礦物中常見的變形顯微構(gòu)造及其在地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用

■丁慶峰

（廣東省水文地質(zhì)大隊　廣東　廣州　510510）

礦物中常見的變形顯微構(gòu)造及其在地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用

■丁慶峰

（廣東省水文地質(zhì)大隊廣東廣州510510）

巖石在壓應(yīng)力作用下會發(fā)生變形，從而在巖石礦物中長生各種顯微構(gòu)造，這些顯微構(gòu)造記錄了當(dāng)時所處的變形環(huán)境。應(yīng)用顯微構(gòu)造來解決實際的地質(zhì)問題已越來越廣泛,特別是在變形的運動學(xué)和動力學(xué)分析、變形溫度條件的推斷以及變形歷史恢復(fù)等方面已取得了很大的進(jìn)展。

顯微構(gòu)造構(gòu)造巖石

構(gòu)造巖石學(xué)是奧地利科學(xué)家桑德爾（Sander）,創(chuàng)立的一門學(xué)科。他認(rèn)為巖石中的面狀和線狀組構(gòu)具有對稱性，這種對稱性反映了形成組構(gòu)時運動的對稱性,可用巖組圖進(jìn)行描述。我國構(gòu)造巖石學(xué)的發(fā)展開始于20世紀(jì)30年代。從20世紀(jì)70年代中期開始,隨著地質(zhì)工作的發(fā)展和國際交往的帶動,構(gòu)造地質(zhì)學(xué)在我國得到較快速的發(fā)展。

1　巖石的力學(xué)行為及影響因素

巖石受到應(yīng)力的作用就會發(fā)生位移和變形，巖石變形是一種重要的構(gòu)造現(xiàn)象，是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究的主要內(nèi)容。當(dāng)巖石表面受到的作用力較小，且作用時間短時,巖石變形不明顯；而當(dāng)作用力較大且作用時間較長時,巖石就會發(fā)生永久變形,當(dāng)作用力超過巖石的破碎強(qiáng)度時,就會發(fā)生以斷裂作用為主的變形。巖石在應(yīng)力作用下，所表現(xiàn)出來的力學(xué)行為主要有：彈性變形、塑性變形、脆性變形、韌性變形和蠕變。

巖石的變形受多種因素的影響，在相同的環(huán)境下，不同的巖石就會有不同的變形特征；在不同的環(huán)境下，同一種巖石也會有不同的變形特征（如圖1、2）。影響巖石變形的因素主要有：外部因素①圍壓：圍壓對巖石變形有重要影響，在地殼淺部的巖石多處于脆性狀態(tài)，而地殼深部的巖石多處于韌性狀態(tài)。增大圍壓會提高巖石的強(qiáng)度，當(dāng)圍壓達(dá)到一定強(qiáng)度時，巖石變形會有脆性過渡到韌性。②溫度：一般地講，溫度升高會降低巖石的強(qiáng)度，促使其由脆性向韌性過渡。這主要是因為溫度升高，會增加巖石或礦物內(nèi)部的激活能，降低各組成部分或質(zhì)點之間的內(nèi)聚力，使巖石和礦物易于變形。③流體：流體對巖石變形的影響主要表現(xiàn)在均衡傳遞空隙壓力，從而使巖石強(qiáng)度降低；作為溶劑能促進(jìn)物質(zhì)的溶解和位移，從而改變巖村的結(jié)構(gòu)及成分，利于變形；深部流體或熔體引起礦物顆粒邊界弱化，致使巖石流變強(qiáng)度和有效粘度迅速降低，并導(dǎo)致變形機(jī)制從位錯蠕變向擴(kuò)散蠕變轉(zhuǎn)化；④應(yīng)變速率：應(yīng)變速率快，巖石中的質(zhì)點來不及重新排列，多顯示脆性行為；應(yīng)變速率慢，巖石的強(qiáng)度就會相應(yīng)降低，也較易產(chǎn)生韌性變形。內(nèi)部因素①巖石的成分及結(jié)構(gòu)構(gòu)造：組成巖石的礦物種類、顆粒大小、顆粒間的聯(lián)結(jié)及膠結(jié)情況等結(jié)構(gòu)構(gòu)造因素對巖石的力學(xué)性質(zhì)及變形行為有著直接的影響。具有相同的化學(xué)成分和礦物成分的巖石其顆粒大小等結(jié)構(gòu)不同，變形方式也不同。巖石中礦物的定向性及排列方式、原生層理及各種次生面理的發(fā)育等可導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈的各向異件，從而影響巖也的變形。②巖石的孔隙度與含水量：巖石在變形時，尤其是有圍壓作用時，巖石孔隙會被壓緊，引起體積變化，因而引起強(qiáng)度的改變。水作為一種流體，對巖石變形有重要影響。③晶體結(jié)構(gòu)：對于單一的礦物而言，其晶體結(jié)構(gòu)與礦物的力學(xué)性質(zhì)和變形行為有著密切的聯(lián)系。如金剛石和石墨，它們的化學(xué)成分都是C，但因其晶體結(jié)構(gòu)不同，它們的物理及化學(xué)性質(zhì)存在著十分大的差異。④晶體缺陷：巖石和礦物的變形，尤其是塑性變形，是晶體缺陷位錯運動的結(jié)果。位錯運動的實質(zhì)是原子運動。

圖1　不同溫度與應(yīng)變速率下大理巖實驗變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2　不同溫度下花崗巖的實驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2　礦物中常見的變形顯微構(gòu)造

2.1顯微破裂

顯微破裂是指出現(xiàn)在巖石單個顆粒式晶體上的破裂，它們可能穿過顆粒的接觸界面，也可能不穿過，通常有剪切破裂和張裂兩種。前者裂紋一般比較平直、緊閉，充填物較少，原來完整的礫石，礦物顆粒多被裂紋切斷，并有位移、形成碎斑和碎粉；后者裂紋附近的礫石的礦物顆粒則多被拉開，所以裂紋常呈鋸齒狀，具開放性，且往往被巖脈所充填。有時也有一些復(fù)合形式,如張剪破裂和壓剪破裂，則表現(xiàn)出兩種力學(xué)性質(zhì)的特征。

2.2礦物的光性異常

變形礦物的光性異常是指礦物在變形之后晶體格架發(fā)生了畸變或者變形作用引起了礦物晶體光率體的應(yīng)變。常見的主要有以下幾種：不均勻消光(或波狀消光)，它是由晶體在某個滑移系上不均勻滑移而導(dǎo)致晶格彎曲所生成的。光性變異，伴隨著礦物強(qiáng)烈的不均勻消光而引起的礦物晶體光率體的變形。X射線性質(zhì)的變異，也就是變形礦物有時還表現(xiàn)出X射線衍射性質(zhì)的變化，它是變形礦物中亞晶粒礦物形成的結(jié)果。

2.3壓溶現(xiàn)象與壓力影

壓力影是在壓應(yīng)力或剪應(yīng)力作用下，巖石中比基質(zhì)硬的斑狀礦物晶體阻擋了載荷應(yīng)力，不易發(fā)生變形，在其周圍常形成環(huán)形張性空隙，此空隙往往為周圍基質(zhì)中的壓溶物質(zhì)、基質(zhì)殘余物遷移充填。它們依剛性斑狀礦物的一定方向發(fā)生沉積重結(jié)晶。這樣就形成了橢圓形或眼球狀的壓力影(即蔭蔽壓力的區(qū)域)構(gòu)造。壓力影是壓溶作用的主要產(chǎn)物。壓力影從構(gòu)造上可分為兩部分，一是中心剛性較強(qiáng)的斑狀礦物為內(nèi)晶；二是陰影部分。

2.4核幔構(gòu)造

當(dāng)巖石發(fā)生動態(tài)重結(jié)晶時，在粒徑較大的周圍形成一圈細(xì)小的無應(yīng)變的新變晶粒（即動態(tài)重結(jié)晶晶粒），即所謂的“晶?！?，中間殘留的保存著一定應(yīng)變特征（如波狀消光和亞晶粒發(fā)育等）的部分則為“晶核”。隨著重結(jié)晶的增強(qiáng)，晶幔部分逐漸增加，晶核部分逐漸減少，最后晶核部分可能被完全蠶食掉，而被重結(jié)晶的顆粒所取代。

2.5砂鐘構(gòu)造

在壓應(yīng)力作用下，晶體中產(chǎn)生一組成X型的剪切破裂面，并伴隨有一定的旋轉(zhuǎn)，結(jié)果造成了破裂的四部分中相對的兩部分與另兩部分消光位有所不同，所以表現(xiàn)出類似砂鐘形狀的構(gòu)造特征。這些裂紋可能在后期被愈合。砂鐘構(gòu)造也是較為常見的礦物變形特征，如果具有砂鐘構(gòu)造的礦物晶粒足夠多，它可以作方位測量統(tǒng)計，進(jìn)行動力學(xué)分析。

3　顯微構(gòu)造在地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用

3.1運動學(xué)分析

判斷剪切指向的準(zhǔn)則主要是利用簡單剪切變形中形成的顯微構(gòu)造的對稱性與應(yīng)變對稱性之間的關(guān)系。具單斜對稱的壓力影，其纖維狀尾部的分布形式指示了剪切指向（圖3）；S面理是礦物的定向面理，一般代表了壓性結(jié)構(gòu)面；而C面理主要是剪切面理。它們之間的銳夾角，指示剪切運動指向。隨著剪應(yīng)變的加大，S面理與C面理之間的夾角由45。逐漸變小，最后二者趨于平行（圖4）；同構(gòu)造旋轉(zhuǎn)變形過程中形成的變斑晶雪球構(gòu)造可以判別剪切運動指向（圖5）。

圖3　

圖4　

圖5　

3.2動力學(xué)分析

利用顯微構(gòu)造進(jìn)行動力學(xué)分析的方法主要是根據(jù)石英變形紋、云母中的扭折帶、雙晶紋來推導(dǎo)主應(yīng)力方位和利用位錯密度法、亞晶粒法、動態(tài)重結(jié)晶新晶粒法估算古壓力的大小。

3.3變形溫壓條件分析

溫度和壓力是影響巖石和礦物變形的重要因素。巖石和礦物在不同的溫壓條件下，受不同的變形機(jī)制控制，會顯示出不同的變形行為和變形現(xiàn)象。因此，可以根據(jù)礦物特定的變形現(xiàn)象來推斷其變形時的溫壓條件。如石英的變形紋，在低溫高壓環(huán)境下，石英中常出現(xiàn)底面型變形紋；在高溫低壓環(huán)境下，出現(xiàn)柱面型變形紋；在中溫中壓環(huán)境下出現(xiàn)次底面型變形紋。礦物的動態(tài)重結(jié)晶一般只在溫度達(dá)到礦物絕對熔融溫度的一半以上時才出現(xiàn)，由此可以根據(jù)不同礦物中動態(tài)重結(jié)晶的出現(xiàn)及強(qiáng)弱程度大致推斷變形時的溫度。

3.4變形過程及變形歷史分析

巖石變形總要經(jīng)歷一定過程，從始態(tài)到終態(tài)要經(jīng)過一系列變形階段。顯微構(gòu)造在揭示變形過程或階段方面具有最直觀和最準(zhǔn)確性,如通過對韌性剪切帶從邊緣到中心不同變形程度構(gòu)造巖的顯微構(gòu)造觀察及巖組分析等，可以再現(xiàn)巖石從弱到強(qiáng)的變形過程；通過對同構(gòu)造變斑晶（未旋轉(zhuǎn)）及雪球構(gòu)造（旋轉(zhuǎn)）面理構(gòu)造的詳細(xì)研究，可再現(xiàn)變形巖石面理的形成及變化：通過對構(gòu)造壓溶形成的壓力影尾部及微裂隙填充物的詳細(xì)研究，不僅可以再現(xiàn)纖維礦物的生長順序和發(fā)育過程，確定主應(yīng)變方向的變化過程，而且還可以用來研究遞進(jìn)變形和估算應(yīng)變量等。

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P54[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-9-66-1