成因矿物学在构造地质上的应用讲义.ppt

第八章成因矿物学在构造地质学上的应用 第一节概述第二节不同力学性质断裂带应力矿物的应变特征第三节古应力值得估算第四节郯庐断裂带南段深层次塑性变形中应力矿物的超微构造特征第五节糜棱岩的化学成分及物质组分标型特征 1 主要研究内容成因矿物学在构造地质学中主要涉及 1 在构造的作用下 不同力学性质断裂带的应力矿物的应变特征 2 矿物物性 光性 密度 磁性 电性 弹性波 导热性等 的变化标志 第一节概述 3 矿物的化学成分 主成分 微量元素 同位素等 变化特征 4 矿物的波谱学参数以及矿物的显微构造和超微构造的变化特征 5 与板块构造有关的标型矿物特征 6 有用矿物 矿产 在各种构造环境下的赋存规律的研究 2发展历史1 哈克尔最早提出 应力矿物 一词 但末完全被地学界所接受 2 李四光先生认为 应力矿物的研究是一种与地质力学有关的专业 值得进一步探索 3 王嘉荫先生发展了应力矿物的概念 并把应力矿物与地应力作用和构造运动联系起来 出版 应力矿物概论 专著 此后国内巳无专人从事研究 近几年来也只有少数论文涉及到有关内容 4 国外提出了 板块矿物 的概念 在室内模拟实验和野外研究两方面部取得了一些进展 但国外目前进行的实验大多属于变形机制 而将实验结果应用到解释地学实际问题还需要时间 3 研究意义根据应力矿物应变特征的研究 可以1 确定矿物或岩石的应变类型 塑性变形与脆性变形 2 确定断裂带应力的性质 3 确定宏观地质构造动力的方向 4 确定断裂活动次数 从而建立所研究断裂带的演化史 1 变形纹变形纹是塑性变形的产物 它是由于矿物晶格发生错动 而形成的一种滑移现象 变形纹能用来反映不同期次的构造活动 变形纹与斜长石双晶极为相似 但不那么规则 条纹数和方向也不固定 有的与c铀平行或斜交 有的与底面平行 第二节不同力学性质断裂带应力矿物的应变特征 变形纹在石英颗粒中最发育 在其它矿物中也可见到 如碳酸盐矿物 白钨矿等 在石英晶格中 可见到一组变形纹或两组相交的变形纹 有时也能见到三组不同方向的变形纹和一组变形纹穿透相邻的不同方向的石英晶粒 王嘉荫先生认为 石英的变形纹可以反映压扭性的应力性质 从而可以帮助确定断裂带的性质 并且变形纹需要较高的压力才会出现 2 波状消光与变形条带这两种消光现象都是塑性变形的产物 也是由晶内滑移所引起 波状消光具有连续的过渡关系 转动物台时 消光显示波状 变形条带是带状消光现象 类似双晶 但不如双晶那样明显和规则 它是一种不连续的消光现象 这两种消光观象在石英 长石 辉石 碳酸盐矿物 白钨矿中均可见到 有时这两种消光可在同一晶粒中出现 3 吕对尔线吕对尔线即交滑移 交滑移就是两组滑移相交 交滑移发生在应力集中处 往往是破裂发生的位置 石英中的吕对尔线是由次生的气液包裹体充填一对交叉条纹构成 许多断裂带中的石英 常顺这两种方向裂开 在石英晶体中 可以见到不只一组吕对尔线 表明岩石经受不止一次的应力作用 不同方向的吕对尔线的发育程度 包裹体大小与密集程度等都有差别 4 双晶由应力产生的双晶叫做机械双晶 在构造运动前 运动中 运动后的双晶都存在 可根据形态 受力状态 蚀变矿物及所处的位置区分原生双晶和机械双晶 如具有弯曲的双晶纹的矿物 被绢云母细脉穿切和交代 其双晶纹可能是运动前形成的 细至0 0002毫米的双晶纹可能在运动中形成 沿扭裂面分布的双昂纹方向和扭裂方向一致的双晶可能是重结晶的结果 是运动后形成 受残余应力控制 5 扭折扭折是高压下矿物为适应应力场而发生扭滑移 属于塑性变形 扭折常成带状 称扭折带 扭折是发生在晶体内部方位不同的条带 这种作用使得如晶体上解理一类的标志线被扭弯 但相互间并没有失去结合力 黑云母的扭折比较常见 往往在黑云母扭拆带内有新的矿物生成 如有细小的屑石 绿帘石相 磁铁矿等 新的矿物生成 表明这是应力集中带 应力集中带可以引起成分转化 此外 扭折带的出现也可以指示所处的断裂带属于压扭性 6 矿物的裂纹与破碎矿物的裂纹与破碎属于脆性破裂 或属于塑性物质继续受力超过其极限强度而产生塑性破裂 如构造角砾岩 压碎岩等构造岩 塑性破裂和脆性破裂的区别 在于前者破裂时伴有塑性形变 后者无明显塑性形变 7 亚颖粒边界亚颗粒边界是发育在晶粒内的一种面状界面 在正交偏光下 转动物台 出现不均匀消光现象 在一个颗粒内可区分若干消光位稍有差异的区域 即为亚颗粒 它由位错攀移作用所引起 可作为动态恢复的标志 8 重结晶重结晶与上述矿物各种变形密切相关 矿物的各种塑性变形与脆住破裂使颗粒变细及产生晶内位错而积存了应变能 处于不稳定状态 从而形成重结晶 应力场的研究 包括应力方向和大小两方面内容 并且应力大小的确定与应力方向的确定具有同等重要性 但是由于构造变形的长期性 多期性和复杂性 很难在变形的构造体中直接观测到古构造应力的大小 因而 对构造应力场的研究 国内外曾长期停留在应力方向和应力场性质的水平上 第三节古应力值的估算 研究人员将由金属物质晶内变形显微构造的某些参数 推算形变时应力大小的理论方法 引伸到岩石的构造形变上来 通过对变形构造岩石的这些显微构造的观测 以及岩石变形实验资料的证实 晶内自由位错密度 亚晶粒大小d 构造重结晶颗粒粒大小D 以及变形双晶百分比等参数基本能反映出构造形变中应力值大小 1 由变形石英位错密度 进行估算 1 理论及方法金属物理学认为 塑性变形是沿着线性晶格缺陷的滑动面运动的结果 位错是作为一种晶体内的线缺陷而存在 位错分布密度决定了岩石塑性的表象 在未遭受变形的天然石英岩石晶体内大约具有103 cm3的位错密度 而高度变形的石英 位错密度可达1012 cm3 因此 位错密度 取决于作用应力 甚至强烈地依赖于差应力 Takauchi等 1976 从位错理论导出位错密度 和差压力 1 3 的关系式为 其中 是无量纲常数 b为布格斯向量 u为剪切模量 表8 1给出常见矿物的计算系数 表8 1 位错构造一般可分为晶体颗粒内部的自由位错与边界位错 一般认为晶内自由位错构造 能较稳定地反映古构造应力大小 自由位错密度 采用Smith Guthman法 即将许多条随机定向的总长为L的直线标绘在显微照片范围内 这些直线与位错的交点数为N 经换算得到 2N Lt其中t为样品厚度 目前尚无法精确测定 一般取经验值t 0 5um 2 由动态重结晶石英颗粒大小D进行估算石英重结晶颗粒大小D与差应力呈反相关系 其表达式为 上式中A m均为常数 Twiss对比了金属与矿物的物性资料 从理论上进行了推算 得到常数m 0 68 不同矿物 A值不同 石英为5 56 橄揽石为14 6 方解石为7 5 钙长石为7 8 采用上述常数时 若应力单位是Mp 10bar 颗粒直径单位为微米 此时对石英 计算公式为 重结晶颗粒大小D的统计测量 通常采用普通光学显微镜下随机直线测量法 L为随机直线的总长度 n为被直线所截的颗粒数 基于上述公式计算的一组差应力 其结果列于表8 2 表8 2 用动态重结晶颗粒估算的古应力值普遍低于位错密度法所测值 而且重结晶颗粒的大小随进入糜棱岩带内的剪应变的增加而减小 3 利用亚颗粒d估算应力大小所谓亚颗粒是指在一个晶粒中被位错壁所分隔开的 晶格方位略有偏离的区域 在稳态流动过程中 位错增殖速率与位错消失速率始终处于动态平衡之中 位错消失既有符号相反的位错相遇而消失 还有位错被吸收到小角度亚晶界的位错壁中 这种由位错壁所包围的亚颗粒大小与差应力有关 亚颗粒是动力回复作用在显微构造中的良好标志 其如同在光学显微镜下所见的变形带和变形纹一样 较好地反映了应力状态 石英颗粒中的亚颗粒能反映高应力 高应变速率的变形环境 在冶金学和陶瓷学中 亚颗粒平均直径d与差应力的关系 式中k为无量纲常数 u为剪切模量 b为布格斯向量 对于上式 Releisb认为石英的公式为 而Twiss认为其表达式为 式中亚颗粒直径d为微米 差应力单位为千巴 kb 1 石英的超微构造标型特征郯庐断裂石英超微构造表现为发育大量的位错 1 长和平直的位错线这种位错形态在本区石英中不多见 单个位错里呈平直线条状或微弯的弧线 有一定的排列方向 形成条带 有时两个方向的平直位错相交 构成方块或菱形排列 前人认为长和平直的位错可能是螺位错 形态上类似于低温变形组构 为 110 滑动面 001 螺型位错 第四节郯庐断裂带南段深层次塑性变形中应力矿物的超微构造特征 2 弯曲及扭曲的位错线这种形态位错最为发育 单个位错呈强烈的弯曲线 半环 多边形及不规则伏 甚至扭曲 有些过渡为 100 螺型位错和各种混合位错 3 滑动环垂直超薄片方向位错呈圆 椭圆状封闭的环 单独或连接成串珠状 双环状出现 形态上类似于高温变形组构 4 位错网络 即扭转壁 不同方向滑动面内的两组螺型位错相互交叉 交点形成结 当位错密集时 构成面状网格 本区糜棱岩中石英的位错网络十分发育 这种位错形态为高温变形组构 5 位错列这种形态的位错很发育 以一系列点状形态出现 其形态类似于高温变形组构 6 位错缠结呈圆形 核桃状 麦粒状的缠结常出现在位错壁及其附近 形态上类似于低温变形组构 7 位错壁位错壁有倾斜壁和扭转壁之分 由位错攀移所引起 形态上类似于高温变形组构 以上为石英晶内位错的标型特征 此外 该区石英的亚颗粒构造也很发育 亚晶通常以 100 010 和 001 位错壁为边界 所以常见的亚晶粒往往为矩形 有时为条带状 表8 3 2 斜长石超微构造特征有关斜长石塑性特征研究资料很少 本区斜长石的超微构造研究表明 斜长石变形的主要机制是由于双晶化及滑移作用 所形成的双晶有钠长石格子双晶 观察发现 有些机械双晶纹受到后期的变形影响而发生弯曲 斜长石的晶内位错现象很难见到 表明它可能不是变形的主要机制 斜长石以出溶结构 固溶体分离 为主要结构 仅在出溶结构中夹部分缺陷 位错 结构 3 黑云母超微构造特征黑云母的变形大部分是通过在 001 面上具辅助滑移的弯曲和扭折而发生 没有单独的滑动 本区黑云母的超微构造以微裂隙为主 并伴随着 001 面上滑移的弯曲和扭折 使黑云母发生变形 至于位错则大大减少 而且在组态上以层错为主 综上 石英比斜长石 黑云母更容易变形 其超微构造现象为解释糜棱岩形成是高温塑性变形的结果提供了有力证据 尽管脆性变形中也可以出现某些位错 但亚颗较大量出现则是岩石在塑性流动过程中发生动态恢复作用的结果 在动态恢复过程中 经位错攀移形成位错壁 亚颗粒边界而构成 因此 根据矿物超微构造特征 可以判断糜棱岩形成条件 从物质组成的观点来看 糜棱岩带是矿物组合和化学成分发生重要变化的狭窄面状地带 而且 这种变化随剪应变的递增而增强 第五节糜棱岩的化学成分及物质组分标型特征 1 糜棱岩带的化学成分标型特征郯庐断裂带南端糜棱岩带变形程度不同的样品全岩化学分析表明 各糜棱岩带的化学成分的变化均有相似的规律 随着岩石的变形强度逐渐增大 岩石中硅质逐渐增加 铝含量逐渐减少 钾 钠含量的变化虽有个别样品出现异常 但整体上也随糜棱岩的变形强度逐渐增加而减少 郯庐断裂南端糜棱岩岩石化学成分发生变化的主要原因 1 动力分异作用引起岩石化学成分变化的因素是充填或交代作用 但没有任何证据表明本区糜棱岩曾发生过充填或交代作用 因而其岩石化学成分变化 是由于在形成糜棱岩时岩石处于塑性状态 受挤压发生动力分异 从而导致元素不同程度逸出的结果 从动力分异作用的化学物理过程来看 分异作用的驱动力可能是下面几个因素的结合 a 非均匀变形岩石不同域之间应变体积变化的部分差异 b 由于带内的应力差所引起的化学位梯度 体积变化能导致不同矿物集中或减少 最大部分克分子体积的组分在化学位上受到的变化最大 并且由于压力梯度而发生迁移 结果是相对较大的离子和分子成为最活动的组分 从矿物岩石的角度来看 在硅酸盐类矿物中 氧离子半径较大 各种阳离子充填于氧离子空隙之间 因此 矿物或岩石的体积状态在很大程度上取决于氧的数量和排列方式 当受到挤压时 岩石通过减少其体积以适应外界条件的变化 当岩石体积减少 一方面使部分氧离子和阳离子逸去 另一方面氧离子调整排列方式 趋于最紧密排列 从而要求阳离子配位数降低 在这种状况下 离子半径小 配位数低 比重大的元素相对稳定 能保存下来 而离子半径大 配位数高 比重小的元素相对活跃 易于离去 本区糜棱岩的化学成分的分析表明 它们的化学组分变化与动力分异序列是一致的 Si最稳定 随变形加强而逐渐增多 A1 K Na最活跃 随变形作用加强而减少 Mg Mn Ca处于中间位置 其变化不明显 Fe呈不规则波状变化 可能是受到退变质作用以及后期地表的氧化还原作用的影响 2 动力热变质作用本区表现为退变质作用 它与塑性变形作用是同时进行 并且随变形强度加大而增强 退变质作用的结果是释放出Si Na Na被迁移走 等元素 消耗Fe Si以石英形式存在 从而使岩石中硅质增大 以上是控制本区糜棱岩化学成分变化的两个主要因素 强烈的构造变动促使部分机械能转化为热能 而温度的升高又使岩石塑性增加 提高了应变率 从而促进退变质作用 2 物质组分变化的标型特征本区