浅层断裂韧滑流变的实验分析

孙岩　舒良树　李本亮　M.Faure J.Charvet

摘要 选取湘中浅层花岗岩和不同颗粒度的岩石进行高温高压糜棱岩成岩实验, 获得其形成的温压条件和微观变形. 再同断裂带中所产生的天然韧滑流变糜棱岩一起做TEM观察测试, 计算出人工糜棱岩位错密度、流变应力和应变速率分别为3.20×10⁹/cm², 139.32 MPa和6.39×10^-10s. 这与天然糜棱岩的有关数据基本处于同一数量级. 以此成岩模拟实验为基础, 通过干湿样品实验比较、原岩化学分析以及同法国中央地块、江苏连云港等中深层次糜棱岩的综合分析对比, 初步确定浅层岩石流变变化的有关参数, 也说明了岩石圈垂向深度流变的多重性和总趋向性.
关键词 高温高压实验, 韧滑流变, 糜棱岩

　　断裂带固态流动的研究, 大致经历了弹塑性^[1]、韧脆性^[2]和刚粘性^[3]三个发展阶段. 流变机制主要强调微观上位错的滑移和攀移及其综合探讨, 不是笼统地单指应力制约下的扩散作用^[1～3]. 90年代以来, 大陆岩石圈流变学研究的兴起改变了岩石流变变形仅随深度增加的观念, 出现了岩石圈在垂向空间流变特征具多重性的新观念^[4～6] . 这在不同深度层次的断裂构造上尤为清晰^[7]. 当前国际地质界趋于用高温高压宏观实验和电镜超微观测试的手段研究之^[8,9], 本文即以湘中沩山花岗岩浅层断裂带的糜棱岩流变为例进行这方面的研究.
　　沩山花岗岩产于云雾山-韶山复式背斜核部, 大部分与元古界板溪群地层接触(图1). 锆石年龄值189～201Ma¹⁾, 为晚印支-早燕山期间侵入沉积盖层的浅层岩体¹⁾. 一条北东向的斜列逆断裂带(后期发生负反转构造)切入沩山岩体, 沿着断裂带断续可见挤压破碎和糜棱岩化. 在采样地点安化桂岩山水库附近, 宽达25 m的花岗岩韧性剪切断裂带由外侧到中心, 依次为浅层位的初糜棱岩带→糜棱岩带(图2)→超糜棱岩带.

图1 湘中地区地质概略图及采样位置
△1示006号采样点; △2示11-24号采样点; △3示108号采样点;
--示平移断层; + +示沩山花岗岩体

图2 天然糜棱岩
石英云母定向排列, 带状分布; 长英质矿物残斑斜列趋向;
原岩为湘中沩山中细粒花岗岩; 编号11-24; 正交×100

1 模拟成岩实验

1.1 样品制备
　　欲使高温高压浅构造糜棱岩成岩实验具有代表性、可比性, 选取致密块状、新鲜无蚀变、约20 cm大小的沩山中细粒(0.1～1 mm)花岗岩、元古界板溪群五强溪组泥质粉砂围岩(0.05～0.005 mm)和江西武功山中生代(K-Ar法测年值159～183 Ma)^[10,11]粗粒(>1mm)斑状花岗岩样品各一个, 分别在贵阳地球化学研究所开放实验室万能材料切割机(J-5070-1型)上制成直径17mm、高40mm的圆柱体小样各5个.
1.2 实验过程
　　实验仪器是经改装的沈阳长江500型三轴岩石力学实验机, 配备活塞圆筒式高温高压容器, 实验温度可达1 000℃, 轴压2 500 MPa, 围压1 000 MPa. 依次按装样、加压、加温、保持荷载、观察记录、降温、降压等步骤操作^[12], 在表1所示的温压条件下作等应力蠕变实验. 每15 min做一次记录, 一轮实验需要8～30 h.

图3 人工糜棱岩
石英呈针状绕长石残斑定向流动(照片左边),亚构造清晰;
原岩为湘中沩山中细粒花岗岩; 编号108; 正交×150

1.4 温度压力和时间的相关表象
　　样品108, 006和024均达到糜棱岩化程度, 实验的温度(T)、压力(P)和时间(t)等参数具有选择性. 颗粒大、质地坚硬的粗粒斑状花岗岩转变成糜棱岩较难, 中细粒花岗岩次之, 泥质粉砂岩(已轻变质)最容易. 在轴压为1 380～1 470 MPa、温度610～710℃情况下, 006, 108和024样品的围压依次增加30～50 MPa, 时间依次增加近一倍. 实验证实, 600 ^oC以上围压和时间是重要的调节因素, 该围压和温度相当于地壳深度11～14 km^[14], 正是产生韧滑型流变糜棱岩的地壳深度^[15]. 事实上108, 024样品地质深度5 km左右^[16]. 以往测试形成B型断裂糜棱岩的温度是200～250℃^[7,16], 低于Sibson所指的典型糜棱岩形成温度则为300～350℃^[15].
　　按高温高压时间间隔记录所做的应变-时间曲线(图4)反映出的过渡(AB段)-稳态(BC段)-加速(CD段)3个蠕变流变阶段是清晰的, 两者与标准蠕变曲线相比显得低平而不是上扬, 006样品更为明显, 容易进入稳态流动阶段, AB两点重合. 这也说明了006样品在低的P-T-t条件下即可形成糜棱岩.

图4 糜棱岩成岩实验蠕变曲线(108, 006为样品编号)
AB, BC和CD分别代表过渡-稳定-加速蠕变阶段

2 位错流变构造的显微观测

　　将人工糜棱岩样(108号)和天然糜棱岩样(11-24号)切片后在离子减薄器上制成厚度不超过1000 nm的薄晶, 使用南京大学现代分析中心的JEOL-200CX透射电子显微镜(TEM)观察, 结果表明, 人工的和天然的糜棱岩在超微亚结构、流变构造等方面的特点是一致的(表2). 前者也达到了粗糜棱岩的标准, 只是在变形流变程度上有些差异.

　　人工糜棱岩和天然粗糜棱岩存在滑动条带塑性变形微域, 可见冷加工?淬火阶段和热加工?恢复阶段的特点, 且以后阶段为主, 位错密度较高, 人工糜棱岩尤甚(图5). 亚颗粒边界的三结点极为特征, 各角约为120^o(图6), 天然糜棱岩更为发育. 此系一种应变软化过程, 是流变变形的重要特征^[17]. 同时可以看出, 由于人工糜棱岩的位错密度值大于天然糜棱岩(表2), 参照古应力计算^[18,19]可得到前者的差异流动应力值亦高一点, 应变速率略快一些, 反映出前者流变程度低于后者. 当然, 这两者的差异流动应力和应变速率属同一数量级.

图5 位错弓位错环
自由位错密集、钉扎缠结明显、边缘部分可见较多的位错弓、环.
编号108(b), 照片9459, TEM×1500

图6 亚颗粒三结点
位错稀少、位错壁已发育成亚颗粒边界、三结点极为特征, 各角约120o..
编号108(b), 照片9119, TEM×1500

　　花岗岩经过高温高压作用后, 在浅层位也可以发生韧滑流变形成类似于中深层次的糜棱岩. 在切入沩山岩体的断裂带中岩石的显微结构、亚构造和流变参数等与此基本一致, 说明其达到了糜棱岩化的程度 . 该断裂带中已经糜棱岩化的花岗岩是在晚印支-早燕山期间侵入沉积盖层的, 属于浅层位的B型糜棱岩^[16]. 这是因为在断裂发育过程中, 岩体之间摩擦生热, 造成局部高温; 岩石从显微破裂到位移滑移、位移攀移, 起决定性作用的是温度, 而不是压力^[20], 于是在断裂带中导致了浅层B型糜棱岩的形成.

3 地质综合解释

3.1 形成糜棱岩的影响因素
　　根据高温高压模拟实验, 在围压为280～350 MPa、温度610℃～710℃和时间8～24 h的条件下, 浅层断裂带的花岗岩可发生韧滑流变作用形成糜棱岩, 随岩性和颗粒度的不同这些数据有一定的变化. 这只是干样的情况, 湿样则不同^[21,22]. 为了对比, 取相同岩性的赣北粗粒花岗岩A、B两块样. A样在围压500 MPa, 温度690℃和25 h下, 可形成典型的糜棱岩; B样则先置于NaCl溶液中浸泡28小时, 然后在围压350 MPa, 温度460℃条件下12 h内就可以产生与A样相似结果. 不待说, 湿样更接近自然环境, 它比干样实验的P-T-t数据几乎减少一倍^[23]. 实验模拟中起决定性作用的温度有延长时间或降低应变速率的效应^[20]; 地质时间效应也是十分重要的条件, 可以使地质体在自然界相当低的应变速率(10^-13/s～10^-16/s)下产生足够的应变积累, 形成明显的韧滑流变构造. 所以在实际地质过程中岩石发生糜棱岩化的温度、压力会比实验模拟的温度低得多^[13].
3.2 滑移分异
　　滑移分异对岩石形变引起质变起着重要作用. 天然的或人工的糜棱岩均可发生剪切滑移和流变(图2, 3), 产生动力分异、组分分异, 形成糜棱岩所特有的带状构造、糜棱片理. 这种流变特点和不均匀性在岩石化学成分变化上有明显反映(表3). 需指出的是,即使同一人工糜棱岩样品(108(b))上, 也可看出不同塑变阶段的位错构造、亚构造(表2), 这是前人很少注意到的.

表3 湘中沩山花岗岩、糜棱岩和粉砂岩化学成分(%)^a)

　　从表3看出, 由花岗岩到糜棱岩, 化学成分规律变化, 糜棱岩SiO₂的增加是动力分异的结果, 是浅层糜棱岩成岩的重要特征^{[24, 17]}. 从初糜棱岩到超糜棱岩SiO₂依次减少, Al₂O₃依次增加, 是因为还原性环境中(二价铁FeO增多), 长石转变成云母(实验中多为绢云母)的缘故^{[26, 27]}. 如图3中, 先是针状石英, 再是丝状绢云母绕着细粒长石流动.
3.3 流变机理
　　用透射电镜拍摄的87张照片计算得出, 人工糜棱岩(108(b))的位错密度、差异流动应力和应变率值分别是 3.20×10⁹/cm², 139.72MPa和6.39×10^-11s(表2). 为了同中深层次断裂韧滑糜棱岩对比, 采集法国中央地块和江苏连云港地区的样品进行透射电镜观测. 结果表明(表4), 原岩同样是花岗岩, 浅层次人工糜棱岩和天然糜棱岩比中深层次情况下形成的流变参数(位错密度、差异流动应力和应变率值)高一个数量级, 应变率更高一些(表2, 4). 虽然计算公式不同有所差别, 但是地壳垂向深度上流变的总趋向性^[25]是明确的. 需要指出的是, 浅层糜棱岩的成功模拟和验证突破了由Sibson提出后被广泛引用的10 km深度以下才能形成韧滑流变的结论^[15]. 同时, TEM观察结果可以解释由浅层次向深层次, 糜棱岩中石英位错类型从螺型向刃型、位错运动从滑移型向攀移型转化的特点^[26,27].

　　毋庸置疑, 浅层断裂带人工糜棱岩或天然糜棱岩韧滑流变参数的系统测试计算和初步确立, 以及与中深层次有关参数的分析对比、求其规律, 是从不同的侧面对岩石圈垂向空间流变特征多重性、不均匀性和总趋向性有力的阐明.

致谢 中国科学院贵阳地球化学研究所高温高压实验室吴学益教授和南京大学现代分析中心电镜室张富生教授热心指导研究、测试, 谨此诚挚致谢！

国家自然科学基金(批准号: 49972069, 49772151)、北京地质力学研究所开放实验室和中国科学院贵阳地球化学研究所矿床地球化学开放实验室资助项目
孙岩（南京大学地球科学系, 成矿作用研究国家重点实验室, 南京, 210093）
舒良树（南京大学地球科学系, 成矿作用研究国家重点实验室, 南京, 210093）
李本亮（南京大学地球科学系, 成矿作用研究国家重点实验室, 南京, 210093）
M.Faure J.Charvet（Department of Earth Sciences , Orleans University, Orleans, BP6759, France）

参 考 文 献
1，Reiner M. Deformation Strain and Flow, An Elementary Introduction to Rheology. London: H K Lewis & Co Ltd, 1960. 347
2，Nicolas A. Crystalline Plasticity and Solid State Flow in Metamorphic Rocks. New York: John Wiley & Sons, 1976 .289
3，Ranalli G, Murphy D. Rheological stratification of the lithosphere. Tectonophysics, 1987, 132: 281～295
4，Cloetingh S, Sassi W. Origin of sedimentary basin. In: International Lithosphere Program, Report 19, ICL Secretariat, Canada, 1994. 25～28
5，Sobolev S, Wenzel F. Processes in the lithosphere as reflected in integrated petrological and geophysical studies. In: International Lithosphere Program, Annual Report 19, ICL Secretariat, Canada, 1994. 29～34
6，许志琴, 崔军文. 大陆山链变形构造动力学. 北京:冶金工业出版社, 1996. 6～20
7，Sun Yan, Shen Xiuzi, Suzuki,T. Study on the ductile deformation domain of the simple shear in rock--taking brittle faults of the covering strata in the Southern Jiangsu Area as an example. Science in China. Ser B, 1992, 35(2): 1 512～1 520
8，Bons P D, Cox S J D. Analogue experiments and numerical modeling on the relation between microgeometry and flow properties of polyphase materials. Mat Sci Eng, 1994, 175: 237～246
9，Bon P D. Vrai J. An apparatus to experimentally model the dynamics of ductile shear zones. Tectonophysics, 1996, 256: 145～164
10，Faure M, Sun Yan, Shu Liangshu, et al. Extensional tectonics within a subduction-type orogen, The case study of the Wugongshan dome (Jiangxi Province, southeastern China). Tectonophysics, 1996, 263: 77～106
11，舒良树, 孙岩, 王德滋, 等. 华南武功山中生代伸展构造. 中国科学, D辑, 1998, 28(5): 431～438
12，吴学益. 构造地球化学导论. 贵阳: 贵州科技出版社, 1998. 61～67
13，Tullis J, Yund R A. Transition from cataclastic flow to dislocation creep of feldspar: Mechanisms and microstructures. Geology, 1987, 15: 606～609
14，Cater N L, Tsenn M C. Flow properties of continental lithosphere. Tectonophysics, 1987, 136(1/2): 27～63
15，Sibson R H. Fault rock and fault mechanism. Jour of Geol Soc, 1977, 33: 191～213
16，孙 岩, 施泽进, 舒良树, 等. 层滑-倾滑断裂构造与油气地质研究. 南京: 南京大学出版社, 1991. 85～94
17，Urai J L, Means W D. Lister G S. Dynamics recrystalization of minerals. In: Head H C, Hobbs B E, eds. Mineral and Rock Deformation: Laboratory Studies. Geophy Monograph, Am Geophy Union, 1986, 36: 161～199
18，Twiss R J. Theory and applicability of recrystallized grain size paleopiezometer. Pure Appl Geophys, 1977, 15: 227～244
19，Kohlstedt D L, Weathers M S. Deformation-induced microstructures, paleopiezometer and differential stress in deeply eroded fault zones. Jour of Geophys Research, 1980, 85(B11): 1 011～1 020
20，Tullis J, Yund R A. Experimental deformation of dry westerly granite. Jour of Geophys Research, 1977, 82: 5 705～5718
21，Tullis J, et al. 糜棱岩的意义和成因(史兰斌译). 地震地质译丛, 1983, 2: 38～42
22，Shu Liangshu. Sun Yan. Simulating Experiments for the Deformation and Microstructures of Granite in the Central Part of the Jiangnan Belt,South China. Science in China, Ser. D, 1996, 39(1): 82～92
23，吴学益, 钟德义, 梁 宁. 构造地球化学高温高压模拟实验及其初步结果. 大地构造与成矿学. 长沙: 大地构造研究所, 1984. 251～260
24，Sun Yan, Yang Shufeng, Zhang Qinglong, et al. Dissipate of structure of rock and ore-formation systems in the fault. Journal of Geochemisttry. 1992, 11(2): 121～132
25，Sun Yan, Wan Ling, Gou Lingzhi. Study on the Mylonite of the Shallow structure level in Southeastern China. In: Zheng et al. eds, Proc 30th Int'l Geol Congr, Amsterdam: Tectonophysiss Press, 1997.* 14: 66～73
26，孙 岩, 张富生, 熊斌辉. 中深层位倾滑断裂带的固态流变. 南京大学学报(自然科学版), 1993, 29: 485～489
27，孙 岩, 徐士进, 刘德良, 等. 断裂构造地球化学导论. 北京: 科学出版社, 1998. 1～246