部分熔融状态下岩石的变形机制

2025-02-06 19:11:24

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回答1：

部分熔融是高级区非常重要的地质作用之一，地壳部分熔融区具有低波速和高电导率的特征。在逆冲、滑脱和平移有关的深部韧性剪切带中，动态部分熔融能够降低构造岩的流变强度，有效提高构造变形的速率。

（一）部分熔融对岩石强度影响

地壳上部5～10km深处的岩石一般表现为脆性，而10～15km深处一般认为是岩石的脆-韧性转换区。在受流体、熔体和异常热的影响时，脆-韧性转换带可以变得很浅，有时甚至在地表附近。部分熔融量的增大可以将岩石的主要变形方式强化为韧性行为。但在熔体流动性较差的情况下，逐渐增高孔隙流体压力，在地壳深处可以使被熔体所包围的岩石呈水压破裂（hydrofracture）方式破坏。在高级变质区岩石部分熔融过程中，熔体围岩表现为脆性破裂，其间裂隙为熔体充填。当熔体侵入到裂隙中时，熔体的内部流体压力可以大大减少有效正应力，这就有可能通过水压破裂使裂隙发生扩展。

实验还表明，在部分熔融状态下熔体比例的微小改变可以使全岩的强度发生很大的变化。如在熔体比例为5%左右时，即可使上地幔岩石力学强度产生明显弱化现象，流动应力减至8～50MPa（Philpotts and Carroll，1996）。金振民等（1997）认为这主要是因为熔体强化了矿物颗粒边界的滑移和动态重结晶作用。Philpotts等（1996）在实验中发现，同一块岩石在1100℃时需3500Pa的压力才能使之发生变形，而在1125℃时由于熔体比例增大，仅需38Pa即可使之发生较大变形。一旦晶粥中熔体比例超过65%，晶粥的强度将迅速减小。在熔体比例为63%时，岩石的抗压强度为4333Pa，而熔体比例增大到67%时，其抗压强度迅速减小到336Pa。

熔体由产生到结晶这一过程大致可以划分为两个阶段，第一阶段岩石由固相向液相转变（部分熔融程度逐渐增大），第二阶段岩石由液相向固相转变（结晶程度逐渐增大）。第二阶段并不是第一阶段的简单反复或可逆过程，因为在这一系列过程中，熔体发生了不同程度的逃逸（escape），力学性质和物理化学条件均发生了变化。

（二）部分熔融状态下岩石的塑性变形机制

1.岩石塑性流动变形的主要机制

下地壳岩石在较高围压和温度状态下发生塑性变形，或在缓慢加载情况下发生塑性流动或蠕变。一般情况下，岩石的塑性流动主要由以下几种变形机制造成的（Paterson，2001）：①由晶体塑性造成颗粒形态改变（位错蠕变）；②颗粒边界扩散引起颗粒形态改变（扩散蠕变）；③颗粒相对运动（颗粒转动或颗粒流动）。位错蠕变是由于矿物晶体内部位错运动引起晶体的塑性变形，不仅使晶体的形态发生改变，同时造成晶内变形组构的形成和动力重结晶作用，在地壳中浅部层次上糜棱岩化过程中这种变形机制起主导作用。扩散蠕变是一种通过扩散物质的转移而达到颗粒形态改变的作用，包括晶内扩散蠕变和颗粒边界扩散蠕变（前者也称为即Nabarro-Herring蠕变，后者也称为Coble蠕变），通过颗粒边界调整保持相邻颗粒之间应变的协调性（Hirth and Kohlstedt，1995）。在颗粒流动的情况下，颗粒边界滑移或颗粒之间相对运动成为主要的应变机制（Ashby and Verrall，1973；Paterson，1998，1995）。在这种情况下，岩石能够达到很大的变形而颗粒形态没有改变，其特征与细粒物质的超塑性变形相似（图2-2-3），颗粒的形态不再反应宏观应变特征。

2.部分熔融岩石的塑性流动变形机制

在地壳深部层次上的麻粒岩相条件下，岩石的塑性流动变形仅通过位错蠕变或动态重结晶是难以发生的，即使温度足够高，在无水条件下扩散蠕变也难以发生。但是大多数的高级区中，岩石确实发生了大规模的塑性流动，形成了与糜棱岩组构明显不同的构造要素，这一现象与高温条件下岩石发生部分熔融有关。因为熔体的出现能够使变形机制从位错蠕变转变为熔体增强颗粒边界扩散和颗粒边界滑移（Tullis et al.，1996）。部分熔融引发的扩散蠕变、颗粒流动所导致的大规模的塑性流动变形（Rutter，1995；Petford and Koenders，1998；Paterson，2001），但是在微观上矿物颗粒变形不明显，晶内变形组构不发育，表现为三边平衡结构（图2-2-4a），与静态结晶变质岩结构相似。

图2-2-3 颗粒边界调整和滑动及其效应示意图

（据Ashby et al.，1973）

图2-2-4 高级变质岩（a）与低级变质岩（b）中的典型显微组构

（据Passchier等，1990）

部分熔融岩石变形机制主要取决于熔体在岩石中的含量、颗粒大小及应变速率。含部分熔融的岩石系统可以从颗粒间具有少量熔体的几乎完全固态集合体，到孤立晶体悬浮的完全液态岩浆。所以熔体的含量是确定像这种双相系统流变行为的基本参数之一。在高熔体比例的体系中，晶体悬浮在熔体中，机械行为主要受流体黏度控制，可以描述为稀释悬浮变形机制（Einstein，1906；Ryersonet et al.，1988），这种现象出现在高度熔融的深熔片麻岩中。在中等熔体比例体系中，晶体形成集合体，流变行为是颗粒流动和颗粒边界滑移（Rutter，1995；Petford and Koenders，1998；Paterson，2001）。在低流体比例体系中，颗粒形成相互连接的承重格架，系统力学性质被固相流动的流变所控制（Arzi，1978；Vigneresse et al.，1996），变形主要为扩散或位错蠕变机制（Hirth and Kohltstedt，1995；Gleason et al.，1999；Mei et al.，2002），有时出现晶内破裂的脆性变形作用（Van der Molen and Paterson，1979；Dell'Angelo and Tullis，1988；Rutter，1995；Renner et al.，2000；Holyoke and Rushmer，2002）。例如，在逐渐熔融过程中，或在研究结晶过程中，当含有熔体系统从一种类型到另一种类型时，可以期望在强度和熔体流动方面发生过了变化。

Walte et al.（2005）通过实验对不同熔融比例体系中变形机制和变形行为进行了研究，其研究结果表明，在熔体含量不同的体系中起主导作用的变形机制明显不同，形成不同类型的显微组构。

高熔体比例岩石中（熔体含量大于8%～10%），岩石主要以颗粒流动变形机制为主（granular flow），应变导致了颗粒重新排列、颗粒边界滑移和颗粒生长（图2-2-5a，b）。颗粒生长是由于部分小颗粒溶解造成了大颗粒生长，这是因为粒度不同造成的表面与体积比率的差异。当小颗粒消失，大颗粒可以滑移到剩余的空间，并占据空间。颗粒生长有利于压实，趋于稳定。所以，在含有高熔体比例部分熔融岩石中，变形作用不是导致岩石粒度变细，而是造成岩石粒度增大，这一实验结果与自然界高级变质岩石的变形特征相一致。

图2-2-5 乙醇饱和的Norcamphor晶体在应变速率为2×10^-6s^-1条件下的纯剪变形（垂直缩短方向）

（据Walte et al.，2005）

a，b—颗粒变粗造成压实，具有少量的颗粒边界滑移，箭头指向小颗粒消失和被替代；c—变形机制为颗粒流动；d，e—当大多数颗粒已经固定时，在小剪切带内局部颗粒边界滑移；f，g—颗粒边界固定，位错蠕变造成边界迁移被位。下部的数字是变形持续的时间，上部是液体体积百分数；h—平均粒度与时间曲线

遭受颗粒流动或颗粒边界滑移变形的岩石，在宏观上表现出强烈流动变形特征，但在显微尺度上没有变形的证据，看起来更像静态结晶岩石（图2-2-4a），这就是遭受强烈变形改造的部分熔融岩石缺失晶内变形组构的原因。此外，高级变质岩石中经常可以观察到自形的斜长石颗粒定向，这也是熔体增强的塑性流动变形造成的。

中等熔体比例（熔体含量约在10%～4%）岩石中，颗粒之间相互连接在一起。只是在局部的共轭韧性剪切带中有稳定熔体比例，发生颗粒流动变形（图2-2-5d，e）。由于低的熔体比例，颗粒边界滑移主要依据边界几何调整，所以在这一阶段的变形作用也只是通过颗粒边界滑移和扩散调整，没有发生位错蠕变，颗粒形态没有改变，晶内变形组构不发育，同时变形岩石粒度也是在不断增大（图2-2-5h）。

在低熔体比例岩石中（熔体含量小于3%～4%），变形机制和显微构造有一个突然的转变。由于所有的颗粒相互连接，呈单一的格架，缺失颗粒边界滑移。在此阶段颗粒的变形完全受内部晶体塑性变形控制，即位错蠕变。矿物晶体表现出明显形态改变，颗粒边界呈锯齿状（图2-2-4b，2-2-5h，g），颗粒发育波状消光，新形成的亚颗粒边界平行于最大压扁轴，进一步旋转重结晶导致具有高角度边界的新颗粒形成。在这个阶段颗粒边界变非常活动，可能因为颗粒相互挤压，使得看不见的流体团块保留在颗粒之间。由于颗粒开始蚕蚀其他颗粒边界，造成不规则锯齿状边界（图2-2-4b）。然而，在三连点和颗粒之间的边界上观察到少量的熔体，阻止边界自由迁移，所以液体团块起到固定相作用，小的液体团块固定了活动颗粒边界，最后液体团块以包裹体的形式包裹在颗粒的内部，形成了熔体包裹体。

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