韧性剪切带的应变分析和测量

如题所述

韧性剪切带内的各种变形构造和变形现象均是应力作用下各类应变的结果,变形构造和应变类型、应变大小之间存在着某种内在联系,因此,对韧性剪切带内变形构造和变形现象的观察和测量是应变分析的基础。

(一)应变分析和测量的依据和方法

应变分析和测量的基础是有关的应变理论,尤其是应变椭球的概念和理论。按照现代应变理论,在应力作用下,未变形的圆球体在经过均匀变形后变为三轴应变椭球,应变椭球中三个应变主轴λ1、λ2、λ3的长度(或直径)和应变椭球的形态与应变大小和应变类型有关,同时应变椭球中不同方向物质的变形特征和应变大小也不相同,以此类推,变形地质体中不同切面的应变特征和构造现象也有明显的差异。因此,对变形构造的观察和应变分析需要通过对不同切面的观察和测量进行,而包含λ1、λ2、λ3这三个应变主轴中任意两个应变主轴的三个应变主平面(λ1λ2、λ1λ3、λ2λ3)上应变特征和构造现象最典型,在进行应变分析和构造观测时通常选择这三个面进行。

所以,不论是在露头上还是手标本上,或者显微镜下,进行变形构造观察和应变测量时,首要的工作就是确定应变轴(或运动轴)和应变主平面,而这些工作也是运动学分析首先要做的内容。目前,普遍用X、Y、Z作为应变轴(或运动轴),分别对应于应变椭球的λ1、λ2、λ3,岩石中的叶理面代表XY面,X轴平行于叶理面上的拉伸线理,垂直叶理面的方向为Z轴(图10-34)。

图10-34 拉伸线理在不同切面的形态特征及应变轴(运动轴)的确定

(二)应变分析和测量的方法

应变分析和测量分相对应变的观察和应变大小的测量。相对应变分析是根据变形构造的特征确定剪切带不同部位应变的相对大小,许多构造现象都有助于相对应变分析,如糜棱岩的类型、叶理的密集程度、褶皱的紧闭程度和置换强度等,当然,这需要对韧性剪切带进行系统的横向观察。应变大小的测量也需要各个切面上变形构造和应变标志及应变与变形构造之间的内在联系来确定。Ramsay et al.(1970,1984)总结出各种应变测量方法。

1.均匀应变的Flinn图解

应变分析理论表明,应变椭球中三个应变主轴的长度(或直径)和应变椭球的形态与应变大小和应变类型有关。根据这一原理,在变形岩石中选择原始形态为近等轴状或不规则状,变形后形成类似应变椭球那样的标志物,如长英质岩石中的石英、砾岩中的砾石、侵入岩中的包体等,在XZ和YZ或XY和XZ切面上测量X、Y、Z三个应变主轴的长度x、y、z。并分别求出:

a=x/y=(1+ex)/(1+ey)和b=y/z=(1+ey)/(1+ez)

并以a、b为坐标作图,不同形态的应变椭球用K值来区别:

K=(a-1)/(b-1)

或用统计的方法(如Robin法)求出轴率K:

构造地质学(第二版)

式中:ai、ci为与应变轴平行的变形体的长短轴;n为测量数目。各种应变状态可以描述如下:

① 轴对称延长:K=∞;②收缩应变(长椭球):1<K<∞;③平面应变(体积不变):K=1;④压扁应变(扁椭球):0<K<1;⑤轴对称压扁:K=0。

这种方式,只用参数K值就能描述应变椭球的形态,通过K值是大于1还是小于1,就能直接区分出是收缩应变还是压扁应变。

图10-35 A中是假定体积不变而编制的,由于体积变化Δ=0 时,K=1 的直线才唯一通过原点。当Δ≠0时,则有1+Δ=(1+ex)(1+ez)=a/b(因为K=1时应变椭球的(1+ey)=1),所以:a=b(1+Δ)。

图10-35 应变Flinn图解

(据Park,1983)

(1)用K=(a-1)/(b-1)值描述不同的应变椭球体;

(2)如果体积不是衡量,则以线a=b(1+Δ)划分收缩应变区与压扁应变区,图1035 B中实线表示体积缩小20%的效应。

2.利用Sm与Sc的锐角关系求剪应变

Sm与Sc之间的锐角关系,即剪切带内糜棱叶理与剪切叶理或剪切带边界面之间的锐角(θ)关系。通常情况下,糜棱叶理(Sm)在剪切带中呈“S”分布,而剪切叶理与剪切带边界平行,二者之间的夹角在剪切带边界处一般为45°,向剪切带中心应变增强,夹角变小(图10-23),因此,根据横过剪切带的不同部位测得的夹角θ,通过公式:γ=2/tan2θ,可以求得剪切带不同部位的剪应变。需要注意的是,θ是在XZ切面测量的。

3.以先期标志面的产状求剪应变

先期构造面(包括层面、片麻理、岩墙和岩脉等)在剪切变形过程中,一般表现为被动旋转,随着递进变形的持续发生,在XZ面上其迹线与剪切方向之间的夹角发生递进变化。

如果原始状态的先期构造面与剪切方向垂直,则可利用角剪切求剪切应变γ。先将剪切带以间隔a划分许多段,在每个间隔中作变形标志面切线,切线与原始状态的先存标志面之间的夹角就是角剪切(φ),然后利用公式:γ=tanφ,求出各个间隔的剪切应变值(图10-36)。

如果原始状态的先期构造面与剪切方向不垂直,与剪切方向的原始夹角为a,变形后的夹角变为a′,则可利用它们之间的几何关系,可以求得剪应变γ(图10-37),其中:

cota′=cota+γ

图10-36 角剪切求剪应变

(据Hudlesfon,1983)

图10-37 剪切变形过程中先存构造面的旋转

(据Hudlesfon,1983)

图10-38说明这种函数曲线关系,图中包括了各种原始夹角a的先存标志面在剪切过程中随着剪切应变的增加a′逐渐变化的曲线,只要测得最终a′的大小,就可依据这些曲线求得剪切应变量γ。

用脆-韧性条件下张裂隙的演化求剪切应变则是其中的一例。

在此情况下,初始剪切变形在脆-韧性剪切带中形成一组雁行状排列的张裂隙,这些张裂隙与剪切(位移)方向之间的初始夹角呈a角(初始阶段为135°)(图10-39A),随着递进变形的发生,这些张裂隙被剪切位移改造而发生旋转,导致与剪切(位移)方向之间的夹角a′变小,同时,脆-韧性剪切带向两侧扩展、变宽,这些张裂隙也沿其尖端向两侧扩展,扩展部分的裂隙与剪切(位移)方向之间的夹角a仍为135°,从而导致旋转地张裂隙和扩展的尖端部分构成“S”,在这一过程中,将有新的张裂隙形成(图10-39 B)。而递进变形的进一步发生,又会重复上述过程(图10-39 C)。因此,如果测得初始张裂隙与剪切(位移)方向之间的夹角a′,则可以利用cota′=cota+γ的函数关系或图10-38中的a=135°曲线求得初始裂隙形成后的剪切应变量γ。

图10-38 简单剪切中先存构造面原始夹角a和变形后夹角a′与剪切应变γ之间的关系

(据J.G.Ramsay,1983)

图10-39 脆-韧性条件下张裂隙的递进演化

(据J.G.Ramsay,1984)

4.据主应变求剪应变

在韧性剪切带内各点上的变形岩石中,选择原始形态为近等轴状或不规则状,变形后形成类似应变椭球那样的标志物,如长英质岩石中的石英、砾岩中的砾石、侵入岩中的包体等,在XZ切面上测量X、Z应变主轴的长度x、z。然后利用下列公式求得剪应变γ:

构造地质学(第二版)

另外,据图10-40,其中实线代表Sm与Sc之间的夹角θ,虚线代表XZ应变椭圆轴比(长轴和短轴)。在简单剪切中θ从45°开始(边界),随着剪应变 γ 增大,则θ变小,长轴朝剪切方向转动,如当γ=10 时,θ=5.6°,而轴比等于102:1。根据图中曲线的对应关系,在测得θ或轴率后,都可通过图中的曲线求得剪应变γ。

图10-40 剪应变与轴率关系曲线

(据J.G.Ramsay,1984)

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