劉 貴

1）中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，中國科學(xué)院計算動力學(xué)重點實驗室，北京100049

2）中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029

（作者電子信箱，劉貴：hairylife＠163.com）

華北克拉通減薄是近年來地學(xué)界的熱點問題，拆離斷層形成與地殼伸展減薄是華北克拉通巖石圈減薄的淺部響應(yīng)，而拆離斷層內(nèi)巖石的流動及變形機(jī)制直接受控于巖石流變學(xué)狀態(tài)。對于華北克拉通地殼流變研究，流變實驗和天然樣品流變分析多數(shù)集中在下地殼，對于與拆離斷層對應(yīng)的中上地殼流變實驗研究比較少。目前為止，有關(guān)于地殼伸展和拆離斷層形成相關(guān)的巖石流變實驗處于空白狀態(tài)。

中地殼巖石經(jīng)歷了變質(zhì)變形作用，發(fā)育有強(qiáng)烈的變形組構(gòu)。為了研究先存組構(gòu)對中地殼長英質(zhì)巖石流變的影響，本論文選擇華北克拉通北部遼東拆離斷層中具有變形組構(gòu)的花崗片麻巖和糜棱巖為實驗樣品，開展了2組樣品在實驗壓縮方向分別平行和垂直面理組構(gòu)的高溫高壓流變實驗（共4組）。實驗條件為溫度600～890℃，圍壓800～1 200 MPa，應(yīng)變速率1×10－4/s～2.5×10－6/s為主。實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過了軸壓摩擦力扣除和因樣品變形產(chǎn)生面積變化的校正等處理，獲得了校正后的力學(xué)數(shù)據(jù)，并求取了流變參數(shù)。利用偏光顯微鏡，掃描電鏡對實驗樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)與變形機(jī)制的研究；通過透射電鏡能譜與電子探針，分析了熔體的分布和成分特征；采用電子背散射（EBSD）分析獲取了巖石中石英C 軸組構(gòu)變化極圖。探討不同組構(gòu)方向巖石的力學(xué)參數(shù)和微觀特征以及實驗變形對原有組構(gòu)的構(gòu)造置換作用。另外為了對比組構(gòu)的影響，還分析了在溫度650～1 000℃，壓力1 050～1 100 MPa條件下均勻樣品石英閃長巖高溫高壓流變后樣品的微觀結(jié)構(gòu)和熔體特征。為研究地殼拆離斷層帶形成與演化規(guī)律，完善拆離斷層帶形成演化和地殼伸展減薄模型提供必要的實驗室數(shù)據(jù)。論文獲得的主要進(jìn)展如下：

（1）先存組構(gòu)對花崗質(zhì)巖石的脆塑性轉(zhuǎn)化機(jī)制沒有影響。糜棱巖和花崗片麻巖樣品在600～800℃的低溫階段處于半脆性變形域；800～890℃的高溫時轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃巍?/p>

在半脆性變形域，2組糜棱巖和花崗片麻巖樣品中，長石以脆性破裂為主，石英碎裂和動態(tài)重結(jié)晶作用共存。在塑性變形域，長石含有晶內(nèi)微破裂，但在部分長石邊緣出現(xiàn)動態(tài)重結(jié)晶形成的亞顆粒；石英表現(xiàn)出以亞顆粒化為主的塑性變形特征，而且隨著溫度升高，石英亞顆?；潭仍鰪?qiáng)，石英原有細(xì)顆粒條帶逐漸被新形成的亞顆粒條帶所替代；黑云母、角閃石、綠泥石集合體拉長形成條帶，在高溫下（800℃以上）黑云母和角閃石出現(xiàn)脫水熔融，熔體邊緣發(fā)現(xiàn)有淬火形成微晶角閃石和黑云母雛晶。而均勻樣品石英閃長巖在低溫條件下（650℃）處于脆塑性轉(zhuǎn)化域，長石以脆性變形為主，而石英和黑云母以位錯滑移為主。在850℃條件下，長石含有晶內(nèi)微破裂，發(fā)育機(jī)械雙晶，石英亞顆?；?，角閃石出現(xiàn)脫水熔融。在900～1 000℃條件下，長石機(jī)械雙晶，石英亞顆?；?，大部分角閃石和黑云母出現(xiàn)不同程度的脫水熔融。顯然，含先存組構(gòu)的花崗片麻巖、糜棱巖與均勻樣品石英閃長巖的脆塑性轉(zhuǎn)化、塑性變形溫度條件，以及主要礦物的變形機(jī)制基本相同。

（2）樣品強(qiáng)度和流變參數(shù)表明，組構(gòu)對巖石半脆性—塑性變形的力學(xué)強(qiáng)度和激活能有顯著影響，但對應(yīng)力指數(shù)影響不大，即組構(gòu)只影響巖石變形的難易程度，不影響巖石的變形機(jī)制和應(yīng)變方式。

在塑性變形階段，兩組糜棱巖給出的應(yīng)力指數(shù)平均都為3左右，兩組花崗片麻巖的應(yīng)力指數(shù)平均都在2左右。但糜棱巖在垂直面理組構(gòu)（PER）和平行面理組構(gòu)（PAR）的激活能分別為Q＝353kJ/mol和Q＝354±52kJ/mol，花崗片麻巖在垂直面理方向（PER）和平行面理方向（PAR）的激活能分別為Q＝380.0kJ/mol和Q＝246.4kJ/mol。在相同的應(yīng)變速率和溫度條件下，糜棱巖和花崗片麻巖樣品在壓縮方向垂直面理時的強(qiáng)度都比平行面理時的強(qiáng)度要高。

（3）實驗變形組構(gòu)置換了樣品中原有組構(gòu)。糜棱巖和花崗片麻巖實驗變形形成的石英和黑云母、角閃石、綠泥石條帶改造了樣品原有面理組構(gòu)，其中，垂直面理組構(gòu)的樣品中新形成的變形組構(gòu)通過構(gòu)造置換作用，把原有組構(gòu)徹底改造；平行面理組構(gòu)的樣品，主體繼承了原有組構(gòu)，這導(dǎo)致垂直面理組構(gòu)的樣品強(qiáng)度高于平行面理組構(gòu)的樣品。表明平行面理組構(gòu)的巖石更易于變形。在石英閃長巖高溫變形實驗中，部分樣品內(nèi)含有定向分布的大顆粒斜長石，斜長石長軸方向與最大主應(yīng)力方向（σ1）大角度相交（接近90°），大顆粒斜長石發(fā)生機(jī)械雙晶和彎曲。樣品的這種結(jié)構(gòu)與糜棱巖和花崗片麻巖中的垂直面理組構(gòu)相類似。顯然，組構(gòu)對巖石強(qiáng)度具有顯著的控制作用。這意味著巖石組構(gòu)與最大主應(yīng)力方向大角度相交或呈垂直方向時，不利于巖石變形和拆離斷層的形成，反之均勻巖石或巖石組構(gòu)與最大主應(yīng)力方向小角度相交，有利于巖石變形，容易發(fā)育拆離斷層。

（4）實驗變形形成的新的石英c軸定向，徹底改造了原有石英c軸組構(gòu)。EBSD 分析表明，實驗初始樣品中，糜棱巖和花崗片麻巖石英的c軸極密區(qū)均位于Z軸附近，底面＜a＞滑移，為低溫底面滑移形成的組構(gòu)。糜棱巖高溫實驗變形后新形成的細(xì)粒石英組構(gòu)發(fā)生了明顯變化，其中，垂直面理組構(gòu)樣品在800℃～840℃～850℃的組構(gòu)分別為底面＜a＞—柱面＜a＞—柱面＜c＞；平行面理組構(gòu)樣品在840℃～850℃～890℃的組構(gòu)分別為柱面＜a＞（菱面＜a＞）—柱面＜c＞—柱面＜c＞，基本符合中溫條件下的滑移系規(guī)律?；◢徠閹r垂直面理組構(gòu)樣品的石英組構(gòu)＜c＞軸極密區(qū)位于X 軸附近，為柱面＜c＞滑移；平行面理組構(gòu)樣品的石英組構(gòu)＜c＞軸極密區(qū)位于Z軸附近，伴有少量的X 軸極密，底面＜a＞滑移和柱面＜c＞滑移。表明垂直面理組構(gòu)的樣品石英變形改造比平行面理組構(gòu)的樣品更徹底。

（5）角閃石、黑云母脫水熔融對樣品強(qiáng)度有微弱的影響，熔體成分顯示脫水熔融為局部非均勻非平衡的部分熔融。

花崗片麻巖在840℃時和糜棱巖在840～850℃時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線中出現(xiàn)應(yīng)變軟化行為，即隨著實驗應(yīng)變增大，熔體含量增加，熔體對樣品變形有弱化的趨勢。

角閃石脫水形成的熔體以團(tuán)塊狀分布于角閃石礦物邊緣，黑云母脫水形成的熔體以星點狀或樹枝狀分布于黑云母與長石和石英顆粒邊緣，顯示出熔體的空間分布非均勻。熔體中主要氧化物含量表明熔體成分受參與熔融的礦物成分控制，其中，黑云母周圍的熔體主要來源于黑云母本身，但角閃石邊緣的熔體除了來自角閃石外，部分石英、鉀長石及鈦鐵礦等參與了熔融，顯示出非平衡部分熔融特征。