“构造地质学”发展方向的一些思考*

侯泉林 LU Lucy Xi 程南南

1. 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049

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

3. 河南理工大学资源与环境学院，焦作 454003

“构造地质学”是地质学中比较古老的学科，也是地质学的核心基础学科，发展相对成熟。但是，构造地质学家面临的挑战之一是构造地质学的发展方向在哪里？这可能是构造地质学家思考最多的问题之一，经常在不同层级的会议上展开研讨。智者见智，仁者见仁，不同学者从不同角度提出了各自看法和思考。作者在编撰《高等构造地质学》教材过程中也一直在思考这一问题。本文呈现的一些不成熟想法，仅供讨论和参考，期求共识！

从科学哲学角度看，构造地质学与其上一级学科——地质学一样，尽管有其特有的逻辑术和方法论，但并不构成完全独立之自然学科，其方法论和认识论多借鉴于物理学、化学和数学等基础自然科学(侯泉林，2018a)。本质上，构造作用是材料(即岩石和/或矿物)对应力作用的响应，包括物理响应和化学响应，进而用特定的数学方法对这些响应加以表达。因此，构造地质学未来的发展方向应是与物理学、化学乃至数学等基础学科的深度融合(图1)，但又不同于地球物理、地球化学和数学地质的结合方式。

图1 构造地质学发展方向框图Fig.1 Diagram showing the development direction of structural geology

1 物理过程——岩石变形

岩石对应力作用响应的物理过程主要表现为变形(deformation)，即不同层次、不同尺度的变形行为。

1.1 脆性变形

在地壳浅层次，岩石变形行为一般为脆性变形(brittle deformation)，表现为岩石发生脆性破裂，对其研究运用的是岩石力学理论与方法，遵循的是岩石脆性变形(破裂)准则，如莫尔-库仑破裂准则等。这些理论和方法已发展和运用了上百年，相对比较成熟，对浅层次的岩石破裂行为和规律的认识也比较清楚。因此在岩石的脆性变形领域不太会有大的基础科学问题。但是仍然存在岩石力学理论方法运用中地质条件下是否严谨、边界条件是否符合等问题(侯泉林等，2018)。因此，不连续、各向异性岩石介质在应力作用下的脆性和韧-脆性变形行为研究是构造地质学的一个发展方向。

1.2 韧性变形

随着向地球深层次扩展，岩石变形行为逐渐过渡为塑性变形(plastic deformation)，运用的是连续介质力学和流变学的理论和方法，遵循的是岩石韧性变形准则(侯泉林，2018b)。但是，目前对岩石流变行为的认识还很肤浅，有关岩石韧性变形的微观机制的研究(Karato, 2012; Tullis, 2002)，岩石、矿物流变率和变形准则的准确表达式，以及如何将实验室得到的流变率应用于岩石圈变形过程之中等问题的思考也都很不成熟。因此，不同时间尺度和空间尺度下岩石的流变行为及其变形准则研究可能是构造地质学的一个发展方向。事实上在过去50年的研究中，构造地质学家对于岩石圈塑性变形的研究更侧重于大变形的几何学和运动学分析(Ramsay and Graham, 1970; Ramsay, 1980; Davisand Titus, 2011)，而忽略了岩石力学性能和应力(Fletcher and Pollard, 1999)。传统的构造分析与岩石力学研究处于割裂状态。

岩石的力学性能(流变学)决定了其变形行为。在几乎所有的观测尺度上，岩石圈都可以看作由诸多岩石力学性能不同的部分组成的复合材料。当岩石圈受到板块尺度的边界条件作用时，各个力学性能不同的部分相互作用导致了其内部变形特征的差异(Lister and Williams，1983)。也就是说，在小尺度上(露头，手标本或显微镜下)观测的构造现象只能反映其相应尺度上的运动场和应力场，不能直接与板块尺度边界条件联系起来。而变形过程中构造、组构的发展又会反过来影响岩石圈整体力学性能。时间和空间上的不均一性一直是研究岩石圈变形特征和流变性能的巨大挑战。定量地研究岩石圈多尺度变形和整体流变性能涉及多个学科，即需要结合野外和实验室观测结果，岩石力学研究，以及完备力学途径的多尺度模拟方法(Jiang and Bentley，2012；Jiang，2013，2014，2016; Jiang and Williams, 2019; Lu, 2020)，即在非均匀变形中，建立整体与局部、宏观与微观之间的关系。

不同时间尺度和深度层次的变形行为相差迥异，比如瞬时的地震和百万年尺度上的造山运动。地壳浅层次与深层次之间如何过渡？其变化规律如何？最近一个时期以来，有关“慢地震(slow earthquake/slow slip)”问题备受关注，其焦点集中于脆-韧性变形转换带的流变行为(Ideetal.，2007；Itoetal.，2007；Gao and Wang，2014，2017; Fagereng and Beall, 2021)。此外，是否发育高压和超高压构造岩及其成因问题(赵中岩等，2002；Zhaoetal.，2003，2005；Fang and Zhao，2019；侯泉林，2020; Lu and Jiang, 2019)，矿物流变律和本构方程的建立、应用以及对岩石圈强度的理解(Kohlstedtetal., 1995; Lu and Jiang, 2019)，岩石圈多尺度变形问题，以及同位素年代学与构造事件的关系问题等，也是值得关注的问题。

2 化学过程——应力化学

构造应力作用除了引起物理变形外，能否引起岩石和矿物的化学变化(如变质作用和裂解作用等)？或者说应力在化学变化中如何发挥何种作用？其作用机理如何？仍不清楚。力的作用能否引起化学变化是一个争论了百年的老问题，现在看来是个应力化学(Stress Chemistry)问题。

近些年来，作者团队的研究工作有力地支持了应力化学的思想，并丰富了其内涵(Houetal.，2012；韩雨贞，2019；王瑾，2019；程南南，2020；侯泉林和刘庆，2020)。对构造煤的研究揭示，应力作用引起的化学变化机理与热作用不同，它是通过降低化学反应的能垒来实现，如有机芳环在2500K方可发生热解，而在剪应力作用下，600K便可发生裂解(Wangetal.，2021)。韧性剪切带成矿过程的流体闪蒸也可能包含了丰富的应力化学过程(程南南，2020；侯泉林和刘庆，2020)。构造作用过程的许多情况是实验室无法实现的，如极低的应变速率(造山作用、韧性剪切作用)，其化学过程可能超出人们的想象。因此，应力化学研究可能是构造地质学的另一发展方向。以下仅就可能存在应力化学过程的几个方面作简要分析和讨论。

2.1 变形变质作用

通常认为，变质作用是在温度、压力(围压)和流体的作用下引起岩石和矿物的化学变化过程。那么，由应力及其所引起的变形在变质作用中发挥何种作用？恐怕不仅仅是以往认为的简单动力变质，形成一些糜棱岩那么简单。变形变质作用过程中，哪些矿物化学结构的变化或化学键的断裂是因为应力作用降低了其能垒而产生的？

2.2 剪切带的成矿作用

剪切带的成矿过程大致为“多期岩体-热液流体-构造剪切-脆性破裂(R，R′，T)-应力骤降-流体闪蒸-元素析出成矿”(程南南，2020；侯泉林和刘庆，2020)。在应力骤降和流体闪蒸、元素析出成矿过程中，应力对成矿化学过程是抑制作用还是促进作用？其机理如何？

2.3 剪切带的石墨化现象

剪切带，尤其是通过碳酸盐岩的高应变剪切带中常发育石墨，甚至称“石墨是断层的化石”(刘江等，2016；Kuoetal.，2017)。那么，这些石墨是哪里来的？如何形成的？尚不清楚。有一种可能性尚未引起关注，即碳酸盐矿物(CaCO3和MgCO3等)中的C-O键在构造应力作用下被打开。C-O键在常规化学作用下发生断裂相当困难，但在长期应力作用下或地震作用下C-O键断裂可能并非难事。若如此，一些油气资源的形成是否与此应力化学过程有一定关系？应力作用是否会降低石墨形成的温度、压力条件而促进石墨的形成？金刚石的形成又将如何？应力作用下，岩石发生变质的条件是否不需要现在认为的那么高？再者，应力化学过程是否也可引起同位素的变化？如此等等尚不得而知。

2.4 应力生气和生烃

通常认为，有机质的生气和生烃是热解过程。然而，新近研究表明，应力可以直接作用于煤的大分子结构并产生气体和小分子片段，如剪应力作用于十分稳定的缩聚芳环反而很容易发生破裂从而变得不稳定，而且力解和热解的反应路径和产物具有很大不同(王瑾，2019)。煤矿中煤与瓦斯突出产生的超量瓦斯(CH4)很可能是煤瞬间应力裂解的结果(Houetal.，2012；Xuetal.，2014；韩雨贞，2019)。若如此，是否也存在应力生烃？有些油气资源的成因是否需重新认识？

慢地震是目前的研究热点之一，其发育机理是否与应力化学能的释放有关？以及在应力作用下，无机矿物和有机矿物分子化学变化机理有何差异？这些前沿问题都有待探讨。

应力化学的研究才刚刚起步。构造作用，乃至地质作用过程中有诸多应力化学过程尚未被认知，需要进一步探究。因此，应力化学研究应是构造地质学未来的重要发展方向，应当给予重视。

3 数值模拟、量子计算和数学表达

许多构造作用过程无法在实验室再现和检验，而数值模拟及量子化学计算可能是认识该过程的有效途径。当研究达到一定程度，无论是构造作用中的物理过程还是化学过程最终都要转化为数学表达,也就是说，地质学要与数学相融合，但又不同于传统意义上的数学地质。因此，数值模拟、量子化学计算和运用完备力学进行构造过程的数学表达(Fletcher and Pollard，1999)等也是构造地质学值得关注的发展方向。

致谢感谢中国科学院大学地球与行星科学学院闫全人教授及“构造组会”同仁和审稿专家提出的宝贵意见。

值此李继亮先生逝世一周年之际，谨以此文缅怀恩师！