组构对花岗质岩石流变影响的实验研究

刘 贵

1）中国科学院大学地球科学学院，中国科学院计算动力学重点实验室，北京100049

2）中国地震局地质研究所，北京100029

（作者电子信箱，刘贵：hairylife＠163.com）

华北克拉通减薄是近年来地学界的热点问题，拆离断层形成与地壳伸展减薄是华北克拉通岩石圈减薄的浅部响应，而拆离断层内岩石的流动及变形机制直接受控于岩石流变学状态。对于华北克拉通地壳流变研究，流变实验和天然样品流变分析多数集中在下地壳，对于与拆离断层对应的中上地壳流变实验研究比较少。目前为止，有关于地壳伸展和拆离断层形成相关的岩石流变实验处于空白状态。

中地壳岩石经历了变质变形作用，发育有强烈的变形组构。为了研究先存组构对中地壳长英质岩石流变的影响，本论文选择华北克拉通北部辽东拆离断层中具有变形组构的花岗片麻岩和糜棱岩为实验样品，开展了2组样品在实验压缩方向分别平行和垂直面理组构的高温高压流变实验（共4组）。实验条件为温度600～890℃，围压800～1 200 MPa，应变速率1×10－4/s～2.5×10－6/s为主。实验数据经过了轴压摩擦力扣除和因样品变形产生面积变化的校正等处理，获得了校正后的力学数据，并求取了流变参数。利用偏光显微镜，扫描电镜对实验样品进行微观结构与变形机制的研究；通过透射电镜能谱与电子探针，分析了熔体的分布和成分特征；采用电子背散射（EBSD）分析获取了岩石中石英C 轴组构变化极图。探讨不同组构方向岩石的力学参数和微观特征以及实验变形对原有组构的构造置换作用。另外为了对比组构的影响，还分析了在温度650～1 000℃，压力1 050～1 100 MPa条件下均匀样品石英闪长岩高温高压流变后样品的微观结构和熔体特征。为研究地壳拆离断层带形成与演化规律，完善拆离断层带形成演化和地壳伸展减薄模型提供必要的实验室数据。论文获得的主要进展如下：

（1）先存组构对花岗质岩石的脆塑性转化机制没有影响。糜棱岩和花岗片麻岩样品在600～800℃的低温阶段处于半脆性变形域；800～890℃的高温时转变为塑性变形。

在半脆性变形域，2组糜棱岩和花岗片麻岩样品中，长石以脆性破裂为主，石英碎裂和动态重结晶作用共存。在塑性变形域，长石含有晶内微破裂，但在部分长石边缘出现动态重结晶形成的亚颗粒；石英表现出以亚颗粒化为主的塑性变形特征，而且随着温度升高，石英亚颗粒化程度增强，石英原有细颗粒条带逐渐被新形成的亚颗粒条带所替代；黑云母、角闪石、绿泥石集合体拉长形成条带，在高温下（800℃以上）黑云母和角闪石出现脱水熔融，熔体边缘发现有淬火形成微晶角闪石和黑云母雏晶。而均匀样品石英闪长岩在低温条件下（650℃）处于脆塑性转化域，长石以脆性变形为主，而石英和黑云母以位错滑移为主。在850℃条件下，长石含有晶内微破裂，发育机械双晶，石英亚颗粒化，角闪石出现脱水熔融。在900～1 000℃条件下，长石机械双晶，石英亚颗粒化，大部分角闪石和黑云母出现不同程度的脱水熔融。显然，含先存组构的花岗片麻岩、糜棱岩与均匀样品石英闪长岩的脆塑性转化、塑性变形温度条件，以及主要矿物的变形机制基本相同。

（2）样品强度和流变参数表明，组构对岩石半脆性—塑性变形的力学强度和激活能有显著影响，但对应力指数影响不大，即组构只影响岩石变形的难易程度，不影响岩石的变形机制和应变方式。

在塑性变形阶段，两组糜棱岩给出的应力指数平均都为3左右，两组花岗片麻岩的应力指数平均都在2左右。但糜棱岩在垂直面理组构（PER）和平行面理组构（PAR）的激活能分别为Q＝353kJ/mol和Q＝354±52kJ/mol，花岗片麻岩在垂直面理方向（PER）和平行面理方向（PAR）的激活能分别为Q＝380.0kJ/mol和Q＝246.4kJ/mol。在相同的应变速率和温度条件下，糜棱岩和花岗片麻岩样品在压缩方向垂直面理时的强度都比平行面理时的强度要高。

（3）实验变形组构置换了样品中原有组构。糜棱岩和花岗片麻岩实验变形形成的石英和黑云母、角闪石、绿泥石条带改造了样品原有面理组构，其中，垂直面理组构的样品中新形成的变形组构通过构造置换作用，把原有组构彻底改造；平行面理组构的样品，主体继承了原有组构，这导致垂直面理组构的样品强度高于平行面理组构的样品。表明平行面理组构的岩石更易于变形。在石英闪长岩高温变形实验中，部分样品内含有定向分布的大颗粒斜长石，斜长石长轴方向与最大主应力方向（σ1）大角度相交（接近90°），大颗粒斜长石发生机械双晶和弯曲。样品的这种结构与糜棱岩和花岗片麻岩中的垂直面理组构相类似。显然，组构对岩石强度具有显著的控制作用。这意味着岩石组构与最大主应力方向大角度相交或呈垂直方向时，不利于岩石变形和拆离断层的形成，反之均匀岩石或岩石组构与最大主应力方向小角度相交，有利于岩石变形，容易发育拆离断层。

（4）实验变形形成的新的石英c轴定向，彻底改造了原有石英c轴组构。EBSD 分析表明，实验初始样品中，糜棱岩和花岗片麻岩石英的c轴极密区均位于Z轴附近，底面＜a＞滑移，为低温底面滑移形成的组构。糜棱岩高温实验变形后新形成的细粒石英组构发生了明显变化，其中，垂直面理组构样品在800℃～840℃～850℃的组构分别为底面＜a＞—柱面＜a＞—柱面＜c＞；平行面理组构样品在840℃～850℃～890℃的组构分别为柱面＜a＞（菱面＜a＞）—柱面＜c＞—柱面＜c＞，基本符合中温条件下的滑移系规律。花岗片麻岩垂直面理组构样品的石英组构＜c＞轴极密区位于X 轴附近，为柱面＜c＞滑移；平行面理组构样品的石英组构＜c＞轴极密区位于Z轴附近，伴有少量的X 轴极密，底面＜a＞滑移和柱面＜c＞滑移。表明垂直面理组构的样品石英变形改造比平行面理组构的样品更彻底。

（5）角闪石、黑云母脱水熔融对样品强度有微弱的影响，熔体成分显示脱水熔融为局部非均匀非平衡的部分熔融。

花岗片麻岩在840℃时和糜棱岩在840～850℃时的应力－应变曲线中出现应变软化行为，即随着实验应变增大，熔体含量增加，熔体对样品变形有弱化的趋势。

角闪石脱水形成的熔体以团块状分布于角闪石矿物边缘，黑云母脱水形成的熔体以星点状或树枝状分布于黑云母与长石和石英颗粒边缘，显示出熔体的空间分布非均匀。熔体中主要氧化物含量表明熔体成分受参与熔融的矿物成分控制，其中，黑云母周围的熔体主要来源于黑云母本身，但角闪石边缘的熔体除了来自角闪石外，部分石英、钾长石及钛铁矿等参与了熔融，显示出非平衡部分熔融特征。