理的樣品更徹底。這與微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果是一致的。

在華北克拉通內(nèi)，發(fā)育大量的拆離斷層，控制了地殼伸展減薄。拆離斷層在形成和發(fā)育過程中，隨著地殼減薄，溫度降低，早期中高溫條件下形成的韌性剪切帶，被晚期低溫脆性－韌性轉(zhuǎn)化域的剪切變形疊加與改造(Liu et al.，2013)。因此，后期的脆性－韌性變形是在已經(jīng)變形的糜棱巖基礎(chǔ)上發(fā)展的，由于拆離斷層在不同深度層次上的產(chǎn)狀發(fā)生變化，后期變形與早期變形形成的糜棱巖面理就會(huì)有一定的交角。如果巖石中的先存變形組構(gòu)方向與所受到的最大主應(yīng)力的方向一致或呈小角度相交(類似于本研究中平行于巖石面理方向的壓縮實(shí)驗(yàn))，有利于拆離斷層發(fā)育;如果巖石中先存變形組構(gòu)的方向與所受到的最大主應(yīng)力方向呈大角度相交(類似于本研究中垂直于巖石面理方向的壓縮實(shí)驗(yàn))，由于礦物晶粒阻礙細(xì)顆粒的位錯(cuò)滑移，增強(qiáng)了巖石強(qiáng)度，不利于拆離斷層發(fā)育。如果先存變形組構(gòu)與拆離斷層拉伸方向交角在30°～45°范圍，最有利于拆離斷層的持續(xù)發(fā)展。

5.2 巖石中弱相礦物和強(qiáng)相礦物對(duì)強(qiáng)度的影響

為了解釋非均勻樣品的變形機(jī)制，一些研究者通過理論模型分析巖石中弱相礦物和強(qiáng)相礦物在非均勻巖石變形中所起的作用。Handy(1994)、Handy等(1999)、Dell'Angel等(1996)給出流變引起的兩相礦物端元結(jié)構(gòu)和相分布的規(guī)律:1)Load-bearing framework(LBF):當(dāng)體積大的相構(gòu)成了應(yīng)力的支撐構(gòu)架時(shí)，它就承擔(dān)了相應(yīng)大的應(yīng)變。2)Interconnected weak layer(IWL):當(dāng)弱相連續(xù)成層狀時(shí)，構(gòu)成了相對(duì)弱的層狀結(jié)構(gòu)，大部分的應(yīng)變量則集中于弱相當(dāng)中，巖石強(qiáng)度也相對(duì)地降低。云母片巖和片麻巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果(Gottschalk et al.，1990;Shea et al.，1992，1993)與該模型預(yù)測(cè)結(jié)果吻合。但石英和鈣長(zhǎng)石各含50%的層狀樣品實(shí)驗(yàn)中(Ji et al.，2000)，層狀樣品強(qiáng)度介于強(qiáng)相石英與弱相鈣長(zhǎng)石之間，而不是由弱層控制，顯示多組分層狀巖石流變的復(fù)雜性。因此，系統(tǒng)開展組構(gòu)對(duì)各向異性巖石流變影響的實(shí)驗(yàn)，是全面認(rèn)識(shí)這種復(fù)雜巖石流變最有效的方法。

在多相礦物均勻分布的巖石中，應(yīng)力在各礦物之間的分配主要取決于它們的體積分?jǐn)?shù)。如果體積分?jǐn)?shù)≥65%的礦物構(gòu)成應(yīng)力支撐構(gòu)架，其他含量少的礦物“充填”于這一構(gòu)架中“間隙”，樣品強(qiáng)度由支撐應(yīng)力的主要礦物決定(Ji et al.，2002，2004)。如果體積分?jǐn)?shù) ＜65% 的礦物構(gòu)成應(yīng)力支撐構(gòu)架，其他礦物隨機(jī)分布于其間，弱相礦物積累了更大的應(yīng)變，逐漸形成連續(xù)的弱化剪切帶;而強(qiáng)相礦物經(jīng)受較小的應(yīng)變，使原先由強(qiáng)相礦物彼此相接所構(gòu)成的應(yīng)力支撐構(gòu)架遭到破壞，導(dǎo)致巖石流動(dòng)強(qiáng)度由弱相礦物控制，造成巖石流動(dòng)強(qiáng)度大大降低，形成構(gòu)造層理弱化(嵇少丞等，2008b)。

花崗巖變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述理論分析比較吻合。在西藏二長(zhǎng)花崗巖中，含量達(dá)到70%的斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石呈自形－半自形板狀，含量為25%的石英呈半自形－他形充填在長(zhǎng)石之間，該花崗巖比含他形長(zhǎng)石的居庸關(guān)花崗巖強(qiáng)度要高得多，在700～800℃時(shí)的強(qiáng)度大于居庸關(guān)花崗巖在室溫時(shí)的強(qiáng)度(周永勝等，2009)。由斜長(zhǎng)石、石英和角閃石構(gòu)成的樣品，當(dāng)石英含量＜10%、斜長(zhǎng)石和角閃石含量接近時(shí)，斜長(zhǎng)石和角閃石共同控制了巖石的流變，石英的作用很微弱;如果石英含量很高(達(dá)到20%～40%)，則石英在變形中起主要作用(周永勝等，2009)。石英－鈣長(zhǎng)石均勻混合體實(shí)驗(yàn)(Ji et al.，2000;Xiao et al.，2002)也表明，鈣長(zhǎng)石含量在80%～90%，石英含量在10%～20%時(shí)，樣品強(qiáng)度接近于鈣長(zhǎng)石強(qiáng)度，含量 ＜20%的石英的影響有限;而石英含量在35%～50%，鈣長(zhǎng)石含量在50%～65%時(shí)，均勻混合體的強(qiáng)度最大，接近于石英的強(qiáng)度(圖2，3，4)。為了確定從巖石中強(qiáng)相支撐框架到弱相互聯(lián)的轉(zhuǎn)化中的應(yīng)變?nèi)趸途植炕?，Holyoke等(2006)開展了在800℃、1 500MPa條件下的片麻巖剪切實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在強(qiáng)相支撐的框架中，弱相的互聯(lián)引起了韌性變形的局部化和巖石強(qiáng)度的降低。應(yīng)變局部化程度隨著弱相和強(qiáng)相的比例的減小而減小，在低應(yīng)變下形成S－C組構(gòu)，在高應(yīng)變條件下形成S－C'組構(gòu)。

這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然理論預(yù)測(cè)可以解釋部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但各向異性巖石的流變比已有理論分析結(jié)果要復(fù)雜得多，而實(shí)際地質(zhì)條件下的變形比實(shí)驗(yàn)變形更為復(fù)雜。因此，需要通過更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完善理論模型，為正確認(rèn)識(shí)各向異性巖石流變強(qiáng)度和變形機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

6 結(jié)論

本文對(duì)前人給出的各向異性巖石(包括云母片巖－片麻巖、石英－鈣長(zhǎng)石均勻混合體與層狀組構(gòu)樣品)半脆性－塑性流變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新整理與分析，結(jié)合作者近年來開展的不同組構(gòu)條件下花崗片麻巖與糜棱巖流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論了先存組構(gòu)對(duì)各向異性巖石流變強(qiáng)度的影響。得出以下認(rèn)識(shí):

(1)各向異性巖石的面理與最大主應(yīng)力方向的夾角是影響強(qiáng)度的主要因素。在半脆性破裂域，樣品壓縮方向垂直于面理和平行于面理的強(qiáng)度基本相同，在壓縮方向與面理呈30°夾角時(shí)，巖石破裂強(qiáng)度最小;在塑性流變域，垂直于面理方向的強(qiáng)度顯著高于平行于面理方向，當(dāng)面理與最大主應(yīng)力方向的角度為45°時(shí)，巖石強(qiáng)度最小。后期變形對(duì)原有組構(gòu)的繼承與改造程度，決定了各向異性巖石強(qiáng)度高低。

(2)樣品中礦物的含量、分布與粒度對(duì)各向異性巖石強(qiáng)度有顯著影響。弱相礦物(如云母)含量高或集中分布或呈局部條帶，對(duì)樣品強(qiáng)度具有弱化作用。在石英－鈣長(zhǎng)石合成的均勻樣品和含層狀結(jié)構(gòu)樣品中，石英強(qiáng)度顯著高于鈣長(zhǎng)石強(qiáng)度，這與實(shí)際的野外地質(zhì)或采用粒度接近的天然花崗巖樣品所得的流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同。這是因?yàn)樵诤铣蓸悠分?，石英粒度遠(yuǎn)大于長(zhǎng)石粒度，而且石英和鈣長(zhǎng)石都處于強(qiáng)度與粒度正相關(guān)的擴(kuò)散蠕變域。

(3)花崗片麻巖、糜棱巖的半脆性－塑性流變實(shí)驗(yàn)表明，在塑性變形域，壓縮方向垂直于面理的樣品強(qiáng)度顯著高于平行于面理的樣品強(qiáng)度。微觀結(jié)構(gòu)和EBSD分析表明，壓縮方向垂直于面理的樣品，在實(shí)驗(yàn)變形過程中形成新的變形條帶，把原有的面理破壞;壓縮方向平行于面理的樣品，在實(shí)驗(yàn)變形過程中形成的變形帶主體繼承了原有組構(gòu)，但局部形成新的變形帶，后期變形對(duì)原有組構(gòu)的繼承與改造作用共存。

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