中下地壳中花岗岩的流变演化

花岗岩流变学特性及其对地壳变形的影响研究，探讨矿物流变定律、颗粒尺寸-应力关系、微结构演化规律及流变混合定律应用。发现高温低压下形成连通弱层结构，应变率提升一个数量级；低温高压下形成超糜棱岩结构，应变率增幅更显著，影响剪切带 narowing 和渠道流动等地质过程。

　　

约翰·保罗·普拉特

美国加利福尼亚州洛杉矶南加州大学，邮编90089-0740

摘要

花岗岩是大陆地壳最重要的组成部分，其流变特性决定了地壳对构造过程的响应，如大陆碰撞、通道流动以及变质核复合体和片麻岩穹丘的形成。为了定义其流变特性，我们需要对组成矿物的流动规律和粒度/应力关系有明确的了解，还需要流变混合规律来构建多相系统的整体流变模型，并理解流变特性如何随着变形引起的微观结构变化而演变。对于简单的石英和长石花岗岩组合，应力/应变率关系表明：在高温和低应力条件下，未变形的花岗岩会从承载结构的微观状态演变为相互连接的弱层（片麻岩状）微观状态，导致在恒定应力下应变率增加一个数量级；而在低温和高压条件下，它会演变为超米洛尼特（ultramylonite）微观结构，其中细粒石英和长石紧密结合，导致应变率进一步增加。在大陆尺度上的剪切带中，随着流变特性的变化，剪切带可能会逐渐变窄。通道流动仅可能在未变形的花岗岩地壳中发生，且温度需接近700°C，同时剪切带边缘的花岗岩需要发展出IWL（interconnected weak layer）微观结构。

引言

中下地壳中花岗岩的力学性质（或流变特性）对于理解大陆地壳对板块边界力以及地形和密度差异所施加的载荷的响应至关重要。上地壳中花岗岩的摩擦强度已经得到了相当好的研究，但在大约15公里以下的深度，由于温度足够高（>300°C）允许粘性或塑性流动，其行为仍知之甚少。全面了解花岗岩的流变特性对于分析多种地质动力学过程至关重要。这些过程包括：（1）大陆碰撞，其中花岗岩地壳的强度控制着基底和盖层之间的变形分配；（2）裂谷作用和大陆拉伸，其中中下地壳的流动决定了不同地壳层如何沿着拉伸的大陆边缘和变质核复合体暴露出来；（3）青藏高原等大陆高原边缘的中下地壳的通道流动；（4）片麻岩穹丘和太古代花岗岩-绿岩地体中的固态侵入作用。在每种情况下，都认为中下地壳中的花岗岩物质参与了固态流动，但我们几乎没有信息来判断这种流动是否能够在所提出的空间和时间尺度上发生。

定义花岗岩的流变特性面临严峻挑战，原因如下：首先，花岗岩是由多种具有不同力学性质和温度、应力及粒度敏感性的矿物组成的，这使得从实验数据外推六个或更多数量级的应变率变得复杂。其次，构成花岗岩的各个矿物的力学性质本身也尚未得到统一明确的确定。石英、长石、角闪石和云母随温度、应力、粒度和含水量的变化而以不同的机制变形，并且具有不同程度的各向异性。第三，我们需要从单个矿物的实验数据构建整体流变模型的流变混合规律存在争议且难以实施。最后，也是最重要的，变形会导致微观结构的变化，这些变化深刻影响整体流变响应。因此，花岗岩并没有唯一的流变特性：我们必须根据应力、温度和微观结构来定义其流变演变过程。

在本文中，我回顾了我们对地质实际应变率下构成花岗岩的各个矿物相的流变特性的了解，以及这些矿物的粒度/应力关系，这对于评估粒度敏感性蠕变的重要性至关重要。接着，我讨论了花岗岩在变形过程中的微观结构演变及其对流变特性的影响。利用这些信息，我应用流变混合规律推导出随温度和成分变化的应力/应变率关系，并用这些结果来说明对花岗岩流变特性的理解如何影响我们对构造过程的理解。

矿物流动规律

花岗岩主要由石英（10–40%）、长石（50–80%）、角闪石和云母组成。晶体塑性变形的通用流动规律可以表示为：$$w，其中$$表示应变率，$$是指数为$$的差应力，$$是指数为$$的水蒸气逸度，$$是通用气体常数，$$是温度（单位K，例如Weertman, 1968）。$$是激活焓，可以表示为$$，其中$$是激活能，$$是激活能

粒度/应力关系

中下地壳中的结晶岩石通常具有几毫米到几厘米的粒度。在变形过程中，这些岩石的粒度通常会减小到10–200微米的范围，这可能导致粒度敏感性蠕变的产生。粒度减小可能是由于脆性断裂、变质反应（Brodie和Rutter, 1987; Rutter和Brodie, 1988）或与晶体塑性变形相关的动态重结晶（例如White, 1976; Schmid）引起的。

花岗岩在变形过程中的微观结构演变

花岗岩的变形对温度非常敏感。在280–300°C以下的温度下，石英和长石不会发生晶体塑性变形，因此花岗岩的变形主要由断裂控制（例如St?ckert等人，1999；Tullis, 2002）；但如果存在水，长石可能会分解成云母或粘土矿物，从而形成片状剪切带（Maggi等人，2014）。在约400°C以下的温度下，花岗岩可能会发生广泛的

流变混合规律

这是建立整体流动规律的关键步骤。我们需要应用流变混合规律来构建未变形花岗岩的流变模型，以及变形过程中出现的各种花岗岩微观结构的流变模型。实际上，我们需要三种混合规律来对应变过程中形成的三种主要微观结构。

已经提出了多种混合规律，其中最著名的是Hill（1965年）、Yoon和Chen（1990年）以及Tullis等人的研究。

结果

根据前一节讨论的混合规律计算出的三种不同流变特性的应力/应变率图显示在图3中，图中还给出了石英和长石的流动规律。这些图表展示了本文的主要结论。标记为LBF、IWL和超米洛尼特的曲线分别代表上述三种主要花岗岩微观结构的流变特性，黑色箭头表示可能的流变行为

构造意义

准确掌握花岗岩的流变特性具有广泛而重要的应用价值。下面讨论了两个例子。

结论

• 1.
  在约500°C至干固相线之间的温度范围内，花岗岩的流变特性取决于三种微观结构中哪一种占主导：一种是未改变的LBF微观结构，其中长石是流变主导成分；另一种是在相对较高温度或较低应力下形成的片麻岩状IWL微观结构，其中石英形成相互连接的弱层并主导流变；第三种是在高应力下形成的混合相超米洛尼特微观结构

未引用的参考文献

St?ckhert等人，1999；Wassmann和St?ckhert，2013；White和Knipe，1978。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本文中的概念是在多年与许多同事和前研究学生的讨论中发展起来的。特别感谢Tarryn Cawood、Alex Lusk和Caroline Seyler。我感谢Mark Handy和一位匿名审稿人提供了详细而富有启发性的评审意见，帮助我大幅改进了手稿，同时感谢Virginia Toy在编辑工作上的支持。这项研究没有获得任何公共、商业或