粒度对岩石流变性质的影响

第十四节　粒度对岩石流变性质的影响

韧性剪切带是窥测深部构造层次岩石变形特征的一个窗口，20世纪80～90年代初，对韧性剪切带的几何学、运动学的研究比较多，且比较深入（Ramsay，1982；Simps和马瑞，1991）。随着韧性剪切带在造山带研究中的重要性以及流变学在地学中应用的重要性的日益提高（Ramsay和Huben，1987），在韧性剪切带的动力学研究中，岩石流变特征引起了广大地质学家的关注，并在糜棱岩化过程中流体流动（O’Hara，1988）、体积损失（O’Hara和Blackburm，1989）和岩石流变（Selverstone等，1991；Schrank等，2008）等方面的研究都取得了许多的进展。

我们在野外观察韧性剪切带时发现，当韧性剪切带穿过由不同粒径矿物组成的花岗质岩石时，其发育程度具明显差异。关于岩石粒度对岩石流变性质的影响似乎还未引起地质学家们的足够重视，为此，本课题组针对这一自然地质现象，完成了野外观测和室内构造模拟分析，目的在于通过这一研究来揭示粒度差异、粒度与基质含量比值对岩石流变性质的影响的一些规律，来解释穿过不同粒度岩石时，韧性剪切带发育程度明显不同这一地质现象。

一、地质现象

在江西赣东二都、棠阴镇幅1∶5万区域地质调查研究过程中，在南城县徐兰一带发现了宽达5km的、具有构造区划意义的韧性剪切带（图4-42），该剪切带呈NEE-NE向延伸，整体向SE倾斜，以向NW逆冲为主，兼有右行走滑性质。卷入的地质体有锆石U-Pb同位素年龄为1　275Ma^[1]（变安山岩中）的兰水岩组（Pt₂l）变质岩、徐兰超单元的周坊单元（O₂Z）眼球状粗粒黑云二长花岗岩（锆石U-Pb同位素年龄为510Ma^①）和程坊单元（O₂C）的细粒二长花岗岩（锆石U-Pb同位素年龄为481Ma^①）等。穿过眼球状粗粒黑云二长花岗岩和细粒二长花岗岩时，韧性剪切带的发育程度及岩石变形差异明显。

图4-42　徐兰韧性剪切带地质略图

1.白垩系莲荷组；2.侏罗系水北组；3.中元古界兰水岩组；4.程坊单元；5.周坊单元；6.周坊单元的糜棱岩化眼球状粒黑云二长花岗岩；7.程坊单元的糜棱岩化细粒二长花岗岩；8.碎裂岩化带；9.U-Pb同位素（Ma）；10.应变测量点

野外进一步观察表明，在同一露头上，后期的细粒二长花岗岩穿插到眼球状粗粒黑云二长花岗岩中，而韧性剪切带同时穿过这两种岩石，在后者中发育程度一样，而在细粒岩石中发育程度好，且变形相对较强。我们测量了这两种不同粒度的岩石的应变。考虑到细粒二长花岗岩变形前石英颗粒呈等粒状，粒度较小，粒状矿物的平均粒径为2.5mm，采用了Fry图解法，在XZ面（280个数据）和YZ面（180个数据）上测得R_s值分别为2.375和1.57。眼球状粗粒黑云二长花岗岩石英颗粒较大，粒状矿物的平均粒径为10mm，采用长短轴法（郑亚东和常志忠，1985），各测量50个数据，其结果XZ面R_s＝2.05，YZ面R_s＝1.42。

显然，细粒二长花岗岩的有限应变要大于眼球状粗粒黑云二长花岗岩。由此可以看出，岩石粒度的差异对岩石的变形有着重要的影响。

二、物理模拟实验

将大理岩加工筛分后，获得粒级分别为0.3～0.45mm、0.125～0.15mm、0.085～0.1mm的方解石，然后再按方解石与甲基乙烯基硅橡胶以分别为1∶1、1.4∶1的体积比例，分别在炼胶机上经充分均匀混炼，制成5组模型材料，即M9801、M9802、M9803、M9804和M9805（表4-20）。

表4-20　实验模型材料流变测算结果（T＝15±1℃）

用夹心式流变仪测量模型材料流变参数，测量过程中，温度保持在15±1℃，分别对5种模型材料渐进加载，连续记录在不同的加载条件下，记录模型发生位移及相应的时间。为保证实验的准确性，每一种加载试验重复做3次，共取得800多个数据。将所得数据经计算机处理，得到5种模型材料的流变参数（表4-20）。

从表4-20中可以看出，不同填料粒径的模型材料以及同一模型材料在加载的不同阶段，其剪切位移速率、流变指数、应力指数和表观黏度具有较明显的差异，反映了填料粒径对模型材料流变参数的直接影响。

从图4-43可以更直接地看出粒度对岩石流变性质的影响，在相同的应变速率条件下，粒度越粗，黏度越高；填粒/基质体积比值越高，黏度越高。

图4-43　粒度对黏度的影响

左图中填粒与基质体积比为1.4∶1，M9801填粒粒径为0.3～0.45mm，M9802为0.125～0.15mm，M9803为0.085～0.1mm；右图中填粒与基质体积比为1∶1，M9804填粒粒径为0.3～0.45mm，M9805为0.085～0.1mm

在剪切模拟中，选用配制的模型材料M9803和M9801，在中国地质大学（武汉）地球科学学院构造教研室G-M-YⅡ2型的剪切仪上使用陈氏网格法（曾佐勋等，1992b）模拟（温度15℃±1°）。变形前，先将正交网格印制在实验模型上，实验过程中分别对变形前、变形中和变形后的图案拍照，并测量相应的剪切板位移速率，为了实验的准确性，剪切模拟实验采用两种不同的位移速率，以便对比。

将所拍摄的照相底片通过幻灯机读得相应网格变形前后的坐标值，再通过计算机处理，获得两种模拟材料x方向和y方向的线应变、剪应变及转角变化。将所获得参数成图（图4-44）。

从图4-44可以看出，在相同的剪切条件下，两种模型材料的剪应变和转角都具有明显差异。在相同的应变速率下，M9801较M9803中相对应点的剪应变值和转角值要小，也就是说，材料M9801较材料M9803中剪切变形强度要小，整体转动也少。

三、分析与讨论

构造模拟所获得的数据及结果显示，在填料和甲基乙烯基硅橡胶体积比值相同的情况下，填料粒度越大，模型材料显示黏度越大；而在填料粒度相同时，填料与甲基乙烯基硅橡胶体积比值越小，模型材料显示黏度越小。可以推测，含砾的泥岩和泥质填充的砾岩相比，后者黏度肯定大于前者，这不仅说明了岩石的矿物颗粒大小直接影响了岩石的流变性质，也揭示了填料与基质比值也是控制岩石流变性质的因素之一。细粒二长花岗岩的粒状矿物平均粒径为2.5mm，眼球状粗粒黑云二长花岗岩的粒状矿物平均粒度为10mm，两者粒度大小相差3倍，室内剪切模拟的材料两者粒度相差也是近3倍。实验结果与自然地质现象是一致的。

由于粒度大小控制了岩石的流变性质，当韧性剪切带穿过不同粒度的岩石时，在同样的剪切条件下，自然会出现剪切带发育程度及变形程度的差异。上述的应变测量结果同样反映了由粒度大小所造成的应变差异，即粒度越细，有限应变越大。这解释了韧性剪切带穿过不同粒度岩石时为什么会出现发育程度不同的原因。因此，在观察研究同一韧性剪切带内岩石变形时，应考虑粒度对韧性剪切带发育程度和岩石流变性质的影响。

图4-44　韧性剪切带网格法实验结果

同一模型中，采用M9803（图中虚线下方）和M9801（图中虚线上方）两种模型材料；图A为剪应变（γ）等值线图；图B为转角（Ω）等值线图，单位：°；图C为γ-x曲线；图D为Ω-x曲线

四、结论

综上所述，可得出以下认识：

（1）粒度差异是控制介质流变性质（或黏度）的重要因素之一，这与野外所观察到的自然地质现象完全一致。矿物粒度大小与岩石黏度呈正相关，即在填料与基质比值相同的条件下，粒度大者黏度大，粒度小者黏度也小。

（2）物理模拟中，在粒度差异相同的情况下，填料和基质体积比值与模型材料黏度正相关，也就是说，岩石中粒状矿物和基质体积比值与其黏度正相关。这与在自然界中观察到的实际情况相符。

（3）岩石的粒度差异影响和控制着岩石的流变性质，所以也就直接影响着韧性剪切带发育的程度。在同样条件下，当韧性剪切带同时穿过粗粒岩石和细粒岩石时，在粗粒岩石中的韧性剪切带发育程度要比细粒岩石中差，变形也相对弱些。上述认识对构造变形岩石的流变学研究具有重要的理论和实际意义。

【注释】

[1]测试单位，地质矿产部壳幔体系组成物质交换及动力学研究开放实验室同位素室，1999。