Paterson高温高压流变仪及其在岩石流变学中的应用.pdf

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1、卷(Volume)35，期(Number)3，总(SUM)130页(Pages)457—476，2011，8(August，2011)大地构造与成矿学GeotectonicaetMetallogeniaPaterson高温高压流变仪及其在岩石流变学中的应用邵同宾，嵇少丞。，李建峰，王茜，宋茂双(1．中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室，广东广州510640；2．中国科学院研究生院，北京100049；3．加拿大蒙特利尔综合工学院民用、地质与采矿工程系，蒙特利尔H3C3A7)摘要：地球作为一个动态体系，其内部岩石在各种物理

2、化学条件下变形，形成各种地质构造。在过去的几十年里，得益于相关测试分析手段的不断发展，地球材料的流变学研究取得了许多实验突破，加深了人类对地壳和上地幔岩石变形行为的理解。本文对实验岩石变形装置的技术发展做了扼要的回顾，重点介绍了Paterson高温高压流变仪(HPT)。HPT是一台内部加热气体介质高温(可达一1500℃)高压(高达700MPa)三轴变形装置，与固态介质的Griggs装置相比，更能对温度、围压、差应力和应变进行高精度的测量，从而获得高质量的力学数据。选择不同的驱动系统，HPT可以在压缩、拉伸和扭转模式下进行各种类型的测试，如

3、恒定应变速率，蠕变(恒定应力)和松弛实验等。利用该装置上的孔隙流体模块，还可以自动控制孔隙流体压力并测量进出样品孔隙流体的体积，从而测定实验变形过程中样品的体积变化。因此，HPT是研究矿物岩石的力学行为和物理性质的最佳装置。本文还对HPT在解决各种关键的地质与地球物理问题，如多相岩石的流变学和断裂力学、部分熔融的形成和萃取、脆一韧性转变、动态重结晶和晶格优选定向的发育，以及变形岩石的地震波性质等方面的应用进行了简要的总结。中国科学院广州地球化学研究所最近安装的HPT是目前中国唯一的一台同类仪器，为中国引入了地球科学领域的一项新的高技术，必

4、然会对构造地质学和地球动力学实验研究产生积极的作用。关键词：实验岩石变形技术；流变学；大应变简单剪切；构造地质学；地球动力学中图分类号：P589，1；P542文献标志码：A文章编号：1001—1552(2011)03-0457—020上世纪60年代国际构造物理先驱DavidGriggs0引言在岩石变形研究方面作出了开创性贡献(Heardet在地幔对流、板块构造运移和造山带形成等大a1．，1972)。该时期的工作主要集中于岩石的晶质规模地质过程中，岩石总会发生不同程度的塑性变塑性，利用提高围压来抑制脆性破裂的形成与扩展。形(JiandXia

5、，2002；KaratoandWeidner，2008)。为此，Griggs通过改装BoydandEngland(1960)的因此，对壳幔主要造岩矿物流变性质的认识对于理活塞圆筒式高压装置研发出一种新的高温高压变形解这些地球动力学过程至关重要。岩石力学性质的装置——固体围压介质Griggs流变仪(Griggs，实验研究是理解壳幔构造过程的基础。与地球内部1967)。利用该流变仪可以研究压力和温度分别达条件相关的实验通常必须在高温(激活变形)高压一3GPa和一1600K条件下岩石的塑性强度和显微(抑制微破裂和空蚀)的环境下进行，因而必需特殊

6、结构发育。Griggs及其团队对许多自然岩石和单晶的实验装置。矿物进行了高温高压变形实验(如GriggsandBlac．收稿日期：2011—05—23；改回日期：2011—06—01项目资助：本文由国家自然科学基金项目(40772029)、中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-Yw-Q08-o3-4)、中国科学院“百人计划”项目(KZCX·0733221A07)、国土资源部深部探测技术与实验研究专项课题(SinoProbe-07)、中国科学院知识创新工程领域前沿项目(GIGCX-09-02)资助。第一作者简介：邵同宾(1988一

7、)，男，硕士研究生，主要从事岩石流变学研究。通讯作者：李建峰，Email：ljfgig@163．eom458舳斟挝名第35卷ic，1965；Griggs，1967)，并将其实验结果用于解释inprice，1987)。为了提高应力测量的精度，一般使自然界变形岩石的显微结构和地震学观察结果(如用低压装置。例如，利用常压高温蠕变装置调查橄地震波各向异性)。在这些开创性研究中创立了岩榄石单晶矿物不同滑移系的变形(Baieta1．，石塑性变形中的许多重要概念，例如应力和应变速1991)。但是常压装置的应用极其有限，例如在常率之间的幂次律蠕变关系、水

8、致弱化效应、晶格优选压下就难以检测到水对矿物流变强度的影响，并且方位(LPO)形成机理、重结晶作用等。常压下的实验变形往往会出现多颗粒交叉处孑L隙张然而，正如嵇少丞等(2008b)指出，在固体