“構(gòu)造地質(zhì)學(xué)”發(fā)展方向的一些思考*

侯泉林 LU Lucy Xi 程南南

1. 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049

2. School of Earth and Environmental Sciences, Cardiff University, Cardiff CF10 3AT

3. 河南理工大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，焦作 454003

“構(gòu)造地質(zhì)學(xué)”是地質(zhì)學(xué)中比較古老的學(xué)科，也是地質(zhì)學(xué)的核心基礎(chǔ)學(xué)科，發(fā)展相對(duì)成熟。但是，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家面臨的挑戰(zhàn)之一是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的發(fā)展方向在哪里？這可能是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家思考最多的問題之一，經(jīng)常在不同層級(jí)的會(huì)議上展開研討。智者見智，仁者見仁，不同學(xué)者從不同角度提出了各自看法和思考。作者在編撰《高等構(gòu)造地質(zhì)學(xué)》教材過程中也一直在思考這一問題。本文呈現(xiàn)的一些不成熟想法，僅供討論和參考，期求共識(shí)！

從科學(xué)哲學(xué)角度看，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)與其上一級(jí)學(xué)科——地質(zhì)學(xué)一樣，盡管有其特有的邏輯術(shù)和方法論，但并不構(gòu)成完全獨(dú)立之自然學(xué)科，其方法論和認(rèn)識(shí)論多借鑒于物理學(xué)、化學(xué)和數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)自然科學(xué)(侯泉林，2018a)。本質(zhì)上，構(gòu)造作用是材料(即巖石和/或礦物)對(duì)應(yīng)力作用的響應(yīng)，包括物理響應(yīng)和化學(xué)響應(yīng)，進(jìn)而用特定的數(shù)學(xué)方法對(duì)這些響應(yīng)加以表達(dá)。因此，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)未來的發(fā)展方向應(yīng)是與物理學(xué)、化學(xué)乃至數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的深度融合(圖1)，但又不同于地球物理、地球化學(xué)和數(shù)學(xué)地質(zhì)的結(jié)合方式。

圖1 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)發(fā)展方向框圖Fig.1 Diagram showing the development direction of structural geology

1 物理過程——巖石變形

巖石對(duì)應(yīng)力作用響應(yīng)的物理過程主要表現(xiàn)為變形(deformation)，即不同層次、不同尺度的變形行為。

1.1 脆性變形

在地殼淺層次，巖石變形行為一般為脆性變形(brittle deformation)，表現(xiàn)為巖石發(fā)生脆性破裂，對(duì)其研究運(yùn)用的是巖石力學(xué)理論與方法，遵循的是巖石脆性變形(破裂)準(zhǔn)則，如莫爾-庫侖破裂準(zhǔn)則等。這些理論和方法已發(fā)展和運(yùn)用了上百年，相對(duì)比較成熟，對(duì)淺層次的巖石破裂行為和規(guī)律的認(rèn)識(shí)也比較清楚。因此在巖石的脆性變形領(lǐng)域不太會(huì)有大的基礎(chǔ)科學(xué)問題。但是仍然存在巖石力學(xué)理論方法運(yùn)用中地質(zhì)條件下是否嚴(yán)謹(jǐn)、邊界條件是否符合等問題(侯泉林等，2018)。因此，不連續(xù)、各向異性巖石介質(zhì)在應(yīng)力作用下的脆性和韌-脆性變形行為研究是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的一個(gè)發(fā)展方向。

1.2 韌性變形

隨著向地球深層次擴(kuò)展，巖石變形行為逐漸過渡為塑性變形(plastic deformation)，運(yùn)用的是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和流變學(xué)的理論和方法，遵循的是巖石韌性變形準(zhǔn)則(侯泉林，2018b)。但是，目前對(duì)巖石流變行為的認(rèn)識(shí)還很膚淺，有關(guān)巖石韌性變形的微觀機(jī)制的研究(Karato, 2012; Tullis, 2002)，巖石、礦物流變率和變形準(zhǔn)則的準(zhǔn)確表達(dá)式，以及如何將實(shí)驗(yàn)室得到的流變率應(yīng)用于巖石圈變形過程之中等問題的思考也都很不成熟。因此，不同時(shí)間尺度和空間尺度下巖石的流變行為及其變形準(zhǔn)則研究可能是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的一個(gè)發(fā)展方向。事實(shí)上在過去50年的研究中，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家對(duì)于巖石圈塑性變形的研究更側(cè)重于大變形的幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析(Ramsay and Graham, 1970; Ramsay, 1980; Davisand Titus, 2011)，而忽略了巖石力學(xué)性能和應(yīng)力(Fletcher and Pollard, 1999)。傳統(tǒng)的構(gòu)造分析與巖石力學(xué)研究處于割裂狀態(tài)。

巖石的力學(xué)性能(流變學(xué))決定了其變形行為。在幾乎所有的觀測(cè)尺度上，巖石圈都可以看作由諸多巖石力學(xué)性能不同的部分組成的復(fù)合材料。當(dāng)巖石圈受到板塊尺度的邊界條件作用時(shí)，各個(gè)力學(xué)性能不同的部分相互作用導(dǎo)致了其內(nèi)部變形特征的差異(Lister and Williams，1983)。也就是說，在小尺度上(露頭，手標(biāo)本或顯微鏡下)觀測(cè)的構(gòu)造現(xiàn)象只能反映其相應(yīng)尺度上的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，不能直接與板塊尺度邊界條件聯(lián)系起來。而變形過程中構(gòu)造、組構(gòu)的發(fā)展又會(huì)反過來影響巖石圈整體力學(xué)性能。時(shí)間和空間上的不均一性一直是研究巖石圈變形特征和流變性能的巨大挑戰(zhàn)。定量地研究巖石圈多尺度變形和整體流變性能涉及多個(gè)學(xué)科，即需要結(jié)合野外和實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)結(jié)果，巖石力學(xué)研究，以及完備力學(xué)途徑的多尺度模擬方法(Jiang and Bentley，2012；Jiang，2013，2014，2016; Jiang and Williams, 2019; Lu, 2020)，即在非均勻變形中，建立整體與局部、宏觀與微觀之間的關(guān)系。

不同時(shí)間尺度和深度層次的變形行為相差迥異，比如瞬時(shí)的地震和百萬年尺度上的造山運(yùn)動(dòng)。地殼淺層次與深層次之間如何過渡？其變化規(guī)律如何？最近一個(gè)時(shí)期以來，有關(guān)“慢地震(slow earthquake/slow slip)”問題備受關(guān)注，其焦點(diǎn)集中于脆-韌性變形轉(zhuǎn)換帶的流變行為(Ideetal.，2007；Itoetal.，2007；Gao and Wang，2014，2017; Fagereng and Beall, 2021)。此外，是否發(fā)育高壓和超高壓構(gòu)造巖及其成因問題(趙中巖等，2002；Zhaoetal.，2003，2005；Fang and Zhao，2019；侯泉林，2020; Lu and Jiang, 2019)，礦物流變律和本構(gòu)方程的建立、應(yīng)用以及對(duì)巖石圈強(qiáng)度的理解(Kohlstedtetal., 1995; Lu and Jiang, 2019)，巖石圈多尺度變形問題，以及同位素年代學(xué)與構(gòu)造事件的關(guān)系問題等，也是值得關(guān)注的問題。

2 化學(xué)過程——應(yīng)力化學(xué)

構(gòu)造應(yīng)力作用除了引起物理變形外，能否引起巖石和礦物的化學(xué)變化(如變質(zhì)作用和裂解作用等)？或者說應(yīng)力在化學(xué)變化中如何發(fā)揮何種作用？其作用機(jī)理如何？仍不清楚。力的作用能否引起化學(xué)變化是一個(gè)爭論了百年的老問題，現(xiàn)在看來是個(gè)應(yīng)力化學(xué)(Stress Chemistry)問題。

近些年來，作者團(tuán)隊(duì)的研究工作有力地支持了應(yīng)力化學(xué)的思想，并豐富了其內(nèi)涵(Houetal.，2012；韓雨貞，2019；王瑾，2019；程南南，2020；侯泉林和劉慶，2020)。對(duì)構(gòu)造煤的研究揭示，應(yīng)力作用引起的化學(xué)變化機(jī)理與熱作用不同，它是通過降低化學(xué)反應(yīng)的能壘來實(shí)現(xiàn)，如有機(jī)芳環(huán)在2500K方可發(fā)生熱解，而在剪應(yīng)力作用下，600K便可發(fā)生裂解(Wangetal.，2021)。韌性剪切帶成礦過程的流體閃蒸也可能包含了豐富的應(yīng)力化學(xué)過程(程南南，2020；侯泉林和劉慶，2020)。構(gòu)造作用過程的許多情況是實(shí)驗(yàn)室無法實(shí)現(xiàn)的，如極低的應(yīng)變速率(造山作用、韌性剪切作用)，其化學(xué)過程可能超出人們的想象。因此，應(yīng)力化學(xué)研究可能是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的另一發(fā)展方向。以下僅就可能存在應(yīng)力化學(xué)過程的幾個(gè)方面作簡要分析和討論。

2.1 變形變質(zhì)作用

通常認(rèn)為，變質(zhì)作用是在溫度、壓力(圍壓)和流體的作用下引起巖石和礦物的化學(xué)變化過程。那么，由應(yīng)力及其所引起的變形在變質(zhì)作用中發(fā)揮何種作用？恐怕不僅僅是以往認(rèn)為的簡單動(dòng)力變質(zhì)，形成一些糜棱巖那么簡單。變形變質(zhì)作用過程中，哪些礦物化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化或化學(xué)鍵的斷裂是因?yàn)閼?yīng)力作用降低了其能壘而產(chǎn)生的？

2.2 剪切帶的成礦作用

剪切帶的成礦過程大致為“多期巖體-熱液流體-構(gòu)造剪切-脆性破裂(R，R′，T)-應(yīng)力驟降-流體閃蒸-元素析出成礦”(程南南，2020；侯泉林和劉慶，2020)。在應(yīng)力驟降和流體閃蒸、元素析出成礦過程中，應(yīng)力對(duì)成礦化學(xué)過程是抑制作用還是促進(jìn)作用？其機(jī)理如何？

2.3 剪切帶的石墨化現(xiàn)象

剪切帶，尤其是通過碳酸鹽巖的高應(yīng)變剪切帶中常發(fā)育石墨，甚至稱“石墨是斷層的化石”(劉江等，2016；Kuoetal.，2017)。那么，這些石墨是哪里來的？如何形成的？尚不清楚。有一種可能性尚未引起關(guān)注，即碳酸鹽礦物(CaCO3和MgCO3等)中的C-O鍵在構(gòu)造應(yīng)力作用下被打開。C-O鍵在常規(guī)化學(xué)作用下發(fā)生斷裂相當(dāng)困難，但在長期應(yīng)力作用下或地震作用下C-O鍵斷裂可能并非難事。若如此，一些油氣資源的形成是否與此應(yīng)力化學(xué)過程有一定關(guān)系？應(yīng)力作用是否會(huì)降低石墨形成的溫度、壓力條件而促進(jìn)石墨的形成？金剛石的形成又將如何？應(yīng)力作用下，巖石發(fā)生變質(zhì)的條件是否不需要現(xiàn)在認(rèn)為的那么高？再者，應(yīng)力化學(xué)過程是否也可引起同位素的變化？如此等等尚不得而知。

2.4 應(yīng)力生氣和生烴

通常認(rèn)為，有機(jī)質(zhì)的生氣和生烴是熱解過程。然而，新近研究表明，應(yīng)力可以直接作用于煤的大分子結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生氣體和小分子片段，如剪應(yīng)力作用于十分穩(wěn)定的縮聚芳環(huán)反而很容易發(fā)生破裂從而變得不穩(wěn)定，而且力解和熱解的反應(yīng)路徑和產(chǎn)物具有很大不同(王瑾，2019)。煤礦中煤與瓦斯突出產(chǎn)生的超量瓦斯(CH4)很可能是煤瞬間應(yīng)力裂解的結(jié)果(Houetal.，2012；Xuetal.，2014；韓雨貞，2019)。若如此，是否也存在應(yīng)力生烴？有些油氣資源的成因是否需重新認(rèn)識(shí)？

慢地震是目前的研究熱點(diǎn)之一，其發(fā)育機(jī)理是否與應(yīng)力化學(xué)能的釋放有關(guān)？以及在應(yīng)力作用下，無機(jī)礦物和有機(jī)礦物分子化學(xué)變化機(jī)理有何差異？這些前沿問題都有待探討。

應(yīng)力化學(xué)的研究才剛剛起步。構(gòu)造作用，乃至地質(zhì)作用過程中有諸多應(yīng)力化學(xué)過程尚未被認(rèn)知，需要進(jìn)一步探究。因此，應(yīng)力化學(xué)研究應(yīng)是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)未來的重要發(fā)展方向，應(yīng)當(dāng)給予重視。

3 數(shù)值模擬、量子計(jì)算和數(shù)學(xué)表達(dá)

許多構(gòu)造作用過程無法在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)和檢驗(yàn)，而數(shù)值模擬及量子化學(xué)計(jì)算可能是認(rèn)識(shí)該過程的有效途徑。當(dāng)研究達(dá)到一定程度，無論是構(gòu)造作用中的物理過程還是化學(xué)過程最終都要轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)表達(dá),也就是說，地質(zhì)學(xué)要與數(shù)學(xué)相融合，但又不同于傳統(tǒng)意義上的數(shù)學(xué)地質(zhì)。因此，數(shù)值模擬、量子化學(xué)計(jì)算和運(yùn)用完備力學(xué)進(jìn)行構(gòu)造過程的數(shù)學(xué)表達(dá)(Fletcher and Pollard，1999)等也是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)值得關(guān)注的發(fā)展方向。

致謝感謝中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院閆全人教授及“構(gòu)造組會(huì)”同仁和審稿專家提出的寶貴意見。

值此李繼亮先生逝世一周年之際，謹(jǐn)以此文緬懷恩師！