礦物中常見的變形顯微構造及其在地質學中的應用

■丁慶峰

（廣東省水文地質大隊　廣東　廣州　510510）

礦物中常見的變形顯微構造及其在地質學中的應用

■丁慶峰

（廣東省水文地質大隊廣東廣州510510）

巖石在壓應力作用下會發生變形，從而在巖石礦物中長生各種顯微構造，這些顯微構造記錄了當時所處的變形環境。應用顯微構造來解決實際的地質問題已越來越廣泛,特別是在變形的運動學和動力學分析、變形溫度條件的推斷以及變形歷史恢復等方面已取得了很大的進展。

顯微構造構造巖石

構造巖石學是奧地利科學家桑德爾（Sander）,創立的一門學科。他認為巖石中的面狀和線狀組構具有對稱性，這種對稱性反映了形成組構時運動的對稱性,可用巖組圖進行描述。我國構造巖石學的發展開始于20世紀30年代。從20世紀70年代中期開始,隨著地質工作的發展和國際交往的帶動,構造地質學在我國得到較快速的發展。

1　巖石的力學行為及影響因素

巖石受到應力的作用就會發生位移和變形，巖石變形是一種重要的構造現象，是構造地質學研究的主要內容。當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；而當作用力較大且作用時間較長時,巖石就會發生永久變形,當作用力超過巖石的破碎強度時,就會發生以斷裂作用為主的變形。巖石在應力作用下，所表現出來的力學行為主要有：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，在相同的環境下，不同的巖石就會有不同的變形特征；在不同的環境下，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，而地殼深部的巖石多處于韌性狀態。增大圍壓會提高巖石的強度，當圍壓達到一定強度時，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部的激活能，降低各組成部分或質點之間的內聚力，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在均衡傳遞空隙壓力，從而使巖石強度降低；作為溶劑能促進物質的溶解和位移，從而改變巖村的結構及成分，利于變形；深部流體或熔體引起礦物顆粒邊界弱化，致使巖石流變強度和有效粘度迅速降低，并導致變形機制從位錯蠕變向擴散蠕變轉化；④應變速率：應變速率快，巖石中的質點來不及重新排列，多顯示脆性行為；應變速率慢，巖石的強度就會相應降低，也較易產生韌性變形。內部因素①巖石的成分及結構構造：組成巖石的礦物種類、顆粒大小、顆粒間的聯結及膠結情況等結構構造因素對巖石的力學性質及變形行為有著直接的影響。具有相同的化學成分和礦物成分的巖石其顆粒大小等結構不同，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育等可導致巖石結構強烈的各向異件，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晶體結構：對于單一的礦物而言，其晶體結構與礦物的力學性質和變形行為有著密切的聯系。如金剛石和石墨，它們的化學成分都是C，但因其晶體結構不同，它們的物理及化學性質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果。位錯運動的實質是原子運動。

圖1　不同溫度與應變速率下大理巖實驗變形應力-應變曲線

圖2　不同溫度下花崗巖的實驗應力-應變曲線

2　礦物中常見的變形顯微構造

2.1顯微破裂

顯微破裂是指出現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。有時也有一些復合形式,如張剪破裂和壓剪破裂，則表現出兩種力學性質的特征。

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生了畸變或者變形作用引起了礦物晶體光率體的應變。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致晶格彎曲所生成的。光性變異，伴隨著礦物強烈的不均勻消光而引起的礦物晶體光率體的變形。X射線性質的變異，也就是變形礦物有時還表現出X射線衍射性質的變化，它是變形礦物中亞晶粒礦物形成的結果。

2.3壓溶現象與壓力影

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

2.4核幔構造

當巖石發生動態重結晶時，在粒徑較大的周圍形成一圈細小的無應變的新變晶粒（即動態重結晶晶粒），即所謂的“晶幔”，中間殘留的保存著一定應變特征（如波狀消光和亞晶粒發育等）的部分則為“晶核”。隨著重結晶的增強，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，而被重結晶的顆粒所取代。

2.5砂鐘構造

在壓應力作用下，晶體中產生一組成X型的剪切破裂面，并伴隨有一定的旋轉，結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，所以表現出類似砂鐘形狀的構造特征。這些裂紋可能在后期被愈合。砂鐘構造也是較為常見的礦物變形特征，如果具有砂鐘構造的礦物晶粒足夠多，它可以作方位測量統計，進行動力學分析。

3　顯微構造在地質學中的應用

3.1運動學分析

判斷剪切指向的準則主要是利用簡單剪切變形中形成的顯微構造的對稱性與應變對稱性之間的關系。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，一般代表了壓性結構面；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）；同構造旋轉變形過程中形成的變斑晶雪球構造可以判別剪切運動指向（圖5）。

圖3　

圖4　

圖5　

3.2動力學分析

利用顯微構造進行動力學分析的方法主要是根據石英變形紋、云母中的扭折帶、雙晶紋來推導主應力方位和利用位錯密度法、亞晶粒法、動態重結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，受不同的變形機制控制，會顯示出不同的變形行為和變形現象。因此，可以根據礦物特定的變形現象來推斷其變形時的溫壓條件。如石英的變形紋，在低溫高壓環境下，石英中常出現底面型變形紋；在高溫低壓環境下，出現柱面型變形紋；在中溫中壓環境下出現次底面型變形紋。礦物的動態重結晶一般只在溫度達到礦物絕對熔融溫度的一半以上時才出現，由此可以根據不同礦物中動態重結晶的出現及強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

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

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P54[文獻碼]B

1000-405X（2016）-9-66-1