大陆岩石圈中的流变学

大陆岩石圈中的流变学摘要简单介绍了流变学的概念和两种墓本研究方式，基于大陆岩石圈较大洋岩石圈有更为复杂的流变特点客观事实，指出研究大陆岩石圈流变学的重要性，并提出几个要紧的研究方向和领域。关镇词流变学，大陆岩石圈，变形，流动，流变学分层性0导言板块构造与大陆构造是固体地球科学的要紧研究课题。能够从不同的思维方式和技术路线开展板块构造与大陆构造的研究，如能够从沉积学、火山岩石学、古地理学、古构造学方面研究板块及大陆构造的演化历史，也能够从构造学、古地磁学、大地测量学方面追溯板块运动矢量及移动轨迹，推论地球动力学体制。运用地球物理学及地球化学方式，能够取得有关板块及大陆的结构、物质进程的重要信息。本文要想强调的是，流变学也是研究板块构造与大陆构造的重要手腕，而且，流变学是板块构造与大陆构造几何学、运动学研究和动力学研究之间的桥梁。流变学(rheology)是物理学的一个分支，是研究物体变形和流动现象的学科。组成固体地球的物质的变形和流动作用，包括板块构造及大陆构造的形成和演化，都是受不同层次岩石的力学性质及变形物理环境两个大体因素操纵的。流变学的研究主体，也确实是物质在不同物理条件下的流变行为和流动状态。取得了令人振奋的进展，接踵显现了地壳流变学、岩石圈流变学、地球流变学等新学科，国际地科联构造专业委员会下面新近专设了“岩石流变学”分委员会，以推动该领域的进展。流变学有两种研究方式，一是从宏观构造现象上研究力学模型，成立变形进程中应力、应变、热状态关系及随时刻转变规律，编制地壳或其部份强度一深度剖面图，分析地球动力学的特点，这可称为宏观流变学(macrorheology);二是从原子和晶格尺度上，研究微观变形机制，估算流应力、应变速度、温度、压力等物理参数，编制变形机制图，确信岩石流变行为，这可称为显微流变学(microtheology)。科学研究进程中，必需将二者紧密结合起来，在不同尺度上进行流变学分析。1大陆岩石圈流变学分层性长期以来，人们一直假设大陆岩石圈是由两个不同性质的流变层组成的，即均一的地壳和上地慢。但近几年来的地质和地球物理资料证明，大陆岩石圈具有“三明治”式的流变结构样式，常常有一个或多个塑性强度低或不能干层，分隔开具脆性破裂特点的高强度或能干层，同时，这种“三明治”式的流变结构样式，又是地壳及岩石圈厚度、岩石学特点、热状态、流应力等物理环境的函数。不同的构造省或地域的岩石圈流变学分层性及强度剖面各有特色。Ranalli和Murphy(1987)在所成立的三种热体制基础上编制的七种岩石圈流变学剖面模式(图l)，能够作为参考，结合我国大陆构造实际，进行深切研究。氐禅度，.a)其d:IcifEifiIMPwi氐禅度，.a)其d:IcifEifiIMPwi图1岩石圈流变学分层剖面(据Ranalli和Murphy,1957):1~6大陆岩石圈不同构造省7一大洋岩石圈2应变软化和应变局部化大陆岩石圈的结构是不均一的，而应变软化和应变局部化又增加或致使了大陆岩石圈结构的加倍不均一性。应变软化和应变局部化能够在不同尺度和不同层次上进行观看研究，大到造山带与古老地块或克拉通的关系，小到显微镜及电镜下糜棱岩内部残斑与基质关系、各类晶格内部位错关系等。正确的运用应变软化和应变局部理论观看大陆构造，必然能够熟悉和总结出貌似复杂的构造现象的内在规律性。3大陆岩石圈流变学演化大陆地质和构造规象，是岩石圈乃至整个地球演化的完整记录，从这一点来看，它比大洋岩石圈要占明显的优势。就我国现已把握的岩石同位素年龄数据而言，至少可追溯大陆壳近40亿年的形成和演化历史。那么，不同演化时期的岩石性质和变形物理环境。它们是沿着什么样的途径或轨迹进展的，应当而且可能运用宏观及显徽流变学或显徽物理学相结合的方式进行研究。秦岭群位于秦岭造山带核部，是秦岭造山带内部时期最古老的一个岩石地层单位。通过详细的地质填图和综合研究，在流变学理论指导下，重塑出秦岭造山带核部杂岩构造进展中硅铝壳形成、韧性再造和脆性改造的演化模式、变形序列及流变学演化趋势，能够作为大陆构造流变学演化的一个范例。4断说明各类大陆构造现象我国是一个大陆构造为主的国家，构造现象极为丰硕，而且已经作了大量的几何学和运动学的研究及分析工作。假设结合几何学和运动学研究的同时，增强流变学的研究工作，从头熟悉和说明各类构造现象，如大型推夜构造、伸展剥离构造、多层拆离或滑脱带构造、走滑构造、盆地构造和造山带构造等，定能加深熟悉、修正错误，为进行大陆构造动力学说明提供更为扎实的基础。5高温高压岩石变形实验由澳大利亚国立大学仪器公司生产的Paterson气体介质高温高压岩石变形装置是目前国际上地球材料流变学研究的主力仪器。与固态介质的Griggs装置相较，Paterson装置的优势是：加载轴和气体围压介质之间没有摩擦,差压力测量精度可达±0.1MPa;试样温度散布均匀、化学环境可控；围压真正各向同性；不仅可做共轴拉张和挤压,而且还可做扭转大变形实验。正因上述优势，北美和西欧各要紧实验室利用Paterson变形装置，能够对人工合成的典型地壳和上地幔岩石进行扭转大变形实验,系统研究中下地壳和上地幔要紧岩石的变形机理；厘定各要紧造岩矿物的不同晶格滑移系的相对活动性和随物理化学条件的转变规律;探讨应变弱化、剪切局部化、C2S构造形成、重结晶作用和超塑性机理与水迁移集中的关系;验证前人提出的各类力学模式、例如岩石流变学的广义混合律。并系统研究多相岩石变形机制、显微构造、晶格优选定向和地震波速各向异性、泊松比各向异性随应变及应变方式的转变规律，探讨是不是存在稳态的显微构造和组构。成立多相复合岩石的统一混合律，意义重大。正确地熟悉世界上各个地域岩石圈的构造变形规律，需要了解各类各样岩石的流变学性质。但是，自然界岩石种类数以千计，绝大多数种类岩石的物理性质、弹性常数及塑性流动强度尚未实验确信。理论上说，从要紧造岩矿物的单相集合体的流变学性质及体积含量就能够够计算出任意类型复合岩石的流变学性质。广义混合律的成立确实是在那个方向上取得的一个新的进展，Ji(2004)将复杂的显微构造效应量化为一个简单的称之为显微构造参数的J值，J等于+1、0和-1,别离对应于Voigt平均，几何平均和Reuss平均。关于强相应力支撑体系，J>0;关于弱相应力支撑体系，J<0。关于球状固体的液体悬浮体系，J=-0.4准确地对应于爱因斯坦(1906)和Roscoe(1952)的方程。也确实是说他们的方程只是广义混合律的一个特例，并可从中直接导出。另外，从广义混合律还能够直接导出岩石力学和物理性质随孔隙度转变的关系式，例如Balshin(1949)方程、Duck2worth(1951)方程和Phani(1986)方程。关于大多数多晶集合体和岩石，J^0.25和J^-0.25的广义混合律能够比较精准地预言强相应力支撑体系和弱相应力支撑体系的弹性模量和塑性流动强度。大陆动力学的核心问题是岩石圈流变强度的转变和应变局部化。阻碍地壳和地幔岩石流变学性质的因素很多，包括温度、围压、应变和应变率、水含量、熔体含量、颗粒径、变形机制、造岩矿物含量、氧逸度等。6变形显微构造的同步观测利用EBSD2SEM新技术能够高速、准确地测定各类造岩矿物晶格优选方位和亚晶或重结晶颗粒之间的旋转角，绘制晶格定向图，以重建岩石的显微构造、组构和剪切旋向标志的形成进程和物理机制。岩石在共轴变形和简单剪切条件下形成不同的晶格优选方位。斜长石是地壳最要紧的成份，X射线和中子衍射方式都不能完全测定其晶格方向，可是利用EBSD2SEM技术就能够准确地测定斜长石晶格方向，现已发觉位错蠕变是斜长石在中下地壳和实验室条件下塑性变形的要紧机制,并以(010):001:滑移为主,在高温、水含量高的条件下(010)[100:滑移也会参与活动。近几年来，我国构造地质学界已经从国外引进几台EBSD2SEM装置，进行岩石组构与显微构造的测定，已取得一些功效,但在配套技术和软件开发和研制方面尚有许多工作要做。若是在EBSD2SEM仪器的试样室内再装上一高温变形台，就能够够动态地研究岩石中矿物晶格位向、显微构造及化学成份随应变、变形条件与方式的演化规律。具体地说，利用EBSD2SEM中配备的高温变形台，能够研究：塑性变形和重结晶进程中矿物显微构造和晶格优选定向的进展和演化，探讨变形机制、要紧位错滑移体系、应变方式和应变量和地震波速各向异性之间的关系。相变或变质作用进程中颗粒成核与生成、晶格位向和反映动力学之间的关系。通太高角菊池衍射图案，分析多相岩石变形进程中局部应力场的转变规律，探讨不同强度矿物相之间应力的彼此传递与再分派的规律。同相晶界和异相晶界在变形进程中的作用及其不同，探讨物质沿晶界迁移的规律。多相岩石部份熔融进程和在变形进程中熔体的形成、聚积、沿熔体隧道运移和萃取作用与不同类型应变的关系；晶内部份熔融和晶间部份熔融与变形的彼此关系。毫无疑问，岩石实验变形显微构造的同步观测能为咱们重建真实岩石的变形进程提供新的思路。7物理模拟地质学家在野外观看到的构造形迹是地质史上岩石多期多时期变形的综合结果，而对其具体的变形运动学演化进程和机理不得一一而知，人们一直想利用适当的材料在常温常压或常压低温的实验室内模拟出来他们在自然界所看到的构造现象。例如，在李四光时期，就有人把泥巴抹在地球仪上，观看在地球仪旋转加速或降速进程中是不是能形成“山字型”或“歹字型”构造。近三十年来，国内外在构造的物理模拟方面取得了长足的进展，地质模型也从简单的单层或双层模型到复杂的多层模型，依照上、中、下地壳、岩石圈地幔和软流圈地幔不同的流变学衬度，采纳不同的材料，依据必然的尺度比例,制成不同的地质模型，别离研究不同边界条件下它们的变形和构造演化。在该研究领域中，成功的例子已有很多，例如：在法国，PaulTapponnier(1976)从塑胶材料的挤出实验成功地预言了亚洲大陆在近45Ma以来的构造样式，AIChemenda(2001由物理模拟结果总结出来的超高压岩石折返模式已取得大多数同行的认可。在国际上，JohnDixon,HeminKoyi,SandyCruden,JacquesMallavielle,LyalHar2ris,Jean2PierreBurg,Jean2PierreBrun在构造物理模拟方面都曾做了很多有趣的工作。重力在大规模的构造变形进程中起到极为重要的作用，因此,构造物理模拟不能不考虑到重力的阻碍。依照尺度比例，构造物理模拟实验不能在一个重力加速度下实行。若是地质模型的比例是1/106(1mm=1km),那么实验就应该在106g重力加速度的条件下进行。目前，在地学界利用离心机还做不到这么高的重力加速度。在加拿大安粗略省女皇大学小型离心机上，目前能够做到20,000g,模型尺寸一样是：125X75X6mm(长宽高)。加拿大纽芬兰省的Memory大学有一台200〜500g的巨型离心机，直径11m,因此模型能够做的较大。在变形进程中,仪器自动地对试样内部进行无损伤的X-射线同步层析扫描，以记录各材料层的彼此作用与构造发育和运动学演化。在一个人口只有三千三百万的加拿大，地质构造物理模拟实验室就有6家。可惜，目前中国尚未这种将重力的尺度效应一并考虑进去的构造物理模拟实验室，这是与一个地学大国的地位是不相称的。下面咱们简腹地列出十个超级好的物理模拟的课题：下地壳拆沉和软流圈地幔底侵对华北克拉通破坏和岩石圈减薄的阻碍；部份熔融对西藏高原中下地壳隧道流及其整个造山作用的阻碍；大陆地壳的深俯冲和超高压变质岩的折返；壳幔耦合/脱耦的大地构造意义；上地幔中玄武岩浆的形成、迁移、萃取、集中；地壳中花岗岩体的侵位机理(重力操纵仍是构造操纵?);挤压造山带的垮塌；垂直构造运动(太古代)与水平构造运动(显生宙的板块构造)的关系及其地质意义；前陆褶皱-逆冲带的运动学和动力学特点和对油气盆地发育演化的制约；剪切带与热液成矿。8运算机数值模拟运算机数值模拟是中国构造地质学乃至整个固体地球科学界与西方发达国家相较较为掉队的一个领域，咱们中国人数理基础较好，数值模拟只需要运算机，无需昂贵的仪器设备，理应在那个领域处于领先地位。但是，关键是咱们缺少加拿大Dalhousie大学ChristopherBeaumont教授那样大师级的人材，喜玛拉雅山和西藏高原的地壳隧道流构造模式(2001)确实是他的杰作。《科学美国人》在1997四月号上曾如此评判过ChristopherBeaumont"逆冲构造”(1992)的功效："Thenewmodelofhowmountainsdeveloppromisesto