流变学与构造流变计

第一节　流变学与构造流变计

大陆动力学已成为地质学前沿分支。建立大陆动力学模型，需要查清地质体的几何结构、流变性质和边界条件。因此，流变学成为大陆构造几何学、运动学研究及动力学研究之间的桥梁（索书田，1992，1993）。要了解构造过程的力学机理，必须了解地壳与地幔岩石的流变性质。

岩石古流变性质指的是岩石在构造变形时所处物理化学条件下的力学性质。现今的岩石样品，在实验室或现场测得的岩石流变参数，反映的是岩石现今的流变性质，并且是在实验条件下或现场实验条件下获得的流变性质。为了获得岩石的古流变参数，一般在实验室内再造构造变形过程的温度、压力等物理条件做流变实验。例如，金振民等（1993）通过高温、高压实验推导出地幔岩的应力指数为3.15。实验室结果和很多岩石中出现位错蠕变的事实表明，在很多情况下，岩石表现为非牛顿体（指不遵循牛顿黏度定律的流体）。也有很多证据表明，扩散蠕变和压溶在很多情况下是重要的变形机制，因此，在某些环境下，岩石具有牛顿体性质（指遵循牛顿黏度定律即切应力与切应变速率成正比的流体）（Hudleston和Lan，1995）。

在同一场变形过程中，由于不同岩石、不同地质层块的流变学差异，会引起牛顿流或非牛顿流的扰动，这种扰动以构造变形的方式保存下来。通过理论研究和模型实验，我们找出这些构造变形几何参数和介质流变参数（如岩石介质的应力指数、黏度等）之间的关系，再利用保存在天然岩石中的构造变形，反演岩石古流变参数（Ramsay，1985；Hudleston，1973，曾佐勋等，1999）。这类可以反演岩石古流变性质的构造形迹或应变样式，国外学者称为构造流变计（Passchier和Trouw，2005）。Hudleston（1973）及Hudleston和Holst（1984）认为上述方法与通过实验获得岩石流变性质的方法是互补的。这是地质学中的一个很有发展前景的新课题（Passchier等，1993）。我们认为，这是研究岩石古流变性质的天然岩石流变学新方向，可以与实验岩石流变学起到互相检验、互相补充、互相促进的作用。

Ramsay和Huben（1987）总结了根据构造变形估测岩石能干性差异的定性方法；傅昭仁等（1990）、索书田等（1991）和游振东等（1991）将其应用于北京西山和东秦岭地区，分别获得某些岩石的能干性排序。利用定量构造流变计反演岩石古流变参数，特别是非牛顿体流变参数的工作，在国际上还处于起步阶段。目前流变计和实测数据虽屈指可数，但已显示出很乐观的潜力。

一、定性流变计

岩石的能干性是岩石流变性质的一种定性描述，能干的岩石比非能干的岩石黏度高。构造流变计可对岩石黏度排序，也可判别岩石是牛顿体还是非牛顿体。因而运用构造流变计，采用定性的方法，可以对一个地区岩石的能干性相对高低排序。通过补充Ramsay和Huben（1987）介绍的定性方法，可归纳出下面几种定性构造流变计。

（1）应变状态对比。若两种岩石经历同一构造变形，则应变量小的岩石能干性高、黏度高，应变大的岩石能干性低、黏度低。

（2）劈理折射。劈理在两种不同岩性界面上发生折射，层劈夹角大的岩石能干性高、黏度高，层劈夹角小的岩石能干性低、黏度低。

（3）褶皱形态。对同一种基质中同一厚度不同岩性的能干层来说，褶皱初始波长较大者能干性较高、黏性较高，初始波长小者能干性较低、黏度较低。两种不同能干性岩层界面往往形成尖—圆褶皱，即褶皱式窗棂构造。尖—圆褶皱的“尖”指向能干性（黏度）高的岩层。

（4）香肠构造。香肠构造的出现说明香肠体岩石比基质岩石能干性（黏度）高，且肿缩香肠体岩石具有非牛顿体性质，但Schmalholz和Maeder（2012）通过二维有限元数值模拟研究得出当能干层伸长度超过2时在牛顿体能干层中也能形成肿缩香肠的认识。在同一种基质岩石中，矩形香肠体岩石比肿缩香肠体岩石能干性（黏度）高。

（5）残斑构造。残斑（σ与δ型）岩石比基质岩石能干性（黏度）高，残斑翼尾样式还含有流变学信息，σ型构造说明基质具有牛顿体性质。

运用这些定性流变计，可以在一定区域内，建立岩石能干性（黏度）排序，如表4-1所示。

表4-1　岩石能干性排序表

＊由曾佐勋和付永涛（1996）补充

二、定量流变计

1.剪应变折射流变计

在能干层与非能干层互层的岩系中，劈理折射是一种常见的构造现象。通常认为劈理面平行或近平行于应变椭球中的XY面。因此，劈理折射可以认为是应变折射的一种表现。Treagus（1988）对应变折射做了深入的理论研究（详见第四章第十一节），他认为对于牛顿介质，当层间不发生滑动的情况下，相邻介质平行层面的剪应变比值是二者黏度比值的倒数，即：

式中：γ_M和γ_L分别代表能干性低的和能干性高的岩层中的剪应变；ηM和ηL分别代表相应岩层的黏度。

Treagus和Sokoutis（1992）还通过物理模拟实验验证了该流变计。

2.能干层褶皱流变计

Lan和Hudleston（1995，1996）结合前人的研究，数值模拟单层纵弯褶皱后指出，虽然应变弱化（非线性行为）和岩石的各向异性都会引起相似的尖棱状褶皱，但能干层的流变机制是不同的。前者的应变集中在褶皱枢纽，翼部几乎没有应变，是切向-纵向应变；后者的枢纽部位几乎没有应变，而翼部有很大的剪应变，相当于弯流褶皱应变机制。

根据纵弯褶皱理论，牛顿体能干层的主波长厚度比（L/h₀）只与能干层对基质的黏度比m有关，因而，主波长厚度比可用来估测牛顿体能干层对基质的黏度比（Sherwin和Chapple，1968；Hudleston，1973）。Biot（1961，1965）和Ramberg（1961）在小变形和小挠度的基础上，假设褶皱岩层为牛顿流体，且基质处于平面应变状态，推导出了夹在上、下两层黏度较小的介质中的褶皱岩层的主波长理论，即：

式中：η0、η1分别为基质和褶皱岩层的黏度；λ_d为褶皱初始主波长；h为褶皱岩层厚度。

但是，岩石并不都是理想的牛顿体，相反，它们往往具有非牛顿体性质。Fletcher（1974）和Smith（1975，1977，1979）推导出了适于肿缩石香肠、窗棱构造、能干层褶皱的统一公式，当能干层和基质均表现出高度非线性流变行为时，其主波长满足如下公式：

式中：λ为主波长；h₀为能干层初始厚度；η1、n₁为能干层的表观黏度和应力指数；η2、n₂为基质的表观黏度和应力指数。

Kobberger和Zulauf（1995）以及Martin和Gernold（2002）均用实验证实了式（4-3）的正确性，该公式为定量化的高度非线性黏弹体构造流变计研究奠定了基础。本书将Biot-Ramberg的线性体主波长理论简称为线性主波长理论，将Fletcher-Smith的非线性黏性体主波长理论简称为非线性主波长理论。运用非线性主波长理论，可恢复褶皱的某些岩石流变参数，即能干层褶皱流变计，其操作方法详见第四章第十三节。

表4-2列出了我们在北京西山孤山口和拴马庄测得的某些褶皱岩石流变参数。目前采用能干层褶皱流变计测得的应力指数一般n_L≥10，与实验室结果的n_L取值2～7（Peter等，1995）相比明显偏大，其原因尚待进一步研究。

表4-2　北京西山一些褶皱几何参数和岩石流变参数

3.香肠构造流变计

肿缩香肠构造因其含有流变学信息而被列入流变计范畴（Hudleston和Lan，1995；Passchier和Trouw，2005）。曾佐勋等（1997，1999）初步尝试肿缩石香肠的定量流变信息反演。当假设：①能干层初始扰动远小于能干层初始厚度；②能干层黏度远大于基质黏度，按平行层面方向伸展的纯剪切条件考虑，可以导出（Emerman和Turcotte，1984）：

式中：n_L为能干层应力指数；h₀和h分别表示能干层初始厚度和某一变形时刻的厚度；δ表示对时间或空间取变分。

为了便于实际应用，可以将式（4-4）改写成差分形式：

式中：h取为肿缩石香肠缩颈处厚度；Δh₀为能干层初始扰动；Δh为h₀与h之差。

可通过式（4-5）求能干层应力指数n_L，然后利用式（4-3）可求能干层对基质的黏度比（详见第四章第六节）。利用该方法，我们在北京西山地区获得了某些岩石的流变参数（表4-10）；之后，又在川西北黑水-平武地区获得板岩中石英脉的流变参数（表4-3）。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，而川西北地区石英脉的应力指数变化范围为2.08～7.67。这些结果与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）相当一致。

除此之外，本课题组的吴武军等（2005）、张志勇等（2006）、张鲲等（2007）；林彦蒿和曾佐勋（2010）等对香肠构造流变计也有所创新（详见第四章第七至十节）。由于香肠构造发育于不同尺度范围，以此为流变计操作简便易行，香肠构造流变计显然有很广阔的发展前景。但目前还处于探索阶段，在能干层初始厚度估计、初始波长估计、基质变形机制分析和初始扰动值的规律分析方面，需加以完善。其技术途径可以进一步提高测算结果的可信度，并界定各种香肠构造流变计的适用范围。

表4-3　川西北黑水-平武地区板岩中石英脉石香肠的几何参数及流变参数

4.残斑翼尾样式流变计

Masuda等（1995a）运用解析法分析了旋转剪切带内牛顿材料和非牛顿材料的应力和应变，认为残斑翼尾样式与应力指数有关。他们的理论结果与Passchier和Sokoutis（1993）的实验结果一致，材料的应力指数增加使残斑系的变形更集中在残斑附近，σ型构造意味着基质表现为牛顿流体特性，δ型构造意味着基质具有非牛顿流体特性（图4-1）。但Pennacchionia等（2000）的有限元模拟，在牛顿流体和非牛顿流体基质中均产生了δ型刚性圆状旋转碎斑，可见对于δ型构造能否作为非牛顿流体基质的指示标志还有待进一步的探讨。如何从σ型和δ型残斑中定量地探索岩石古流变参数，也仍未见有实际应用的报道，这值得深入研究。

图4-1　残斑翼尾样式随应力指数变化的模拟（Masuda等，1995a）

为内核的旋转角（弧度制）；变形标志物的变形样式随应力指数n的增加，相应地从σ型变化到δ型

5.基质-块体构造流变计

基质-块体构造（block　in　matrix　structure）是指在黏度相对小的线性黏性体基质中悬浮有黏度相对大的不发生黏性变形的块体的构造现象，例如Grigull等（2011）将构造混杂岩视为一种基质-刚性块体构造。Ji等（2004）提出广义混合物定律（generalised　mixture　rule，GMR）：

对于具有基质-块体结构的混合物，J＜0且η_b/η_m→＋∞，则式（4-6）可改写为（Ji等，2004）：

由于（ηb/ηm）^J→0，则式（4-7）可进一步改写为（Grigull等，2011）：

式（4-7）、（4-8）中η_c、η_b、η_m分别表示混合物、块体和基质的黏度；φ为块体体积分数。

对于理想的含刚性块体悬浮物，有J＝-0.4，则等式（4-8）可改写为与Roscoe（1952）提出的流变公式一致的形式：

当φ《1时，公式（4-7）可改写为（Grigull等，2011）：

再结合J＜0且ηb/ηm→＋∞，（ηb/ηm）^J→0，当J＝-0.4时，则式（4-10）可改写为Einstein（1906）提出的仅适用于非常稀释的悬浮物（φ＜0.05）的流变公式：

对于非理想悬浮物，如含不同形态与粒径包裹体的悬浮物，Ji（2004）建议以φ/φmax替换公式（4-8）中的φ，且J取值-0.5，可得：

式中：φmax为混合物的最大充填分数，这与Maron和Pierce（1956）提出的流变公式形式相同。Krieger和Dougherty（1959）给出了一个类似于式（4-12）的流变公式：

式中：［η］为“固有黏度”，无量纲，［η］＝，对于球状块体直接有［η］＝0.25（Einstein，1911）。

Grigull等（2011）对Francisca、Rio　San　Juan等8个地区的板块俯冲带运用流变公式（4-9）、（4-11）～（4-13）分别算得各地区构造混杂岩的总黏度与基质黏度比，并对所得数据作了投点成图分析，得出构造混杂岩的总黏度主要受基质影响，且粒径较大的块体对其总黏度的影响比粒径较小的大。

三、讨论与小结

构造流变计是岩石流变学，特别是研究岩石古流变性质的重要工具，它可与高温高压实验岩石流变学工作互相检验并作补充，不失为岩石流变学研究的新途径。其定量方法还处于起步阶段，有很多工作有待深化。剪应变折射流变计目前只适用于牛顿体，需要推广到露头尺度；由能干层褶皱流变计获得的应力指数普遍偏大，其原因尚待进一步研究；香肠构造流变计中，原始厚度、波长的回溯推算、基质变形机制都有待新的认识；残斑翼尾样式流变计的应用及新的流变计也有待开发。因此，这方面还有很多新课题亟待进一步研究。

需要指出，当含有流变信息的构造流变计出现在不同世代构造中，则可用以认识地质体的流变性质演化史，如复合香肠构造，就有不同期次的岩石流变学信息。另一方面，在同一世代构造变形中，一个地区的不同岩层会有不同的变形表现，采用构造流变计方法有可能建立相应地层序列的流变柱。这些都将是天然岩石流变学研究引人入胜的课题。