2017, Vol. 33
岩石圈组成及其复杂的环境因素(温度场、压力-围压条件、应变速率及流体活动性，下部地壳与地幔环境条件下熔体的存在及含量等)决定了岩石圈物理力学性质及变化，因而强烈制约着其流变性，并进而影响着岩石圈板块的表现(Rosenberg，2001；Rey et al., 2009)。尽管板块构造学说合理地解释了全球构造格架，并成为被广泛接受的大地构造学理论，但是传统的板块构造理论在解释大陆演化时遇到了新的挑战，即大陆岩石圈板块具有非板块特点：平面上，板内变形与板缘变形共存、局部化变形与弥散性变形共存；纵向上，大陆岩石圈存在显著流变学分层性(刘俊来，2004a)。大陆岩石圈流变学结构具有复杂的变化，实验与数值模拟建立了三种基本结构模型，即三明治模型、Banana split(香蕉船冰淇淋)模型和烤布雷(Crème Brulee)模型(Chen and Molnar, 1983；Jackson，2002；臧绍先等，2002；Hirth and Kohlstedt, 2003；Burov and Watts, 2006；Bürgmann and Dresen, 2008)。一方面，不同的岩石圈流变学结构型式与构造环境具有密切的成因联系(Wang and Cheng, 2012; Burov and Watts, 2006; Burov, 2010)，不同的构造环境(构造单元)影响着岩石圈流变学结构。另一方面，不同的大陆岩石圈流变学结构决定了不同的深部过程与表现，岩石圈流变性及变化又制约着许多重要的大陆动力学过程的发生、发展与演化，如大陆根部稳定性与拆沉作用、地震活动性、下地壳流动等等(Burov and Watts, 2006; Burov, 2010)。比如，下地壳隧道流(Beaumont et al., 2001; Schulmann et al., 2008)的前提是存在一个软弱的、易于流动的下地壳；而软弱的中下地壳与高强度的下地壳+岩石圈地幔的存在是地壳拆沉作用(Meissner and Mooney, 1998)的必要条件；同时，对于大陆地震震源机制分析及开展的相关实验研究都证实，大陆中部地壳的高岩石流变强度成为大陆强震的决定性因素(Jackson et al., 2008)。大量研究结果(尤其是实验研究)揭示出多数大陆岩石圈中却存在着一个较弱的中下地壳，而下地壳岩石的强度有时甚至高于岩石圈地幔(Jackson，2002)。如何将理论与实验模型应用于大陆岩石圈演化研究，天然大陆岩石圈流变学研究成为一个不可或缺的桥梁(周永胜，1999；周永胜和何昌荣, 2002)。可见，岩石流变性决定了岩石与岩石圈的表现，已成为发展板块构造理论、探索大陆板块内部变形与动力学演化的核心问题(刘绍文等，2007；张国伟等，2011)。为此，构造地质学家们获得了一个共识，即大陆岩石圈流变学研究势在必行(Molnar, 1988; 曾佐勋等，1999；周真恒等，1999；王良书等，2004; 张国伟和郭安林，2007; 许志琴等，2008；张国伟等，2011；Chen et al., 2012)。
大陆岩石圈的纵向分层性既表现为成分上的变化，又具有显著的流变性不同及在岩石圈演化过程中所起作用的差异。大陆中部地壳的表现直接受制于区域与深部环境特点，同时对于深部(地球内部)能量的释放也具有重要的意义。大陆中部地壳应变局部化是板块相互作用过程中地壳层次上应变积累与集中的重要表现，一直是构造地质学界广泛关注的一个重要前缘方向。国际上先后召开过数次国际学术研讨会进行专题讨论，包括1979年巴塞罗那召开的“岩石中的剪切带”国际会议(Carreras and white, 1980)、1986年伦敦帝国理工召开的“剪切带准则”学术研讨会(Cobbold and Gapais, 1987)、2002年在瑞士召开的“三维组构、应变与构造发育”彭罗斯会议和2002年伦敦地质学会、美国地质学会和地质学会联合召开的“剪切带中的物质运移与流动”国际学术会议(Alsop et al., 2004)。近年来欧盟启动Horizon 2020研究计划，专门设立CREEP研究课题，加强地球物质和工业材料的流变性质和地球动力学研究；美国基金会设立DEFORM研究计划，加强矿物和岩石变形与流变研究，推动流变学领域的技术创新和理论发展。美国NSF地球科学部大地构造组2002年发布了《New Departures in Structural Geology and Tectonics》, 其中突出强调了大陆岩石圈流变学研究的重要性，并将中部地壳脆-韧性转变变形与应变局部化作为重要的前缘方向。2011年GSA在西班牙专门组织召开以“岩石中的变形局部化：新进展”为题的彭罗斯国际会议，并于2013年在Journal of Structural Geology上出版专辑。2012年美国NSF公布了《New Research Opportunities in the Earth Sciences》，其中6个研究机遇中，将“Faulting and deformation processes”列为重要研究方向之一。2014年于加拿大温哥华召开的美国地质调查学会年会，组织《地壳中的变形局部化》专题召开学术研讨。在2016年GSA和AGU组织起草的“21世纪的大地构造：一个宜居行星的动力学—大地构造学未来方向报告框架”中，岩石圈流变学性质及控制因素列为当今的重大挑战，而变形局部化与断层/剪切带为其中首要的研究领域。中国国家自然科学基金委“十二·五”、“十三·五”重点领域大陆形成演化与地球动力学的重点研究方向包括：岩石的流变学性质与陆内地质过程。
综合前人对于大陆岩石圈流变学研究工作现状，为今后的研究工作提出了新的课题，以下几个方面的研究将提供重要的约束：
(1) 岩石圈不同层次(上地壳、中地壳、下地壳和岩石圈地幔)岩石力学属性和流变性的研究。岩石变形的物理化学环境与岩石变形过程中流体和熔体相等对于岩石圈的流变性及在不同尺度上的变形构造与显微构造表现具有深刻的影响。综合开展矿物-岩石-岩石圈流动规律、物理-化学环境及其构造与显微构造表现研究，有助于正确理解地球岩石圈不同尺度与层次应变局部化表现与复杂的深部过程。
(2) 不同尺度上岩石流变性与岩石圈结构、不同尺度(从颗粒边界、断层边界、岩石圈边界与板块边界)边界的形成以及边界弱化的机理与效应。不同环境条件下晶体/岩石/岩石圈的流动与变形，包括晶内缺陷与位错的物理化学；破裂、微破裂的成核、扩展，断层作用的发生、发展与演化的力学问题(Luth et al., 2010)；区域性应变积累与分异；岩石圈的分层结构与区域不均匀性等, 是正确理解岩石圈深部结构与过程的重要方面。
(3) 岩石流动的时间因素。时间因素是制约着岩石圈流变性非常重要的一个参数。一方面，岩石圈的流动过程从瞬间的地震活动到百万年的造山活动，其时间尺度跨度很大。造山带的形成演化往往经历数以百万年计的时间单位内发生，而这一漫长的演化历史却是由无数次瞬间事件叠加和累积完成。另一方面，实验变形以10-5~-8/s的应变速率模拟天然应变速率10-13~15/s的变形过程(Hirth et al., 2001; Stipp et al., 2002a, b, 2010; Marques and Cobbold, 2006)。实验室再现天然流动变形过程并对天然变形过程发育的条件进行有效约束，依然是在讨论而且尚未解决的重要课题之一。
2 大陆中部地壳：岩石圈内一个特殊的圈层对于岩石圈板块相互作用过程中大陆构造的发育，地壳不同层次岩石强度与流变性甚至可以起着主导作用(Jackson, 2002；Platt and Bell, 2011)，而其中中部地壳却是一个具有特殊性的圈层。以花岗质岩石为代表的复矿物岩石是这一层次的主要组成，其矿物成分包括了石英、长石、云母和角闪石等多种矿物类型。在这个层次中的温度条件相当于250~500℃，在正常地壳温度梯度条件下，相当于地壳大约为10~20km深度层次。受区域性地热增温率变化的影响，不同地区深度有所变化。在中部地壳，岩石具有典型的脆-韧性转变特点，石英已经进入塑性变形域，而长石类矿物经历着从脆性向晶质塑性的转变(图 1；Sibson, 1977, 1983；Scholz，1983; Marone and Scholz, 1988；Shimamoto，1989；Tullis, 1990; 刘俊来和岛田充彦，2000; Schueller et al., 2010)。因此，该层次之上岩石表现为脆性特点为主，断层摩擦滑移是最重要的地壳岩石变形过程；在该层次之下的岩石则表现出强烈的塑性特点，透入性塑性流动与弥散性蠕变释放了应变能。转变域内岩石的变形是一个复杂过程，岩石的不同变形机制组合对于岩石的力学属性变化也有着显著的影响，是多种不同脆性和晶质塑性机制综合的结果(刘俊来，2004a)。一方面，脆性破裂、摩擦滑移过程与压溶作用、晶质塑性变形过程之间形成竞争关系，另一方面，晶质塑性变形与恢复或重结晶过程也经常相伴发生。同时，晶质塑性变形与变质反应过程之间、与新矿物相的形成之间也互相促进和相互制约(Passchier and Trouw, 2005)。
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图 1 中上地壳断层带结构图 图左侧为岩石圈强度模型，包括Scholz-Sibson模型与Shimamoto模型 Fig. 1 Structure of a typical normal fault zone in the middle to upper crust |
在化石地壳断层带中，广泛剥露于地表的韧/脆性剪切带再度显示出中部地壳在一些特定的构造环境中具有强烈的流动性。与分别位于其上、下的上部地壳和下部地壳相较而言，中部地壳在许多方面表现出其特殊性，在以下几个方面尤其显著：
2.1 应变局部化是中部地壳流动最为典型表现形式应变局部化现象在中部地壳环境中广泛存在，并直接制约着地壳的流变状态与表现，影响着许多深部构造过程的发生和发展。固体材料应变局部化现象是指，在类似于岩石非线性材料发生破坏时，应变集中于若干窄小带状剪切区域的现象，该区域即剪切应变局部化带。在地壳内部，应变局部化作用产生的结果，在宏观、微观，甚至亚微观尺度上都有很好的体现。应变局部化可以发生于不同的构造尺度上，包括显微构造尺度的晶格缺陷、位错阵列等；露头或标本尺度的应变分异现象；宏观尺度的断层带和剪切带；以及区域尺度的地壳破裂、洋底破裂带、地震带等(图 1、图 2)。
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图 2 应变局部化带的表现型式 (a)露头尺度的应变局部化带(辽南金州拆离断层)；(b) S-C组构(滇西哀牢山瑶山杂岩, 显微照片，正交偏光)；(c)露头尺度的剪切不连续面(辽南金州拆离断层) Fig. 2 Three different styles of mesoscopic and microscopic strain localization zones |
应变局部化是地壳岩石变形的一种重要特点，也是地壳岩石非均匀变形的重要表现形式。中部地壳应变局部化带一般指高应变剪切带或韧性剪切带(Ramsay, 1980)，也包括脆-韧性转变条件下发育的应变不连续现象(Chen et al., 2016a, b)。它们的出现是地壳层次上应变弱化作用的结果，常常伴随着岩石强度的降低、高的应变积累以及局部应变速率的提高(Read and Hegemier, 1984)。因此，剪切带或不连续现象的几何学、运动学和动力学，剪切带发育的机理，包括发育的时间、方向、条件与物理机制，以及由此所致地壳岩石流变状态变化规律等，成为应变局部化研究的重要方面。当然，传统上开展的研究工作，运动学与动力学模型的建立，往往是基于二维构造和组构、对称几何学特点及稳态流动机理分析获得的认识。但自然条件下的流动过程往往是一个复杂的过程，上述条件往往并不能够部分或者甚至全部地满足(Lebit, et al., 2005；Druguet et al., 2013)。
2.2 中部大陆地壳多震层：多震与强震近年来灾害性地震的频繁发生，使得中部地壳脆-韧性转变域断层作用与岩石流变性研究的重要性凸显出来(张国民等，2002；Wang et al., 2011)。尽管在中部地壳层次石英已经进入塑性域(云母类矿物亦表现出塑性)，岩石已经部分具有塑性流动的属性，但是这一深度层次上却广泛发生摩擦滑移断层作用，并表现出地震活动性的差异及流变学二重性(图 1)：
(1) 地震云集：断层作用活跃，由此诱发地震强烈集中。对中国大陆及世界主要地区大陆地震震源深度的统计结果显示，在中部地壳层次存在一个多震层(Scholz, 1983; Marone and Scholz, 1988; 马宗晋，1992；张国民等，2002；Jackson, 2002)。频繁的地震活动性，表明中部地壳断层活动频繁、易于破坏。
(2) 强震频发：在大陆中部地壳层次内强震频发，灾害性地震震源主要集中在这个层次中(如唐山地震震源深度约16km，姜枚等, 2008; 汶川地震约19km，Wang et al., 2011)，说明在很多地区存在易于能量积蓄，强度较高而且能够释放巨大能量的中部地壳。
另外，Obara(2002)在俯冲带中发现慢滑移地震现象，开辟了地球动力学研究的新领域。近年的观察揭示出在俯冲带脆-韧性转变域内或者更深部层次常常发育有非火山震颤或慢地震(低频地震)(Shelly et al., 2006)，并成为地震研究中的一个热点，但是对于其发生和发展的机理却尚未得到充分的认识(Rogers and Dragert, 2003; Ide et al., 2007；Nadeau and Guilhem, 2009; Shelly, 2010a, b; Daub et al., 2011)。
理论分析与实验结果几无例外地显示出在中部地壳(尤其是脆-韧性转变域的底部)岩石具有高的流变学强度(Sibson, 1977, 1983; Shimamoto, 1989)。从天然断层带岩石流动变形与理论计算结果(Sibson, 1977, 1983)，岩石变形实验研究结果(Shimada，1993; Liu and Shimada, 2000；Jackson, 2002)，乃至盐岩的模拟实验研究(Shimamoto, 1989; Shimamoto et al., 1991)均获得了一致的结论。这一点也得到天然地震观测结果的支持(张国民等，2002；Jackson, 2002)。另一方面，在递进剥露的下地壳岩石中，微观域内常常保留了从下部地壳具有透入性构造的片麻状岩石向中部地壳常常保留有脆-韧性变形组构的糜棱状岩石，到局部化显著的S-C糜棱岩或超糜棱岩的转变。其中显示出由动态重结晶作用和/或伴随的破裂-微破裂作用导致岩石中的主要组成矿物强烈细粒化，并呈微观域内的带状局部化应变(如S-C糜棱岩中的C组构)，也伴随着由位错蠕变向粒度敏感蠕变的转变。局部地区甚至发育有假玄武玻璃(Hobbs et al., 1986)，为中部地壳快速摩擦滑移与高应力释放提供了依据。
2.3 液/岩反应广泛发育，流体相直接影响着岩石的流变性中部地壳是一个重要的流体储库，而中部地壳剪切带又常作为流体通道存在。以水为主要组成的流体相可以呈孔隙水、结构水或缺陷水等不同的型式出现。岩石内的孔隙水和矿物晶体内部的结构水广泛分布，水-岩反应对于岩石的矿物组成和物理-化学性质的影响尤其重要(刘俊来等，2000)。
下文将要阐述的各种中部地壳变形岩石弱化机制中，主要方面取决于流体相的存在及水参与下的液/岩相互作用。比如，对于像云母和角闪石类的含水矿物而言，水(甚至氢、氧)逸度都直接影响着这些矿物相的稳定性及由脱水反应或水解反应所致向其他矿物相(如绿泥石或黑云母向石榴石的转变(进变条件)和石榴石(角闪石、黑云母)向黑云母或绿泥石(退变条件))的转变。中部地壳剪切变形的花岗质岩石中，钾长石分解形成容易变形的含水层状白色云母(白云母或绢云母)，有时甚至形成千糜状岩石(O'Hara, 1988)而极大地降低了岩石的流变强度。另一方面，在剥露过程的退变条件下新生矿物相的出现可以导致出现反应弱化(Wintsch et al., 1995; Wintsch and Yeh, 2013)。而对于像石英和长石类不含水矿物，岩石中微量水(缺陷水或孔隙水)的存在将直接引起水解弱化(Griggs, 1974)效应。因此，由流体相广泛参与的化学反应和水解弱化作用及水压致裂过程会非常普遍，它们会直接或间接影响着岩石的流变性。
强烈流体活动的另外一个重要的结果，在于中部地壳是一个重要的成矿域。上升通道中的许多含矿流体在进入中部地壳后，相应的物理环境变化促进化学反应发生，成矿物质卸载，广泛发育低温成矿作用过程。
2.4 存在中部地壳地球物理异常大陆中部地壳常常报道有低速高导地球物理异常体的存在，异常体可以厚度数千米，而延展达数十或上百千米，并且侧向上具有不连续性。对于中部地壳地球物理异常的存在，早期研究给出了多种不同的解释，包括含有富水流体层、熔体层、富含薄膜状粒间石墨层以及高应变中部地壳剪切带等(Makovsky and Klemperer, 1999; Li et al., 2003)。
3 大陆中部地壳应变局部化带已有的地质与地球物理资料都证实，中部地壳的大规模应变主要是集中在一些相对狭窄的断层带(剪切带)上。断层带上岩石的流变学特点与变形机制主要受控于变形作用的物理、化学条件。自Sibson(1977)提出了著名的断层双层结构模式(将断层带划分为上部发震脆性域和下部无震准塑性域)以来，许多学者相继阐述了新的地壳断层带模式。Strehlau(1986)认为地壳断层带由上部摩擦碎裂带、中部过渡域或半脆性域和下部的塑性糜棱质剪切带构成，其中的摩擦域和过渡域是发震域；Marone and Scholz(1988)提出，糜棱岩不仅可以形成于下部塑性域，而且也可以产生于中间过渡域。在此基础上，Shimamoto(1989)根据盐岩模拟变形实验结果认为：1) 上部脆性域和下部韧(塑)性域之间的过渡域实际上还要宽，而且Byerlee的经典脆性岩石摩擦强度率不能直接外推到韧性域；2) 盐岩实验中半韧性域内发育的构造非常类似于S-C糜棱岩。Liu and Shimada(2000)、Shimada (2000)对花岗质岩石开展的不同温度实验研究(达650℃)表明，在大约250℃的温度条件下，花岗质岩石表现出异常低强度域，而这一低强度域恰好对应于大陆地壳多震层的空间位置，也是低温糜棱岩(如S-C糜棱岩)发育的层次。这些研究成果均展示了地壳断层带中应变局部化的宏观表现。
宏观上，应变局部化表现为宽度不等的带状韧性-脆/韧性剪切带(图 1、图 2a, c)，在不同大地构造环境中都有出现。比如，在区域伸展环境中，拆离断层带(如变质核杂岩主拆离断层带)常常从上部地壳切入中部地壳，在剥露地表的伸展构造域拆离断层带中保留了从糜棱岩系到碎裂岩系及断层泥的一系列带状发育的构造岩(如北美西部的科迪勒拉伸展构造域内的Whipple mountains拆离断层带, Lister and Davis, 1989; 辽南变质核杂岩的金州拆离断层，Liu et al., 2005, 2006, 2011, 2013, 2016; Ji et al., 2015; 胶东地区的五莲拆离断层带, Ni et al., 2016)。在区域走滑与转换条件下，由于走滑断层斜向滑移分量的存在，许多中部地壳甚至下部地壳岩石剥露到地表，构成规模巨大的走滑性韧性或脆-韧性剪切带构造(如滇西哀牢山剪切带，Cao et al., 2010, 2011a, b; Liu et al., 2010, 2012, 2015; Chen et al., 2015; Wu et al., 2016)。而汇聚造山带内，逆冲推覆作用所致的应变局部化，常常导致较深部地壳岩石剥露于上盘并伴随着变质作用的反转(如喜马拉雅冲断带, Brunel, 1986; Jain and Manickavasagam, 1997; Zhang et al., 2012)。
在大规模的中部地壳韧性剪切带中，无论其运动学特点和力学属性如何，往往发育很多小型的剪切条带并且切割了糜棱叶理，这些发育在大型剪切带中的小型剪切条带也是应变局部化的一种表现。局部化带可以是平行状发育，或者呈网状，其中低应变岩块或地块呈岩条状或不同尺度的透镜体夹持于高应变带之间(Alsop et al., 2004)。近年来得到广泛研究的中下地壳物质的流动许多情况下呈渠道流型式，也是地壳内部应变局部化的具体体现(Beaumont et al., 2001; Jones et al., 2006)。近期研究发现，许多地区存在中部地壳剪切不连续面(TDC-Tectonic Discontinuity Contact)。TDC定义为两个构造单元或者两个地质体(或两套地层)之间的非正常接触界面(Chen et al., 2016a, b)。界面两侧的岩石常常遭受了强烈的糜棱岩化，二者变形条件上有显著的差别。对于层状岩石(如滇西瑶山地区、西盟地区)，两套地层之间既具有变质程度的差异，又存在着显著的地层缺失。但是，剪切不连续面两侧的岩石具有统一的构造特点，包括平行一致的叶理和线理产状、一致的运动学剪切指向等(Chen et al., 2016a, b)。变质核杂岩的拆离型韧性剪切带中的切失效应使得较为深部层次的岩石直接与较浅部岩石接触，会导致出现厚层岩石(地层)缺失现象(Davis et al., 2002)。野外观察表明，剪切不连续现象在中部地壳韧性剪切带中普遍存在，露头尺度上非常典型，刻画了宏观剪切不连续面的主要特点。如图 2c所示，糜棱状岩石中，一组贯穿的、透入性的糜棱岩及花岗质糜棱岩脉体共同遭受了递进变形作用的改造，发育一条斜切的剪切不连续面(带)。该面(带)由细粒物质构成，宽度可以到达3~5mm。露头尺度上剪切不连续面与破裂面的区别在于沿着该面不具有可劈开性，或者说是一个微小厚度的剪切带。剪切带内岩石常常由细粒化(动态重结晶)的细小云母颗粒集合体构成。同时，不连续面延伸可以较大或者消失于同一组岩性内。
微观尺度上，最为典型的应变局部化带包括了S-C组构中的C组构面和剪切条带构造(ecc或c’)构造的广泛发育(图 2b)。根据其初始定义，S-C组构中的S叶理由矿物拉长定向排列构成，其方位平行于有限应变椭球体的XY面。S叶理一般随带内应变的强弱而发生方向和强度的变化，在剪切带周边区域的弱应变带，S面与剪切带的边界(与C近平行)呈45°夹角，但是随着应变向中心的逐渐加强，夹角也相应减小甚至平行，形成S型。许多中部地壳的韧性剪切带中，常常发育有叠加在S组构之上的C组构。Lister and Snoke(1984)识别出两种不同类型的S-C组构，包括矿物鱼和狭义S-C组构。无论何种S-C组构，其中的C组构都表现为一组典型的微观局部化带。在C组构面上，广泛发育有极细粒物质组成的一个细粒化带，细粒物质包括石英和云母等，一般是由构成S组构的物质经过剪切改造所致。尽管对于这些细粒物质的成因(细粒化机制)尚不明确，但是实验与天然变形岩石研究揭示出它们是在脆-韧性转变条件下经高应变剪切改造所致(Shimamoto，1989)。
4 中部地壳岩石应变弱化效应地壳不同层次剪切带构造的发育实际上即为地壳中热-机械失稳的具体表现。剪切带的演化中往往因应变弱化使得剪切带内部比边缘产生更多的应变积累(Vitale et al., 2010)。
大多数具较大位移量的剪切带在其变形演化过程中某些阶段常常表现出弱化特点，剪切带不同组成部分演化中应变弱化与应变局部化的诱发因素很多，且在不同的地壳层次主导因素也有着显著的变化(Braun et al., 2010; Alsop et al., 2004; Balfour et al., 2015)。中部地壳岩石组成往往为多种矿物组成的复矿物岩，以花岗岩为例，其主要矿物相包括了长石(钾长石和斜长石)、石英、云母(黑云母和白云母)或角闪石等。块状花岗岩中，主要的支撑矿物相为长石类(钾长石或斜长石)，它们对于岩石的强度有着显著的影响，但是一当岩石结构发生改变(如强烈的细粒化)或者成分发生改变(如长石类矿物分解形成白云母类弱相矿物)，伴随着发生岩石流动机制及变形行为表现的转变：晶粒粒度的减小有利于扩散蠕变的发生；基质由强相分解退化为弱相导致的反应弱化；强烈叶理化的岩石中晶粒内部滑移系平行排列导致的几何弱化。随着成分或结构分异作用发生，支撑矿物相将由长石向着石英或者云母类发生转变，使得岩石具有显著的弱化效应(图 3，Wintsch and Yeh, 2013)。同时，糜棱岩中除晶粒粒度的减小之外，晶界孔隙的形成、密度及分布对应变弱化也有着重要的影响作用，也会大大降低中部地壳岩石的强度(Billia et al., 2013)。此外，流体相的介入、变质反应的发生所致矿物相的转变等在地壳不同的层次上对于应变弱化的发生或多或少起着重要的制约(Alsop et al., 2004)。低温碎裂作用及存在较强流体活动条件下产生的压溶作用过程中应变局部化发生于流体活动较强的高应变带中(Bhattacharyya and Mitra, 2011，2014)。中部地壳多种不同类型的弱化机制(如水解弱化、反应弱化、结构弱化)常常共同作用，使得岩石整体更偏于低强度和具有较高的韧性(Oliot et al., 2009)，而下部地壳环境中(如造山带根部的麻粒岩相或高角闪岩相变质条件下)，部分熔融作用普遍发生，同时广发存在的熔体相及其含量直接影响着岩石流变性(Rey et al., 2011; Searle, 2013)。
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图 3 中上地壳不同层次矿物成分、变形机制与流动率/强度变化综合图(据Wintsch and Yeh, 2013修改) Fig. 3 Correlation between mineral components, deformation mechanisms, flow laws/strengths(revised after Wintsch and Yeh, 2013) |
下文仅仅就水的物理与化学效应、反应弱化和结构弱化作简要概述。
4.1 水的化学效应大陆岩石圈与流体/熔体的相互作用可以大大改变其流变学结构，而我们对流体相的效应和作用过程还知之甚少。在低温条件下，孔隙流体的存在作为液/岩反应的重要介质，促进应力影响下的矿物颗粒发生溶解-迁移-沉淀过程，即发生扩散物质迁移或压溶作用实现岩石的应变。同时，孔隙流体的存在，其最基本的效应还在于引起孔隙压力(Pf)的升高，并在差应力不变的前提下导致岩石所受应力或有效应力(σ1和σ3)的降低，并进而诱发较低差应力水平下的岩石破坏-液压致裂。在较高温度条件下，以水为主的流体相通过化学过程影响着岩石的成分、结构和流变性。这里简要介绍由水参与条件下的两种重要弱化机制：水解弱化和反应弱化。
4.1.1 水解弱化无水矿物中水分子团的存在或者岩石遭受流体相的影响时，使得这些岩石、矿物力学强度降低，易于形成位错而引起塑性变形(周永胜等，2008；邵同宾等, 2013)，这种因水或流体的介入而影响岩石矿物变形行为, 使其在变形中易于塑性变形的现象称之为水解弱化。如石英，石榴石等名义上的无水矿物中水分子团的存在直接导致其水解弱化，并通过位错蠕变而产生石英，石榴子石的塑性变形(McLaren et al., 1989; Tullis and Yund, 1989；苏文等, 2001；Girard et al., 2013)；方解石大理岩经历脆性变形中受到流体相介入，出现非稳态脆-韧性转变和低温塑性表现(刘俊来与岛田充彦, 1999, 2000；刘俊来等, 2000, 2004a, b；Liu et al., 2000)。
自从Griggs and Blacic(1965)发现石英的水解弱化现象，在位错攀移体系中微量水所造成的强度弱化机制，一直是一个得到关注与广泛讨论的重要课题，而且对于水解弱化的微观机制也存在较为广泛的争论，也提出了多种不同的成因解释，阐述水解弱化(尤其是石英颗粒或集合体)的过程和条件。
水可以以替代水缺陷的形式进入石英晶格结构中，如下式：
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其中水进入晶格，替代Si-O键而使得晶体结构得以弱化。
水或者以间隙(interstitial)水缺陷的形式进入晶格，(OH)2替代氧离子，其化学式为：
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另外，水解弱化还可能存在着许多其他过程，早期的实验研究取得了较大的进展。McLaren et al.(1989)显微观察表明，在湿的石英中与水有关的缺陷是高压分子水团，水可以促使位错环成核。Tullis and Yund(1989)在700℃、应变速率为10-5/s和1500MPa下对Heavitree石英岩进行了退火实验。实验前，大多数颗粒内，存在尖锐的变形条带和强烈的波状消光，没有重结晶证据，平均位错密度极高，有很少的亚颗粒。实验后发现，含水0.1%的样品平均位错密度降低，亚颗粒边界已经形成，加水0.17%的样品平均位错密度更大程度地减小，亚颗粒边界更大程度地丰富，而真空干燥的样品在显微构造方面没有显著变化。由此表明弱化过程中水通过对体积扩散率的影响，促使位错攀移速率加快，加工硬化减弱，导致水解弱化。Joual et al. (1994)对于含水石英的研究揭示出，沿着颗粒边界，水使界面张力减小，因此使晶体—流体界面上位错堆积产生的加工硬化变弱，增加了晶体表面位错出露的概率。水的加入极大地促进位错滑移速率，并加速变形岩石的恢复作用和颗粒边界上的重结晶作用。
4.1.2 反应弱化前已述及，演化中的中部地壳岩石常常发生涉及水为主要组成的流体相的变质反应。岩石的变形过程中，矿物之间的化学反应导致原岩矿物成分发生变化，从而使得变形岩石性质发生改变(Stünitz and Tullis, 2001)。脱水与吸水反应形成的新矿物相组合会使得岩石强化或者弱化(Groome et al., 2008)。在俯冲带或造山带逆冲断层带发育时，脱水反应形成流变强度高的变质矿物组合，并伴随着它们构成岩石的支撑矿物相，这种过程称为反应强化作用，如：
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在中、下地壳岩石中(如伸展构造域剥露中的中下地壳岩石)，变质反应产物与原始矿物相相比，新形成的含水矿物相具有较低的流变强度，同变形的吸水变质反应形成新的矿物相，引起湿的和干的岩石之间出现显著的流变性差异，造成应变局部化(也见Getsinger et al., 2013)。这些反应其中一类导致原岩中能干性强相组分减少，使得岩石整体具有较低的强度而相对更易于韧性变形，称为反应弱化。比如在中部地壳韧性剪切带中，角闪石常常因为加水退变反应形成强度较低的黑云母、石榴子石发生退变反应形成黑云母或绿泥石等，形成的叶片状硅酸盐矿物因具有较发育的(001) 滑移系而使得岩石较低的流变强度。钾长石遭受退化变质作用改造，会转变形成较弱的云母(白云母或绢云母)，甚至形成千糜状岩石(O’Hara, 1988)。Wibberley (1999)对阿尔卑斯造山带中断层带的研究表明，长石-云母矿物相的转变引起的反应软化，在许多断层带中都有证据。在断层带演化过程中，不同时间发生的白云母生成反应，对断层流变学有不同的影响。早期碎裂岩中，正长石向白色云母的转变会导致超碎裂岩的局部胶结和随后的硬化；之后伴随着钠长石向白色云母的转变反应，会导致富白云母断层岩的形成，随着反应进行硅质逐步移出，提高了岩石韧性。Wintsch and Yeh (2013)在哀牢山地区中部地壳剪切带花岗质岩石剪切变形研究中，发现碎裂的钾长石通过下述反应转变形成白色云母：
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该反应导致原岩长石含量减少，石英及云母含量相对增多，使得易于发生韧性变形。同样的反应弱化还包括(Wibberley, 1999；Wintsch and Yeh, 2013)：
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这些反应都将形成低强度的白云母+石英组合，从而降低了岩石的强度(图 3)。
Gueydan et al. (2003)通过对法国阿尔卑斯山东Tenda剪切带的研究，提出发生破裂的粗粒长石颗粒向白云母的递进转变可能是应变局部化的不稳定因素，并建立了长石、石英和云母三相混合的流变学模型验证了这一假设。他们通过数值模拟研究提出在中部地壳层次，由长石-白云母的转变反应引起的反应弱化，是应变局部化的主要不稳定因素。这种矿物相转变的前提条件是长石发生破裂，通过摩尔-库伦准则检验得知：当剪切速度Vs至少是稳定状态下剪切速度的5倍，此时剪切应力足以使长石颗粒发生破裂时，应变局部化才会发生；速度比值Ve/Vs低至0.001时，应变局部化才会发生在大约13km的深度，否则，长石向云母的转变反应不会被激活。由于长石破裂作用不能纵向传播，导致应变局部化不能向地壳更深层次延伸，但可以横向延伸。另外，Stünitz and Tullis (2001)等通过实验研究了水解反应：斜长石+H2O=黝帘石+钠长石，实验结果表明变形作用主要集中在变质反应发生带内，而在变形带内反应明显比未变形带迅速，由此说明化学反应与变形作用沿着反应带的局部化之间密切相关。另一方面，他们认为化学反应引起的软化作用并非瞬间变形作用，而是一种稳态变形作用。
流体介入到干的断层带岩石是这种急剧变化与局部变形作用的主要因素。Bos et al. (2000)利用NaCl开展的模拟实验结果表明，流体相的介入愈合了断层滑移面与滑移中的断层泥，并引起压实作用，提高了变形岩石的强度，从而不利于变形作用局部化。而Spiers and Schutjens (1999)应用合成盐岩的含水与无水实验研究表明，在一定温度条件下，含水量(H2O)约为5×10-6的样品表现出明显的加工硬化流动，显微构造上表现为以滑移带为主；而含水量(H2O)大于25×10-6的样品表现出明显的软化特点，亚颗粒、波状滑移带和颗粒边界迁移动态重结晶作用普遍发育。
4.2 结构弱化结构弱化是岩石变形和变质作用过程中由于矿物相的改变或者粒度等特征的改变所致的岩石弱化现象。在中部地壳中，晶体矿物颗粒初始结晶学方向性、变形和动力重结晶作用所致的粒度变化、矿物结晶方向及成分分异等对于矿物的变形表现、岩石的流变性具有重要影响。
4.2.1 细粒化细粒化是中部地壳岩石动态重结晶作用的重要过程，是糜棱岩化过程最为重要的特点，也是引起应变局部化和软化作用的主要因素(图 4a)。中部地壳环境中遭受剪切变形的岩石中，石英和长石类矿物发育膨凸重结晶作用或亚颗粒旋转重结晶作用都会导致岩石出现强烈的细粒化。
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图 4 结构弱化的基本型式 (a)花岗质糜棱岩中细粒物质带状结构(滇西点苍山)；(b)花岗质片麻岩中的矿物成分分带性(苏北连云港)(显微照片，正交偏光) Fig. 4 Microscopic characteristics of structural weakening |
伴随细粒化而出现由粒度不敏感的位错蠕变向粒度敏感的扩散蠕变转变，尤其是在流体相存在的情况下，颗粒边界过程(溶解与扩散)起着重要的作用。但由于颗粒表面能和位错储积能将驱使颗粒边界迁移过程发生，并致使矿物颗粒生长，进而使颗粒粒度加大而促进位错蠕变发生，因而，动力重结晶作用构成细粒化与颗粒生长之间的平衡。Rubie et al. (1993)曾报道过多种软化机制，但其中最有效的机制是由细粒化引起的。当成核速率高于生长速率时，新生物质的粒度远比反应物粒度小，粒度的减小引起变形机制由位错蠕变向扩散蠕变转变，导致岩石强度降低几个数量级。这种软化是短暂的，因为反应物颗粒的继续缓慢生长将使变形机制最终返回位错蠕变机制。在以变质反应为主的变形事件中，初始粒度的变化促进了应变局部化，较细粒带作为岩石的异向性带存在，它们制约着由反应软化形成剪切带的定位与规模。较细粒带岩石中具有较高的颗粒面积，也易于新颗粒成核。由于在超麋棱岩中较细颗粒基质很快达到一个特定的极限值，从而成为应变集中与变形进一步发生的主要场所。
当然，上述由粒度不敏感的位错蠕变过程向粒度敏感的扩散蠕变转变所致强度降低，在湿的含水环境条件下更易发生。在干的条件下，由于随着细粒化，颗粒比表面积的加大而使得位错滑移从一个颗粒向另外一个颗粒的转变远远不如一个等体积较大颗粒内部所需要消耗的能量低，因此随着粒度的减小(在微米级尺度上)也会导致岩石强度的逐渐升高，并遵循Hall-Patch公式：
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σs为岩石强度，σ0为单晶颗粒的屈服强度，d为颗粒粒度，Ky为常数。
因此，粒度变化对于岩石流变强度的影响，二者是一个彼此消长关系。
4.2.2 变形矿物的结晶学方向晶体发生塑性变形作用的能力，也即晶体的强度，取决于晶体内部的滑移系能否启动。而决定晶体内部滑移系能否滑动(直移滑移或位错滑移)的应力为作用在滑移面上沿着滑移方向的剪切力。在其他因素相同的情况下，晶体(晶体内部的滑移系)相对于施加应力的初始取向直接影响着该剪切力的大小(Burg et al., 1986)。
根据晶体滑移临界分解剪切应力定律，当施加在晶体颗粒上的应力作用在滑移面上的分解剪切应力值超过某一临界值(即临界分解剪切应力)时，晶体内部沿着该滑移系的滑移便启动。一些晶体颗粒初始晶体取向使得沿着滑移系分解剪切应力值最大，也就是沿着这个方向取向的晶体最容易发生滑移，这样的晶体取向方向称为软取向，而另外一些取向使得沿着滑移系分解剪切应力值最小，因而沿着这个方向取向的晶体最难以发生滑移，这样的晶体取向方向称为硬取向，它们服从Schmid律(潘金生等，1998)。中部地壳变形的糜棱岩中，经常可以见到部分钾长石、斜长石颗粒已经强烈拉长、定向甚至动态重结晶细粒化(软取向)，而另外的一些呈较大颗粒的残斑存在(硬取向)(Kruse et al., 2001)。在中低温剪切变形的角闪质糜棱岩中，角闪石的初始结晶取向限定了部分颗粒呈残斑型式存在，而大部分角闪石颗粒出现强烈的双晶成核动态重结晶作用(Cao et al., 2010)。
研究结果显示，粗粒岩石在细粒化过程中，细粒物质的晶体取向可以具有一定程度的继承性，因而在递进变形过程中启动了接近平行方向的滑移系(Svahnberg and Piazolo, 2010)。细粒化矿物颗粒呈带状或网状出现，并进而导致它们所在的构造域具有一致的滑移机制以及同时向粒度敏感机制的转变。强度的降低和应变局部化现象的出现成为最终的结果，与此同时高应变带间的颗粒，却仅仅有较低的应变。
4.2.3 多相岩石的矿物成分变化与结构分带在多相岩石中，变质反应形成新生矿物组合，它们的分布往往具有一定的带状特点(图 4b)。对于中部地壳最为代表性的花岗质岩石而言，变形作用初期长石类矿物(包括斜长石和钾长石)常常作为支撑矿物相。但是，随着糜棱岩化过程中动态重结晶作用的发展，发育成分分带(带状)构造。此时并伴随着层状构造的出现，出现显著的弱化作用(Park et al., 2006)，并遵循双相组合流动率(Handy et al., 1999)。在花岗质糜棱岩中，新生白云母的带状分布且白云母和石英发生递进位错蠕变，白云母构成岩石中的劈理域。其结果导致变形岩石在稳定的温度条件下发生了由碎裂变形向塑性变形的转变，同时伴随着岩石显著的弱化现象发生(Wintsch and Yeh, 2013; Park et al., 2006)。
实验研究表明，对于位错蠕变而言，两相岩石(two-phase rock)的强度介于两种组成矿物之间，而且这一集合体的强度变化与其组成成分变化之间呈非线性关系，当较弱相成分含量大于20%左右时其强度将接近于弱相组分的强度(Tullis and Wenk, 1994)。类似地，溶解蠕变变形模型研究表明两相集合体的强度低于其任一组成端元的强度(Wheeler，1992；Fueten and Robin, 1992)。部分由化学失衡引起的异相成核，可形成极细粒的多相集合体，从而导致变形机制的转换和明显的弱化现象，因此当原有矿物组成平衡被打破时，多相岩石在任何温度、压力下都有可能发生应变局部化(Stünitz and Tullis, 2001)。
5 大陆中部地壳岩石流变学与应变局部化研究：展望前述可见，中部地壳是一个环境条件复杂的特殊构造层次。其中复矿物岩石内不同矿物相的种类、含量、分布规律及水/岩反应等都会对于岩石的流变性有着重要的影响。岩石流变与断层作用对地震活动性、变质作用、热液活动、成矿作用等多种地质作用过程具有制约作用。
对于中部地壳岩石流变及应变局部化，前人开展了大量的研究工作，尤其侧重实验研究及其物理-力学过程的研究。但是，对于中部地壳岩石流动过程中岩石的流变行为及其对于岩石脆-韧性转变及微观机理的影响尚缺乏充分的认识，进而制约了人们对于中部地壳岩石强度及变化以及对于地震(尤其是灾害性强震和慢地震)成因的正确理解。以下几点的研究工作，将是近期深入研究的重要方面，并将对于深入理解大陆中部地壳流动过程及其在大陆岩石圈板块演化中的作用提供重要线索。
(1) 中部地壳岩石应变局部化的原因、机制、影响和结果是什么？
应变局部化一直是构造地质学领域研究的重要方向，尤其自从1979年在西班牙巴塞罗那召开了“岩石中的剪切带”会议之后更是成为世人关注的重要课题，并于2011年在卡塔卢尼亚召开了“岩石中的变形局部化：新进展”彭罗斯会议，会议主题主要涉及剪切带的几何学、运动学，剪切带的发育与发展；应变局部化与变质作用、流体、熔体及脆性变形；剪切带变形构造与组构；应变局部化的物理与数值模拟等方面(Druguet et al., 2013)。
中部地壳是由下部地壳弥散性流动向上部地壳破裂面(带)转变的一个过渡域，该域内最显著的变形表现为应变局部化。应变局部化如何使得高应变岩石中发育断层或韧性剪切带，依然是一个值得关注的重要科学问题。认识中部地壳应变局部化的机理、条件，正确理解由浅部地壳断层面(带)向中部地壳应变局部化的脆-韧性转变带乃至向下部地壳弥散性流动的转变是阐明大陆地壳构造发育与演化、地震断层活动及其规律的基础。
(2) 中部地壳环境条件下，岩石脆-韧性转变的物理机制是什么？各种组成矿物及其流动对于岩石高的强度都有什么贡献？岩石遵循的流动率及其转变规律是什么？
尽管对于石英的研究工作已经较为成熟，但是对于斜长石、钾长石、云母(白云母和黑云母)、角闪石的研究，尤其是各种不同矿物的脆-韧性转变变形机制的研究工作及其对于岩石整体流变性的贡献还缺乏足够的积累，而这一点对于正确理解中部地壳环境条件下岩石的流动机制与流变性具有重要意义。
(3) 中部地壳环境中以水(H2O)为主要成分的地质流体对于岩石流变性有什么影响？
变质作用的发生、水与各种矿物相的反应弱化、矿物/岩石化学成分的改变与转变、新矿物相(如叶片状硅酸盐矿物)的出现以及水解弱化效应对于中部地壳岩石流变行为及其流动性有着重要影响。
(4) 天然变形岩石流动的力学表现与实验变形岩石表现及流变机制的研究是互补的两个方面，基于天然地壳岩石流变性的研究，结合天然变形、实验结果和理论分析开展的综合研究有助于阐明中部地壳岩石流变性，岩石流动机制与流动过程的制约因素。
(5) 应变局部化直接影响着岩石流变性特点及流变学分异，并可以致使地壳(岩石圈)变得比正常情况更弱，或者直接导致地壳岩石变形失稳现象的发生。尽管目前对于俯冲带慢地震活动研究已经得到广泛的重视，开展了监测、分析与研究工作。陆内地壳岩石弱化与应变局部化所致能量释放及其地震效应，将会是未来值得深入思考的重要方面。
当前现代高精分析测试方法与数值模拟方法在微观、超微构造研究中的成功应用，使得深入开展中部地壳环境条件下矿物、岩石天然变形机制与岩石流变学研究条件趋于成熟。另一方面，在许多重要造山带和断裂带中均发育有剥露地表的中部地壳化石断层带。在这些地区前人均已开展了不同程度的变质地质、构造演化和显微构造方面的研究工作。因此，适时开展以中部地壳化石断层带为对象的研究工作，查明中部地壳岩石流动的物理过程(微观机制)与发育条件，有助于正确理解中部地壳岩石流动规律及其制约因素；阐明在中部地壳环境中由塑性流动向摩擦滑移转变的条件和过程，并深刻认识中部地壳多震、强震及慢地震的成因，为陆内地球动力学过程(如中下地壳流动)及一些重要的地质-地球物理现象(如低速高导层)的成因解释等提供重要的约束。
致谢 在论文资料收集和成文过程中，张立昇、袁枫杰、史晓晓、张雎易、陈玮、王凯、付自波、冯贺等同学提供了大量的帮助，在此表示感谢。感谢三位匿名审稿人提出的宝贵意见。| [] | Alsop GI, Holdsworth RE, McCaffrey KJW and Hand M. 2004. Flow processes in faults and shear zones. Geological Society, London, Special Publications, 224: 1-379 |
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