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构造地质学的研究方法
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绪 论 一、构造地质学的研究对象和内容 构造地质学是地质学 …
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绪 论 一、构造地质学的研究对象和内容 构造地质学是
官方公共微信构造地质学
构造地质学&第三章&第六节
第六节、深部构造问题与地壳结构研究
一、深部构造研究的基本思路与方法
　　地壳深部构造研究对于阐明大地构造格局与地壳演化，探讨区域成矿规律及阐述地震成因等具有重要意义，为此，长期以来，地壳深部构造的研究一直是构造地质学研究中较为活跃的一个领域。随着70年代国际地球动力学计划的实施与80年代开展的国际岩石圈研究计划，特别是80年代以来开展的科学深钻研究，使得对于地球深部构造的研究步入了新的阶段，为全面深入研究岩石圈的性质、结构、大陆演化的动力学过程与成因等提供了丰富的资料。
　　目前，地壳深部构造研究主要从三个方面入手：
1）从岩石圈的地球物理属性分析地壳岩石圈的深部结构，主要利用一些地球物理方法如地震波法（天然地震与人工地震）、电磁法（大地电磁测深与磁测深）、地热测量法、重力法等，应用地球内部物理场的特点与岩石的物理性质的变化规律分析地壳深部结构，而其中地震波法是应用最为广泛的重要方法。2）高温高压实验，模拟和正演地壳深部岩石的流变学特点，阐述地壳乃至地幔不同温度和压力条件下岩石的物理状态、流变学和力学性质，以及岩石的主要变形机制及其变化规律，从而阐明地壳及岩石圈的结构。3）科学深钻可以使我们更直接了解地球深部的物质组成与结构型式，虽然它仅能揭示地壳浅层，但却为我们对早期建立的地壳结构模型的校正提供了最为可信的素材。
一、 深部地球物理探测与科学钻探计划
　　结合全球性地幔计划、国际地球动力学计划与岩石圈计划的实施，我国地质、地球物理工作者对于我国境内的主要构造单元与构造带的深层结构开展了深入、系统的研究工作，先后在东北、华北、下扬子、青藏高原及秦岭-大别造山带、祁连造山带等地区完成了大量深地震测深、深地震反射剖面及大地电磁测深和重力等方面等的研究工作，结合全球地学剖面（GGT）计划，完成了遍布全国的地学大断面研究工作，初步探明了中国大陆及陆缘岩石圈结构的基本特点。
　　80年代以来开展的大陆科学钻探计划，成功地揭露了地壳深部的岩石组成与结构。尤其全球地学大断面、地震反射剖面计划的实现，使大陆科学钻探进入了一个新的发展时期，并对地球科学提出了新的挑战和机遇（张良弼等，1991）。目前，前苏联和德国已经分别完成了（SG-3井）和KTB钻探计划的实施，取得了令人可喜的成果。美国、法国、瑞典和日本等国家也都相继开展了大陆钻探计划。我国自90年代以来，经过充分的科学论证，已经开始了科学深钻先导孔的钻探计划，并取得了初步成果。
　　前苏联科拉半岛的SG-3深钻计划的实现（1984年封孔），充分揭示出地壳和岩石圈结构在垂向上和水平方向上的不均匀性，证实了深部结构与近地表地质构造之间的复杂关系。尤其证实了Conrad面在全球范围的不均匀性，以及地球物理学方法等技术方法应用的局限性。十年后完成的德国KTB深钻，基本上穿过了局部地壳的脆-韧性转换带。KTB的实施阐明了中欧华力西造山带地壳的深部构造、热结构；证实了地壳深部大量自由流体的存在，并查明次生矿物（石墨、硫化物等）在深部地壳高导低阻层形成中的意义。同时，它进一步证实了地表地质结构与深部地质结构的不协调关系（有关成果详见地球动力学分卷与大地构造学分卷）。
三、地壳结构的实验研究
　　实验岩石变形研究揭示出，岩石圈的流变性可以出现在不同温度、压力条件下，并且包括了各种脆性、韧性变形机制。这些流变学机制的出现，不仅与岩石圈的地球化学背景有关，而且与其所处的物理环境（即与深度有关的温、压条件）和大地构造背景有着内在联系，由此可以将地壳断裂带乃至大陆岩石圈划分出不同的流变学域。
1．大陆岩石圈多层结构模式的提出
　　过去人们在考虑岩石圈分层结构时主要考虑的是物质成分分层或速度分层，同时把岩石圈认为是一个相对刚性的整体，这也是板块学说的一个重要前提条件（曾融生，1991）。实际上，无论是在上、中或下地壳甚至地幔上部都有一些薄弱带或强流变带存在，这一点尤其得到了对某些常见结晶岩的流变特性研究的支持（Carter和
Tsenn，1989）。这些薄弱带主要出现在10-15km，20-28km，25-40km和60一85km深度范围内。据此可以将大陆岩石圈划分出多个不同层圈，在这些圈层的分界处，即薄弱带上可能聚集了促使岩石圈流动或板块运移的主要应力。它们也可能是地壳拆离和滑动的主要场所，而某些板内地质现象就可能与地壳层圈的不同流变特性有关。当然，对于这些薄弱带出现的深度范围，不同的大地构造背景和岩石学成分会有很大的影响。
2．地壳断层带的流变学模式
　　已有的地质、地球物理和大地测量资料都证实，大陆岩石圈的大规模应变主要是集中在一些相对狭窄的断层带（剪切带）上。断层带上岩石的流变学特点与变形机制主要受控于变形作用的物理、化学条件。自
Sibson（1977）提出了著名的断层双层结构模式（将断层带划分为上部发震脆性域和下部无震准塑性域）以来，一些学者相继提出了许多新的断层带模式。Strehlau（1986）模式由上部摩擦碎裂带、中部过渡域或半脆性域和下部的塑性糜棱质剪切带构成，其中的摩擦域和过渡域是无震域；Scholz（1988）模式认为，糜棱岩不仅可以形成于下部塑性域，而且也可以产生于中间过渡域。在此基础上，Shimamoto（1989）根据盐岩模拟变形实验结果认为：1）上部脆性域和下部韧（塑）性域之间的过渡域实际上还要宽，而且
Byerlee的经典脆性岩石摩擦强度公式不能直接外推到韧性域；2）盐岩实验中半韧性域内发育的构造非常类似于S-C糜棱岩。因此，糜棱岩的形成不应仅限于韧性域。所以，他提出了半韧性域的概念并建立了新的断层模式。Shimamoto模式由脆性域、半脆性域、半韧性域和韧性域构成，发震深度可以达到半韧性域上部。Shimada
和刘俊来（1999）近期对花岗质岩石开展的不同温度实验研究（达650°C）表明，在大约250°C的温度条件下，花岗质岩石表现出异常低强度域，而这一低强度域恰好对应于大陆地壳多震层的空间位置。他们的实验研究结果进一步补充和完善了现有地壳结构模型。
3．对陆壳结构认识的深化
　　Mattauer（1980）在考虑了深度、温度、压力变化过程中物质状态变化规律的同时，根据岩石的主导宏观变形机制变化提出了颇有影响的构造层的概念，并把地壳理想剖面划分为上、中、下三个构造层。后来，Carter等（1987）意识到物理（温度、压力、应变速率和应力）、化学（物质成分、流体等）和大地构造背景对大陆岩石圈流变性的意义以及岩石的力学表现及其微观机制对区分具不同流变规律的流变域的重要性。因此，他将陆壳岩石圈划分出四个流变域，即顶部的脆性域（0-10km，以碎裂流动为主）；半脆性域（10-25km，碎裂作用与颗粒滑移同时出现）；低温韧性域（35一50km，颗粒边界过程与位错蠕变）；和高温韧性域（＞50km，位错蠕变、扩散作用和分熔作用）。
　　对于地壳岩石圈结构的实验研究在近年取得了长足进展，在很多方面取得了丰硕的成果。然而，随着科学技术的进步与现代实验技术方法的发展，人们发现在很多关键问题上还与现代的地球科学研究成果有矛盾或冲突，还需要在未来的研究中值得进一步开展深入工作。其中主要包括：
1）脆-韧性转变域的研究 大陆岩石圈或地壳断裂带的脆一韧性转变是地壳（或上地幔）岩石一定深度范围内流变学特点的一种特殊表现型式。这一课题是岩石变形机制、岩石圈结构和地壳断裂带形成机制研究中的关键问题之一。早期的研究工作主要集中在某些岩石脆-韧性转变的物理、化学参数及岩石的力学表现上（Ross等，1989）。在此基础上，Carter等（1978）提出将地壳岩石中的脆一韧性转变带称为半脆性域。这一概念后来被众多岩石圈和地壳断层带模式所引用。　　　　　　Shimamoto（1989）以盐岩实验资料为基础，认为在转变域中有一部分岩石的应变组构与纯韧性域中几乎无差别，因此他提出了半韧性域的概念并将转变域详细划分为上部半脆性域和下部半韧性域。另外，现在人们普遍认为，转变域中可以有糜棱状岩石出现，而且其中岩石的抗剪强度可以达到最大。因此地震断裂的深度可以达到这一转变域的一定位置上（半韧性域上部）。对于岩石脆-韧性转变域的研究主要集中在以下五个方面：1）对一些重要岩石类型脆-韧性转变参数的厘定以及这些参数在岩石脆-韧性转变中的作用；2）脆-韧性转变变形岩石的宏观产状及其在岩石圈中的分布；3）岩石脆一韧性转变的微观机制；4）脆-韧性转变在大陆岩石圈流变学演化与岩石圈结构调整中的意义；5）包括脆-韧性转变域在内（脆性、半脆性、半韧性和韧性）的地壳各流变域的标志性特征是当前也是未来尚需深入研究的另一个主要方面。
2）变形机制图与变形体制图成为研究岩石流变规律的重要方法
　　由Ashby（1972）根据理论本构方程（或流动律）和金属的实验数据编制的变形机制图后来被 Stocker等（1973）、Rutter（1976）、
White（1976）、Carter 等（1987）应用到变形岩石样品中，用以揭示岩石变形机制与一些重要地球物理参数（象应力、应变速率、压力、温度和粒度等）之间的关系。Handy（1989）提出，构筑这样一张图件，应选用剪切应变速率为独立的参数，而不是像
Ashby图中那样选用差应力，其原因在于： 1）粘-弹性变形过程与速率（即时间）是密切相关的，而时间和应变，尤其是应变可以很好地由直接地质观察获得；2）地质上地球物理问题常常有像位移速率之类的运动学条件，因此，
Handy最近（1989）提出编制以剪切应变速率-温度-压力和以应变速率-温度-粒度为坐标系的变形体制图。这种图件可以直接由实验（而不是理论）推演出来。应用变形体制图虽然受到某些因素（如缺少蠕变对粒度的敏感性资料等）的限制，但其反映的流变学特点基本上与天然构造岩中由显徽构造推断出来的变形条件与变形机制相吻合，并可以进行半定量评价。
3）变形机制轨迹与流变学轨迹分析为探讨岩石圈流变规律的演化提供新线索。岩石圈的变形可以发生在各种不同的温度、压力条件下，它可以通过不同的脆性或韧性蠕变机制完成。岩石圈内高应变带的出现及其流变学演化甚至岩石圈的结构都反映着这些变形机制对外界条件（温度、压力、应变速率等）的依赖性。另一方面，在变形过程中，递进应变、应力与温度、压力演化历史也影响着岩石的流变行为和显微构造的保存。在这方面，近几年来开展的对地壳断层带或岩石圈变形机制轨迹与流变学轨迹的研究正在深入。变形机制轨迹描绘了在形成最终岩石组构过程中所涉及的显微构造演化和变形机制历史。从Knipe
（1989）对苏格兰莫英逆冲带的研究结果表明每个逆冲盘的最终压力-温度-时间-应变速率轨迹是不同的，它们反映了每个逆冲断层变形特征条件的差异。流变学轨迹则展示出岩石圈演化过程中力学条件的演化。Handy（1989）结合实验资料制作的流变学轨迹（应变速率-温度-粒度-应力和粘度图）说明一条断层带的流变学演化不仅与它在不均匀岩石圈剖面中的位置有关，而且与所在剖面的压力-温度-时间有关。
5）下地壳岩石流变学特点的进一步实验研究
对地壳岩石流变学特点的研究，高温高压变形实验是一种重要手段。目前，对于中上地壳岩石的流变学特点，许多学者已经进行了大量模拟研究。例如，用大理岩、石英岩和花岗岩模拟上地壳岩石的流变学表现；用花岗闪长岩、长石质岩石和闪长岩模拟中部地壳岩石的流变规律等。对于下地壳岩石的模拟，现在仅有斜方辉石岩等少许资料可以利用。进一步研究需要对能够代表下地壳的岩石，如麻粒岩、辉长岩等的流变学特点开展工作（Carter等，1989；
Wilks等，1990）。另一方面，以往的岩石圈强度（或摩擦强度）剖面和基于此建立的地壳断层带模式都是以模拟材料的小应变实验为基础的。鉴于：l）脆-韧性转变域中岩石的强度与位移速度和温度有密切关系；2）因位移量有限而致使这些实验中并没有达到应变集中或摩擦状态变化所必需的临界应变值，因此，未来的实验应注重对高温高压条件下天然岩石样品的大应变行为的研究．
6）对岩石圈内流体作用的评价
迄今为止所建立的断层带模式都没有充分考虑到流体的作用，实际地质观察却表明，由流体参与下的扩散物质迁移过程或压溶过程是天然岩石变形的一种重要机制。因此，未来研究的主要方向之一，就是全面评价岩石圈中流体迁移对变形作用的影响。}