先存组构对各向异性岩石流变强度的影响

刘 贵 周永胜 石耀霖

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，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

0 引言

花岗质岩石的流变实验是认识中上地壳流变结构的主要途径，是大陆动力学研究的重要环节。通过对均匀结构花岗岩样品流变实验研究(Dell'Angelo et al.，1996;Schulmann et al.，1996;Bagdassarov et al.，1998)，初步建立了中上地壳的流变结构。然而，大量野外地质研究表明，在高应变区，花岗岩因变形而形成的层状结构是地壳深部变形的主要特征。例如在上地壳，通过长石的分解，形成云母条带层(Evans，1988);在中下地壳，S－C组构普遍存在(Lister et al.，1984;Shimamoto，1989)，形成带状或斑状花岗质片麻岩、糜棱岩(Schulmann et al.，1996)。由于花岗质岩石中的变形层状组构导致岩石出现各向异性，不仅影响岩石的强度，而且对后期变形具有显著控制作用。例如，Liu等(2013)对辽东半岛拆离断层内构造岩的研究发现，构造岩显示中温变形组构被低温变形组构改造，结合年代学数据得出，辽东拆离断层经历了2期变形，早期为中温韧性剪切，晚期为低温脆性－韧性转化域的剪切变形，这表明拆离断层形成和发育程度受中地壳岩石的流变——脆－韧性转化变形控制。由于这2期剪切变形都发生在同一拆离断层带上，后期的脆－韧性变形是在已经变形的糜棱岩基础上发展的。早期糜棱岩变形组构不仅控制了拆离断层带后期变形的发生与发展，而且影响了地壳伸展与减薄。

采用非均匀样品，进行高温、高压流变实验，是研究先存组构对各向异性岩石流变影响的直接途径。前人对具有层状组构的各向异性岩石的半脆性破裂实验有了初步的结果，但研究组构对岩石流变影响的实验非常少(刘贵等，2013)。早期开展的层状页岩和云母片岩的脆性－半脆性破裂实验(Jaeger，1960;Donath，1961，1964，1972;Borg et al.，1966;Paterson et al.，1966;McLamore et al.，1967;McCabe et al.，1975)表明，层状结构对岩石破裂强度有显著的影响:当先存变形面理与最大主应力方向的角度为45°时，岩石强度最小。但是，也有一些层状岩石破裂实验显示，破裂强度可能在与面理呈30°方向时最小(Donath，1961，1964;McLamore et al.，1967)。云母片岩半脆性流变实验(Gottschalk et al.，1990;Shea et al.，1992，1993)表明，不仅岩石强度随云母含量的增加而减小，而且云母分布均匀程度也直接影响样品强度。Ji等(2000)通过合成石英－钙长石的均匀混合体(Pc)和层状结构岩石的实验，研究了单相矿物、均匀混合体、层状结构岩石的强度特征，结果显示，均匀混合体和层状结构的岩石强度比纯的钙长石的强度高。Druiventak等(2011)研究了面理化橄榄岩在压缩方向垂直于面理和平行于面理时的半脆性破裂强度，结果表明，部分样品在这2个方向的岩石强度变化不明显，但也有部分样品强度在垂直于面理方向显著大于平行于面理方向。沿与糜棱岩面理呈45°方向的剪切变形实验(Rabinowitz et al.，2012)同样显示，组构对剪切变形强度和变形方式都有显著影响。

这些实验结果为分析组构对各向异性岩石流变强度影响提供了很好的实验数据。本文重新分析和总结了云母片岩半脆性流变实验数据(Shea et al.，1992，1993)以及合成石英－钙长石均匀混合体(Pc)和层状结构样品的流变实验数据(Ji et al.，2000)，并结合花岗片麻岩和糜棱岩半脆性－塑性流变实验结果(刘贵等，2013;Liu et al.，2014)讨论了先存组构对各向异性岩石流变强度的影响。

1 组构对云母片岩和片麻岩流变强度的影响

Gottschalk等(1990)、Shea等(1992，1993)采用3种云母片岩和片麻岩，开展了实验压缩方向与样品面理方向夹角分别为 0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°的半脆性流变实验，结果显示，岩石强度受云母分布和岩石面理与压缩轴之间的角度控制(图1)。

在相同云母含量条件下，云母集中分布于局部条带，压缩轴与岩石面理在0°～15°与75°～90°方向，样品强度相同，而且达到最大，在30°和60°方向，强度迅速降低，在45°方向强度最低，相当于压缩轴平行或垂直岩石面理方向的岩石强度的1/4(Gottschalk et al.，1990;Shea et al.，1992，1993)(图1 a)。云母均匀分布但沿面理定向时，压缩轴与岩石面理在0°～15°与75°～90°方向，样品强度相同，而且达到最大，在靠近30°和60°方向，强度缓慢降低，在45°方向强度最低，相当于压缩轴平行或垂直岩石面理方向的岩石强度的2/3(图1b)。如果云母均匀分布，样品表现为形态各向同性，样品在各方向的压缩强度基本相同，而且普遍比较低(图1c)。显然，云母分布以及实验压缩方向与样品面理夹角都会影响样品强度。

图1 云母分布、面理与压缩方向夹角对云母片岩破裂强度的影响(Shea et al.，1992，1993)Fig.1 Effect of mica distribution and angle between foliation and compression direction on the fracture strength of mica schist(after Shea et al.，1992，1993).

这些实验结果表明，组构对岩石的流变强度影响显著。压缩轴与岩石面理呈45°方向的样品强度往往相当于压缩轴平行或垂直岩石面理方向的岩石强度的1/4～2/3，但平行面理和垂直面理样品的岩石强度是基本一致的。

2 组构对石英－长石热压合成样品强度的影响

2.1 层状组构对石英－长石热压样品强度的影响

层状构造是所有沉积岩、变质岩以及部分岩浆岩的重要特征，这些岩石由具有不同力学性质的成分层构成(嵇少丞等，2008a)，之前人们一直认为层状岩石的强度近似等于弱层强度。Ji等(2000)采用石英和钙长石各含50%的均匀混合体(Pc)和具有层状结构的合成样品，通过高温高压实验，研究了单相矿物钙长石、均匀混合体以及最大主应力方向垂直于石英－钙长石层(以下简称为PER)样品的强度(图2)。实验结果显示，石英的强度最高，钙长石的强度最低，均匀混合体和合成层状样品(PER)强度比纯的钙长石的强度高，比石英强度低。用钙长石强度归一化后，σpc/σAn和σper/σAn值为2～8，部分样品强度之比达到20～24(图3)。显示出各向异性样品的强度介于强相与弱相之间，而不是传统意义上认为的成分分层岩石的强度由弱层控制。

2.2 石英、长石粒度对样品强度的影响

图2 矿物成分、矿物分层厚度比值(D/h)对岩石强度的影响(Ji et al.，2000)Fig.2 Effect of component and D/h of minerals on the strength of rocks(after Ji et al.，2000).

图3 石英－钙长石的均匀混合体(Pc)和层状合成样品强度与钙长石强度之比随温度的变化(根据Ji et al.，2000，Xiao et al.，2002的实验数据重新分析)Fig.3 The intensity ratio between synthetic layer and particulate quartz-anorthite composites and anorthite changes with temperature(re-analysed creep data from Ji et al.，2000，Xiao et al.，2002).

石英与钙长石层状合成样品中(Ji et al.，2000)，样品直径与成分层厚度的比值(D/h)也直接影响样品强度，D/h值越大，样品强度越高，其中D/h=9的样品强度比D/h=3的样品强度高，D/h=1的样品强度比D/h=3时略低(图2，3)。均匀混合体样品的高温流变实验显示(Xiao et al.，2002)，不仅混合体样品比纯的钙长石强度高，而且其强度之比随石英和钙长石比例变化，石英含量越高，其强度之比越大(图3，4)。显示出在相同温度和应变速率条件下，石英比钙长石强度大，钙长石比石英更容易变形。

这一结果与野外地质观察及花岗岩变形实验结果相悖。在地壳脆－塑性转化带和塑性变形的糜棱岩样品中，石英表现为压扁拉长、亚晶粒化、重结晶等现象，表明石英发生位错蠕变、动态重结晶恢复，为典型的塑性变形。而长石仍表现为半脆性变形，以相对刚性的碎斑或碎裂基质形式出现于变形岩石中。在这种环境中，石英力学强度比长石弱得多，石英容易变形，岩石的变形是由石英的塑性变形控制的。天然花岗岩变形实验结果显示，石英容易变形，而且如果石英含量 ＞20%，则石英控制样品强度(周永胜等，2009)。

图4 石英含量对均匀混合体样品强度的影响(Xiao et al.，2002)Fig.4 Content of quartz effect on the strength of quartz-anorthite composites(after Xiao et al.，2002).

出现这种截然相反结果的原因是样品粒度造成的。在野外地质观察和天然花岗岩样品实验中，石英和长石的粒度接近，或者石英粒度略小，石英与长石粒度之比在0.5～1之间。而石英－钙长石组合的热压均匀样品中(Ji et al.，2000;Xiao et al.，2002)，钙长石粒度非常小，为2～6μm，而石英的粒度相对于钙长石较大，为30～40μm。在该实验中，由于实验样品粒度很小，高温下钙长石普遍为扩散蠕变，石英可能处于扩散蠕变与半脆性变形边界(Ji et al.，2000)。在扩散蠕变域，粒度对样品强度有显著影响，根据石英和长石的变形机制图(Rybacki et al.，2004;Burgmann et al.，2008)，粒度越大，强度越大。由于石英粒度远大于长石，因此，实验结果出现石英强度显著高于钙长石的情况(图2)。这充分显示出粒度的非均匀对样品强度有显著影响。

3 组构对花岗片麻岩强度的影响

脆性－半脆性破裂的片麻岩实验表明(Gottschalk et al.，1990)，破裂强度不仅同面理 S与压缩方向夹角相关，而且与线理L方向相关，压缩方向平行线理时，样品破裂强度比垂直线理方向要大(Gottschalk et al.，1990)(图5)。云母片岩、含云母片麻岩和橄榄岩为400～700℃时为脆性－半脆性破裂，其垂直于面理(PER)与平行于面理(PAR)强度之比(σper/σpar)大部分为0.9～1.1，表明2个方向强度接近，但也有部分样品在2个方向的强度之比(σper/σpar)在1.2～1.3之间，显示出垂直于面理的强度大于平行于面理的强度(图5)。

图5 压缩方向垂直面理和平行面理的样品强度比与温度的关系(根据刘贵等，2013，Gottschalk et al.，1990，Druiventak et al.，2012，Shea et al.，1992 的实验数据重新整理)Fig.5 The intensity ratio between rocks with PER and PAR versus temperature(re-analysed experimental data from LIU Gui et al.，2013;Gottschalk et al.，1990;Druiventak et al.，2012;Shea et al.，1992).

为了研究组构对花岗片麻岩变形强度的影响，刘贵等(2013)在温度为600～850℃，压力为800～1 200MPa条件下，分别开展了压缩方向垂直和平行花岗片麻岩面理的半脆性－塑性流变实验研究。实验样品取自块状花岗片麻岩，把钻取的圆柱状样品抛光磨圆至直径3mm，高度6mm，放入烘箱内，在150℃条件下干燥48h，以脱去样品吸附的自由水。变形实验采用等应变速率加载，主要考察样品在压缩方向垂直于花岗片麻岩面理(PER)和平行于面理(PAR)条件下的强度特征。

实验结果显示(刘贵等，2013)，在600～700℃条件下，样品为半脆性破裂，其压缩方向垂直于面理的岩石强度与平行于面理的岩石强度之比(σper/σpar)为0.9～1.1，表明样品在2个方向的强度接近，这与前人的结果相同(图5)。但在800～850℃条件下，样品为塑性流变，垂直于面理的岩石强度与平行于面理的岩石强度之比(σper/σpar)在1.1～1.8之间。即在相同的应变速率和温度条件下，样品压缩方向垂直于面理(PER)和平行于面理(PAR)的半脆性破裂强度基本相同，但垂直于面理方向的流变强度显著高于平行于面理方向的流变强度(图5)。

4 组构对花岗质糜棱岩强度的影响

与花岗片麻岩相比，花岗质糜棱岩中的矿物粒度更细，而且面理组构更为显著。为了研究强烈韧性变形形成的面理组构对各向异性岩石流变强度的影响，在温度600～890℃，压力1 200MPa的条件下开展了花岗质糜棱岩半脆性－塑性流变实验研究，同样考察样品在压缩方向垂直于糜棱岩面理和平行于面理条件下的强度特征(Liu et al.，2014)。实验方法与花岗片麻岩变形实验相同(刘贵等，2013)。实验结果表明(Liu et al.，2014)，在600℃条件下，样品为半脆性破裂，其压缩方向垂直于面理的岩石强度与平行于面理的岩石强度之比(σper/σpar)为0.9～1.1，表明样品在2个方向的强度接近(图6)。但在700～890℃条件下，样品为塑性流变，垂直于面理的岩石强度与平行于面理的岩石强度之比(σper/σpar)在 1.2～1.4之间(图 6)。

上述实验结果与花岗片麻岩的实验结果相同，表明在半脆性破裂域(600℃)，样品压缩方向垂直于面理和平行于面理的破裂强度基本相同;但在塑性流变域(700～890℃)，垂直于面理方向的强度显著高于平行于面理方向的强度(图 6)。

图6 糜棱岩在压缩方向垂直面理和平行面理的强度之比与温度的关系Fig.6 The intensity ratio between mylonite with PER and PAR versus temperature.

5 讨论

5.1 组构对各向异性岩石强度影响机制及其对地壳拆离断层形成和发育的启示

实验结果表明，在半脆性破裂域，样品压缩方向垂直于面理和平行于面理的强度基本相同，在压缩方向与面理呈30°夹角时，岩石破裂强度最小，这符合库仑破裂准则和断层沿弱面摩擦滑动规律;在塑性流变域，垂直于面理方向的强度显著高于平行于面理方向，当面理与最大主应力方向角度为45°时，岩石强度最小，这与塑性滑移线场理论和塑性流动网络模型是一致的。

通过偏光显微镜和扫描电镜对岩石变形微观结构观察表明(刘贵等，2013;Liu et al.，2014)，岩石先存面理构成了岩石中的力学弱面，当该弱面与压缩方向夹角在30°～45°时，满足库仑破裂或塑性滑移所需条件，应变集中于该弱面，实验变形完全继承了原有面理组构，因此其强度比较低。与此相反，压缩方向垂直面理的样品，在实验变形过程形成新的变形条带，把原有的面理破坏，这需要更多的能量和更高的应力，因此强度最高;而压缩方向平行于面理的样品，在实验变形过程中形成的变形带主体继承了原有组构，但局部形成新的变形带，后期变形对原有组构的继承与改造作用共存，决定了岩石强度比较高，但小于压缩方向垂直于面理的样品强度。EBSD分析显示(刘贵等，2013;Liu et al.，2014)，在低温半脆性条件下，实验变形对石英组构改造不显著，但在高温条件下，实验变形对石英组构有显著的改造作用，而且垂直于面理的样品中石英变形改造比平行于面理的样品更彻底。这与微观结构分析结果是一致的。

在华北克拉通内，发育大量的拆离断层，控制了地壳伸展减薄。拆离断层在形成和发育过程中，随着地壳减薄，温度降低，早期中高温条件下形成的韧性剪切带，被晚期低温脆性－韧性转化域的剪切变形叠加与改造(Liu et al.，2013)。因此，后期的脆性－韧性变形是在已经变形的糜棱岩基础上发展的，由于拆离断层在不同深度层次上的产状发生变化，后期变形与早期变形形成的糜棱岩面理就会有一定的交角。如果岩石中的先存变形组构方向与所受到的最大主应力的方向一致或呈小角度相交(类似于本研究中平行于岩石面理方向的压缩实验)，有利于拆离断层发育;如果岩石中先存变形组构的方向与所受到的最大主应力方向呈大角度相交(类似于本研究中垂直于岩石面理方向的压缩实验)，由于矿物晶粒阻碍细颗粒的位错滑移，增强了岩石强度，不利于拆离断层发育。如果先存变形组构与拆离断层拉伸方向交角在30°～45°范围，最有利于拆离断层的持续发展。

5.2 岩石中弱相矿物和强相矿物对强度的影响

为了解释非均匀样品的变形机制，一些研究者通过理论模型分析岩石中弱相矿物和强相矿物在非均匀岩石变形中所起的作用。Handy(1994)、Handy等(1999)、Dell'Angel等(1996)给出流变引起的两相矿物端元结构和相分布的规律:1)Load-bearing framework(LBF):当体积大的相构成了应力的支撑构架时，它就承担了相应大的应变。2)Interconnected weak layer(IWL):当弱相连续成层状时，构成了相对弱的层状结构，大部分的应变量则集中于弱相当中，岩石强度也相对地降低。云母片岩和片麻岩实验结果(Gottschalk et al.，1990;Shea et al.，1992，1993)与该模型预测结果吻合。但石英和钙长石各含50%的层状样品实验中(Ji et al.，2000)，层状样品强度介于强相石英与弱相钙长石之间，而不是由弱层控制，显示多组分层状岩石流变的复杂性。因此，系统开展组构对各向异性岩石流变影响的实验，是全面认识这种复杂岩石流变最有效的方法。

在多相矿物均匀分布的岩石中，应力在各矿物之间的分配主要取决于它们的体积分数。如果体积分数≥65%的矿物构成应力支撑构架，其他含量少的矿物“充填”于这一构架中“间隙”，样品强度由支撑应力的主要矿物决定(Ji et al.，2002，2004)。如果体积分数 ＜65% 的矿物构成应力支撑构架，其他矿物随机分布于其间，弱相矿物积累了更大的应变，逐渐形成连续的弱化剪切带;而强相矿物经受较小的应变，使原先由强相矿物彼此相接所构成的应力支撑构架遭到破坏，导致岩石流动强度由弱相矿物控制，造成岩石流动强度大大降低，形成构造层理弱化(嵇少丞等，2008b)。

花岗岩变形实验结果与上述理论分析比较吻合。在西藏二长花岗岩中，含量达到70%的斜长石和钾长石呈自形－半自形板状，含量为25%的石英呈半自形－他形充填在长石之间，该花岗岩比含他形长石的居庸关花岗岩强度要高得多，在700～800℃时的强度大于居庸关花岗岩在室温时的强度(周永胜等，2009)。由斜长石、石英和角闪石构成的样品，当石英含量＜10%、斜长石和角闪石含量接近时，斜长石和角闪石共同控制了岩石的流变，石英的作用很微弱;如果石英含量很高(达到20%～40%)，则石英在变形中起主要作用(周永胜等，2009)。石英－钙长石均匀混合体实验(Ji et al.，2000;Xiao et al.，2002)也表明，钙长石含量在80%～90%，石英含量在10%～20%时，样品强度接近于钙长石强度，含量 ＜20%的石英的影响有限;而石英含量在35%～50%，钙长石含量在50%～65%时，均匀混合体的强度最大，接近于石英的强度(图2，3，4)。为了确定从岩石中强相支撑框架到弱相互联的转化中的应变弱化和局部化，Holyoke等(2006)开展了在800℃、1 500MPa条件下的片麻岩剪切实验，结果表明，在强相支撑的框架中，弱相的互联引起了韧性变形的局部化和岩石强度的降低。应变局部化程度随着弱相和强相的比例的减小而减小，在低应变下形成S－C组构，在高应变条件下形成S－C'组构。

这些实验结果表明，虽然理论预测可以解释部分实验结果，但各向异性岩石的流变比已有理论分析结果要复杂得多，而实际地质条件下的变形比实验变形更为复杂。因此，需要通过更详细的实验数据完善理论模型，为正确认识各向异性岩石流变强度和变形机制提供实验和理论依据。

6 结论

本文对前人给出的各向异性岩石(包括云母片岩－片麻岩、石英－钙长石均匀混合体与层状组构样品)半脆性－塑性流变实验数据进行了重新整理与分析，结合作者近年来开展的不同组构条件下花岗片麻岩与糜棱岩流变实验结果，讨论了先存组构对各向异性岩石流变强度的影响。得出以下认识:

(1)各向异性岩石的面理与最大主应力方向的夹角是影响强度的主要因素。在半脆性破裂域，样品压缩方向垂直于面理和平行于面理的强度基本相同，在压缩方向与面理呈30°夹角时，岩石破裂强度最小;在塑性流变域，垂直于面理方向的强度显著高于平行于面理方向，当面理与最大主应力方向的角度为45°时，岩石强度最小。后期变形对原有组构的继承与改造程度，决定了各向异性岩石强度高低。

(2)样品中矿物的含量、分布与粒度对各向异性岩石强度有显著影响。弱相矿物(如云母)含量高或集中分布或呈局部条带，对样品强度具有弱化作用。在石英－钙长石合成的均匀样品和含层状结构样品中，石英强度显著高于钙长石强度，这与实际的野外地质或采用粒度接近的天然花岗岩样品所得的流变实验结果不同。这是因为在合成样品中，石英粒度远大于长石粒度，而且石英和钙长石都处于强度与粒度正相关的扩散蠕变域。

(3)花岗片麻岩、糜棱岩的半脆性－塑性流变实验表明，在塑性变形域，压缩方向垂直于面理的样品强度显著高于平行于面理的样品强度。微观结构和EBSD分析表明，压缩方向垂直于面理的样品，在实验变形过程中形成新的变形条带，把原有的面理破坏;压缩方向平行于面理的样品，在实验变形过程中形成的变形带主体继承了原有组构，但局部形成新的变形带，后期变形对原有组构的继承与改造作用共存。

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