肿缩香肠构造流变计

第六节　肿缩香肠构造流变计

本节将阐述运用肿缩香肠构造估算天然岩石流变参数的方法，即肿缩香肠构造流变计；并通过研究采自北京西山和奥地利阿尔卑斯地区的肿缩香肠构造超显微构造，探讨肿缩香肠构造流变计的可行性。同时，还将利用采自北京西山、川西北（第四章第一节）的肿缩香肠构造，定量地估算相应地区的一些岩石古流变参数，其中包括应力指数和能干岩层对基质的黏度比。

一、原理

本章第一节已粗略地介绍了肿缩香肠构造流变计，其主体思想是在能干层初始扰动远小于其初始厚度，且能干层黏度远大于基质层的前提下，运用式（4-5）求得的香肠体的应力指数，代入公式（4-3）求得香肠体与基质的黏度比。

在实践中，通过测量所研究的肿缩香肠构造的几何形态，我们直接获得香肠体缩颈处厚度h。通过岩石有限应变测量方法，可以追溯能干层初始厚度h₀（韩玉英，1984；章泽军，1987；Howard，1993；周继彬和曾佐勋，2001）；从力学分析和数值模拟分析（Schmalholz和Maeder，2012）可知，肿缩石香肠体缩颈部应力集中，张应力最大，平行层面方向的延伸量和垂直层面方向的收缩量最大，而香肠体最厚处垂直层面方向的收缩量最小。因此，在脆韧性变形条件下，作为初步近似，也可取香肠体最大厚度h_m代替初始厚度h₀计算。至此，还要求得未知数初始扰动Δh₀，才能通过式（4-5）求得香肠体的应力指数。于是，我们采用了数值实验分析方法，探索应力指数对初始扰动的依赖关系。数值实验结果表明，当初始扰动值Δh₀＜0.02h₀时，对应力指数n_L的影响较大；当Δh₀≥0.05h₀时，n_L趋于稳定（图4-18）。因此，作为一种统计性研究，不妨统一取Δh₀为0.05h₀计算。将上述已知量代入式（4-5），即可获得香肠体应力指数n_L。

图4-18　初始扰动对应力指数的影响

（以4个石香肠为例）

当能干层与基质的能干性差异较大，并且基质的粒度很小时，根据固态流变理论，基质在构造变形时可表现为扩散蠕变的特性（Karato和Wu，1993；王永峰和金振民，2001），即基质层的应力指数可近似认为等于1，再联合从式（4-5）求得的香肠体应力指数n_L，可利用式（4-3）求得香肠体与基质的黏度比m。

二、验证

肿缩石香肠构造流变计，假设了香肠体的变形机制以位错蠕变为主，表现为幂率流体；而基质变形机制以扩散蠕变为主，应力指数n_M可近似为1。这一假设与晶粒粒度小、扩散蠕变占主导地位以及粒度减小会引起变形机制由位错蠕变向扩散蠕变转变的认识是一致的（刘俊来，1999）。但缺少香肠构造能干层与基质的变形机制方面的实例证据。

透射电镜（TEM）使得我们可以从两方面考察和研究岩石内部的位错构造。一方面估算古差异应力和应变速率（李先福等，2000）；另一方面确定岩石内部的变形机制。下面我们试图对比分析天然香肠构造能干层与基质位错发育特征，从超显微角度检验香肠构造流变计。

1.样品及实验条件

实验样品分别从北京西山和奥地利阿尔卑斯采得，考虑到矿物粒度的因素，所选取的岩性粒度差距较大，以粉砂岩-板岩（北京西山）和石英脉-板岩（东阿尔卑斯）组合为研究对象，其中板岩中石英颗粒的粒度较小。首先选取那些香肠构造发育较好的手标本，把其香肠体和基质分别磨成薄片，在偏光显微镜下进行前期观察；选择具有代表性的石英颗粒，用Gatan-600型离子减薄仪制成供TEM观察的样品。透射电镜观察工作在Philip-CM12型TEM（工作电压为120kV，倾转角为±45°）上完成。

2.样品中几种主要超微构造

在透射电镜下观测的超微构造主要有：自由位错、位错壁、亚颗粒、位错网等（图4-19）。自由位错是一些非边界型的单个游离位错，在蠕变过程中尚未被编织进亚颗粒位错壁中。在各个样品中最常见。

位错弓弯是单个位错在其延长方向上发生的弯曲，是位错在稳态条件下移动的结果，一般在800℃以上开始形成。位错环是位错在更高温度条件下发生移动的产物，是位错形成之后，在持续高温和低应变速率条件下，发生攀移、滑动的结果，即位错环是稳态条件下位错移动的产物。

位错缠结是多个平直位错或弯曲位错局部构成的杂乱形态，指示较高的位错密度，为应力的微集中区。位错壁是岩石稳态流动过程中恢复作用的标志，是由大量的自由位错按一定方式（规则或不规则）排列而成，是一种低能量位错组态，是晶体中的一种面缺陷。位错网是由两种或两种以上的位错排列交织而成的位错构造。位错壁和位错网的出现，是矿物经历高温稳态流动过程的典型标志，说明矿物经历了重结晶作用，原先的自由位错很多已经滑动、攀移而消失，从而减小了目前的位错密度。

亚颗粒是由多维位错壁围限而成的多边形构造，是以位错壁为边界的晶体颗粒，本身经过晶格恢复，不具有波状消光，是高温稳态流变作用最重要的显微标志（尼可拉斯，1985）。亚颗粒之间的取向差很小，位错集中在亚颗粒壁上，在亚颗粒内部位错密度很低。

样品06-1中主要有自由位错、位错壁、位错环、位错缠结。位错弓弯发育，位错缠结中的位错线相互交织在一起；位错壁和位错环也较发育，表明原先的自由位错已经有部分滑动消失，减少了目前的位错密度（图4-19A）。而样品06-2中的自由位错多为直线状，位错壁较不发育，说明其滑移消失的自由位错较少（图4-19B）。样品07-1中自由位错多缠结在一起，多为弯曲状、折线状，位错密度很高，位错环较发育（图4-19C）。样品07-2中自由位错多为直线状，平行排列，位错密度低（图4-19D），与样品07-1有明显区别。样品11-1中自由位错多为曲线状，位错弓弯和位错环很发育，位错密度较大（图4-19E）。样品11-2中位错密度较小，多为直线状自由位错（图4-19F）。样品15-1中位错密度较大，自由位错多为弯曲状，多缠结在一起，位错壁较发育。样品15-2中位错密度较高，偶见位错壁。样品2031-4中自由位错密度较高，自由位错多呈曲线状，位错弓弯和位错壁发育，亚颗粒也较发育（图4-19G）。样品2031-5中位错密度较小，且多为直线状自由位错，位错线较长，偶见位错壁（图4-19H）。

3.位错密度统计及分析

位错密度的统计不可避免地会存在误差，其主要原因包括如下方面：①位错分布的不均匀性；②应变的局部恢复会导致位错密度的降低。对于前一个原因，由于所观察的区域是有限的，用有限的视域来代表整个样品，就不可避免的具有一定的局限性，因此就需要尽量多的选取不同的视域来拍照。对于后一个原因，就需要结合样品的整个位错分布特征综合分析比较，确定样品中的位错是否经历了消减。

从各个样品的位错密度表（表4-9）可知，香肠体中的位错密度值都比基质中的大，其中06-1与06-2、07-1与07-2、15-1与15-2、11-1与11-2这四组样品中能干层的位错密度明显大于基质的位错密度；在2031-4与2031-5这组样品中，能干层与基质的位错密度无显著差别，但整个样品的位错分布特征，以及香肠体中位错壁、位错列、位错环的发育程度，反映了能干层中原先的位错发育程度较基质明显偏高。

表4-9　各肿缩香肠构造样品位错密度表

另外，在基质的样品制备过程中，由于技术上的限制，只能取板岩中较大的石英颗粒，而不是其中的小颗粒石英，这些颗粒较大的矿物某种程度上在构造变形中又起到了能干层的作用，因而其变形机制要受到位错蠕变的影响，这样就使得实验结果具有一定的偏差，导致基质中位错密度偏大，也就是说，基质中实际的位错密度还要低得多。

需要指出的是，采自北京西山的2031-4与2031-5号样品为变质粉砂岩和粉砂质板岩组合，变形程度都相对较低。采自东阿尔卑斯的样品则主要为受构造改造的石英方解石脉或方解石石英脉与绢云母千枚岩或绢云母绿泥石板岩（或片岩）组合。与北京西山的样品相比，东阿尔卑斯样品的香肠化变形和变质程度明显偏高，粒度差别也偏大。这从另一角度说明采自东阿尔卑斯的样品组合中的位错密度差比采自北京西山样品组合中的明显偏大是合理的。

三、应用

我们运用肿缩香肠构造流变计研究了几处典型的石香肠。这些典型分别为北京西山的河北村景儿峪组（Qnj）下部方解石石英脉肿缩石香肠，周张公路6.7km处铁岭组（Jxt）白云岩中的硅质条带肿缩石香肠，以及周张公路5.12km处下马岭组（Qnx）灰绿色板岩中的石英脉肿缩石香肠。图4-20是几个典型石香肠构造的素描图。根据60多个石香肠的测量数据，取初始扰动S_h0分别为0.05h_m、0.01h_m、0.005h_m和0.001h_m，部分结果见表4-10。

图4-20　北京西山典型香肠构造素描图

图A、B、C分别为河北村、李各庄和拴马庄观测到的石香肠，李各庄的石香肠叠加了后期褶皱作用

表4-10　北京西山部分肿缩香肠体的应力指数n_L及其对基质的黏度比m

注：编号为027-1-x的香肠体为石英方解石脉，基质为云母大理岩；编号为014-1-x的香肠体为石英脉，基质为板岩；编号为z1-4-x的香肠体为硅质条带，基质为白云岩

从表4-10可见，当初始扰动为0.05～0.001h_m时，河北村石英方解石脉石香肠的应力指数平均值为3.61～7.69，与云母大理岩的黏度比平均值为8.74～18.32；拴马庄板岩中石英脉的应力指数为2.57～4.75，与板岩的黏度比为94.8～175.8；拴马庄硅质条带的应力指数为2.25～3.93，与白云岩的黏度比为2.38～4.26。虽然石香肠的应力指数随初始扰动的变化而改变，但当初始扰动大于0.05h_m时，应力指数趋于稳定，与数值实验分析所得结果（图4-18）一致。

四、分析与分析结果

分析肿缩香肠构造超显微构造的结果，矿物粒度较粗的香肠体中，位错密度较大，以位错蠕变为主。矿物粒度很细且较均匀的基质中，有可能表现为完全的扩散蠕变，即基质的应力指数nM可近似为1。

因此，可以认为当肿缩香肠体与基质的矿物粒度相差较大时，n_M可近似为1，利用从式（4-5）求得的香肠体的应力指数，再由式（4-3）求得肿缩香肠体与基质黏度比是可行的。这种粒度差越大，肿缩香肠构造流变计精度越高。而对于香肠体与基质粒度相差不大的情况下，对该香肠构造流变计的使用应当谨慎。不过，当基质的粒度大，位错密度很低，且应力非常小时，则有可能属于Harper-Dorn蠕变，其应力指数仍然可取1。

数值实验与实际测算结果均表明，虽然香肠体的应力指数随初始扰动的变化而改变，但当初始扰动大于0.05h_m时，应力指数趋于稳定。

测量结果表明，当取Δh₀＝0.05h_m时，北京西山的石英脉、硅质石英和方解石英脉的应力指数变化范围为2.25～3.88，这些结果落入实验室获得的晶体塑变形机制下大多数岩石的应力指数范围（2≤n_L≤7）内。