中国庐山第四纪沉积砾石的显微构造系统及地质环境动力学分析.pdf

第三十卷 第六期 地 球 学 报 Vol.30 No.6 二○○九年十二月 787-795 Acta Geoscientica Sinica Dec. 2009 787-795 www.地球学报.com 本文由西北大学大陆动力学国家重点实验室科学基金项目编号 DL2006001和湖南省重点学科建设项目编号 ZRDL2007001与中国 科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金项目编号 SKLLQG0701等联合资助。 收稿日期 2009-02-28; 改回日期 2009-11-21。 第一作者简介 胡东生, 男, 1951 年生。教授。从事资源环境和遥感地质学与地球动力学及全球变化等研究。电话 0731-88871743; E-mail hudsh。 中国庐山第四纪沉积砾石的显微构造系统及 地质环境动力学分析 胡东生 1,2,3, 张华京4, 徐 冰5, 白建斌1, 田新洪2, 王旭龙 3, 宋友桂3,刘卫国3, 张国伟2 1湖南师范大学资源环境科学学院, 湖南长沙 410081; 2西北大学大陆动力学国家重点实验室, 陕西西安 710069; 3中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室, 陕西西安 710075; 4湖南师范大学化学化工学院, 湖南长沙 410081; 5中国海洋大学地球科学学院, 山东青岛 26001 摘 要 经过多年的区域地质调查和第四纪环境演变的分析, 对庐山芦林盆地大校场谷口剖面松散沉积物 中变形砾石进行岩石显微构造学的研究。发现变形砾石内部存在特殊的微裂隙组构, 呈现出错裂-横裂-劈裂 -爆裂-复裂-应力矿物等的复杂组合, 其结构面特征反映出显微构造形迹的力学性质是互为转变的。 通过物理 模型分析和试验变形比对等综合材料证明, 变形砾石是遭受了既密集、又分散、还具有同时发生作用的长时 期的多边界外力条件及平衡力系, 内部形成破裂其应力传递过程和性质改变与变形形迹转变及其做功连续 扩展, 是由低于疲劳极限的具有脉动性作用微弱应力造成的。 地球陆表过程和地质环境要素及其动力学机制 的研究认为, 只有第四纪晚期地质事件的低温、 低应力及其分散密集的多颗粒平衡力系的缓慢长期及间歇脉 动作用的边界条件才能满足、 符合及形成这种特殊的岩石变形构造, 为中国东部山地可能遭受第四纪冰冻环 境及冰川作用提供了新的科学证据。 关键词 岩石微裂隙; 冷构造系统; 陆面表层冰冻作用; 地质环境响应; 地球动力学机制 中图分类号 P313; P343.62 文献标志码 A 文章编号 1006-3021200906-787-09 A Dynamic Analysis of the Geological Environment and Micro-structural System of the Quaternary Sedimentary Gravels in the Lushan Area of China HU Dong-sheng1, 2,3, ZHANG Hua-jing4, XU Bing5, BAI Jian-bin1, TIAN Xin-hong2, WANG Xu-long3, SONG You-gui3, YU Xue-feng3, LIU Wei-guo3, AN Zhi-sheng3, ZHANG Guo-wei2 1 College of Resources and Environment Science, Hunan Normal University, Changsha, Hunan 410081; 2 State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an, Shaanxi 710069; 3 State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an, Shaanxi 710075; 4 College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan Normal University, Changsha, Hunan 410081; 5 College of Geosciences, China University of Oceanography, Qingdao, Shandong 266001 Abstract Based on many years work of regional geological investigation and an analysis of Quaternary environ- ment development, the authors studied the microscopic structure of the deed gravels in loose sediments along 788 地 球 学 报 第三十卷 the Dajiaochang valley section in Lulin basin of Lushan area and detected the existence of the special mi- cro-fissure fabric inside the deed gravel, which assumes the complex assemblage of displacement crack – transversal crack – cleavage crack – explosion crack – composite crack – stress minerals, whose structural plane characteristic show that the mechanic qualities of the microscopic structure features are interchangeable. Synthetic material data and physical model analysis as well as experimental deation contrast have demonstrated that the deed gravel underwent the prolonged and simultaneous multi-boundary external force condition and the equi- librant system characterized by intensiveness and scattering. The internal breaking, the stress transmission process, the quality variation with the change of the transation structure features and the continuous expansion of the work-doing resulted from the weak stress of the pulsation action lower than the fatigue limit. Researches on the earth’s land surface processes and the geological environment essential factor and its dynamic mechanism have demonstrated that only with the equilibrant system of the low-temperature and low-stress and the scattered as well as dense multi-grains, the boundary condition for the slow, long-term and intermittent pulsation action can meet the ation conditions of such a rock deation structure. These achievements have provided new scientific evidence for the possible existence of Quaternary frost environment and glacial action in mountainous areas of eastern China. Key words micro-fissure of rock; cold structural system; frost action on the land surface; response of geological environment; geodynamic mechanism 庐山是旅游名山, 避暑度假休闲观赏功能相得 益彰; 庐山是文化名山, 涵养了中国古代学府教育 白鹿洞书院的赋存和繁衍; 庐山是景观名山, 自然 风光与人文历史等古迹遗存丰富多彩; 庐山是科学 名山, 孕育了中国第四纪冰川地质学的诞生和形成; 庐山还是探索名山, 对过去地球环境的研究及讨论 迭起不绝。这个映像就是中国人心目的庐山真面目, 庐山确实是中华之瑰宝、环球之仙境。 在庐山科学考察中19972007, 对该地区地 形、地貌、地质及环境等方面进行了长期的路线调 查, 对一些重要的剖面及景观反复踏勘及详细考察, 广泛地搜集第一手材料和采集岩石标本。同时注重 通过野外调查和室内分析更多地考虑从地球动力学 原理与机制来分析及认识自然现象和自然过程。经 过多年的调查, 资料丰富, 积累颇多, 并发现了一 系列的新材料和新认识, 对研究庐山地区的地质作 用、 地质过程、 地质环境及地质演变有重要意义, 也 对颇多争议的学术观点和学派理论以及科学探索的 深化及发展有积极的借鉴意义。 本文报道的就是庐山科学考察中的系列研究的 部分成果之一。 1 现象表述现象表述 在庐山芦林盆地大校场谷口海拔约 1080 m第 四纪泥砾沉积周慕林, 1988中, 曾多次发现变形砾 石及其岩石局部变质现象, 反映了固体岩石发生塑 性变形和出现低级蚀变等现象胡东生等, 2008。最 近对该位置的变形砾石进行切片研究时, 发现了特 殊的岩石显微构造型式, 而且发育清楚自成系统, 这在过去的岩石构造形迹及变形构造型式中都是从 未发现和出现过的。 1.1 变形砾石宏观特征 砾石标本的观察形貌如下 砾石形状为似矩形, 长约 7 cm, 宽约 4 cm, 厚 约 2 cm。岩性为淡黄色长石石英砂岩, 岩石有残余 层理构造存在, 具残余粒状变晶结构, 颗粒平均直 径为 11.5 mm, 长石含量约为 5, 其余均为石英; 浅色矿物颗粒主要为石英有压扁拉长现象为平均 直径的 12 倍, 局部有颗粒碎裂化和重结晶现象的 发生。根据庐山地区地质面貌及区域地层岩性特征 的对比和分析, 这块砾石应属于震旦系下统莲沱组 海相碎屑岩沉积建造岩系的组成部分, 即莲沱组江 西、湖南、福建、广东、广西地质矿产局, 1984下 部的长石石英砂岩的组成成分。 砾石内部有暗黄色铁质条带, 砾石表层发育薄 层厚约 1 mm侵蚀蚀变带, 主要表现为暗黄色或 褐色及红褐色的星散装的铁质质点密度增加, 原岩 砾石颗粒未发生明显改变, 反映一种低温轻微蚀变 现象。 变形砾石外貌呈红褐色。 上表面呈微凸状, 发 育斜交标本长轴约成 50的刻槽和隔脊相间出现; 刻槽宽约 34 mm, 其底部较粗糙; 隔脊宽约 46 mm, 其顶部较光滑, 走向延伸笔直; 刻槽和隔脊的 深度比较均一, 约为 2 mm。下表面呈微凹状, 发 育清晰的擦痕其走向与上表面刻槽和隔脊的方向完 全一致, 类似于分布间隔较大的脊槽但擦痕遍及其 间, 深度约为 13 mm。砾石四周表面上未见有其它 明显变形现象。 1.2 变形砾石微观特征 岩石薄片垂直横切脊槽及擦痕方向在光学显 微镜下的整体形貌见图 1如下 岩石整体性较好结 构紧密, 无常规岩石破裂裂隙发育; 中部平行于残 余层理方向发育贯穿两侧的薄层褐铁矿条带, 局部 第六期 胡东生等 中国庐山第四纪沉积砾石的显微构造系统及地质环境动力学分析 789 图 1 变形砾石微裂隙分布显微素描图 Fig. 1 Microscopic sketch diagram showing the distribution of microfissures in deed gravel 有斜交铁质小条带; 石英以扁圆形态为主, 表面较 干净, 颗粒边缘为次棱角或次圆度的多边形, 颗粒 间紧密镶嵌无空隙。特殊的显微构造微裂隙实 际上是一种岩石变形微裂纹见图 1, 主要发育在砾 石的四周边沿地带即沿砾石长轴的两侧方向展布 最为发育, 其中央地带的分布较少, 清晰可统计的 微裂隙有 85100 余条, 展布方向以平行或近平行于 砾石横轴方向为主, 少数为平行或近平行于砾石纵 轴方向的, 也有少量呈斜交状的, 并存在“X”型共 轭微裂隙。 微裂隙大多数延伸均较短, 靠近顶部及底部附 近发育少数几条贯通裂隙, 最小长度为 0.45 mm, 最大长度为 4 mm; 最小宽度为 0.03 mm, 最大宽度 为 0.3 mm; 微裂隙的延展方向, 一般由边部往中部 延伸, 有少数微裂隙由中部往边缘延伸。这些微裂 隙大多数各自平行或近平行展布, 少数为交叉状但 没有明显的切割及位移现象; 这个特征反映了这些 微裂隙是同一时期形成的, 即是岩石遭受了同一作 用过程, 也即同一变形阶段的产物。 1.3 显微裂隙构造特征 变形砾石的显微构造微裂隙的表现形式及 变形图像非常复杂见图版 I, 各种变形特征及力学 形式都十分丰富, 根据岩石应力-应变原理和材料变 形形迹规律, 将微裂隙按其变形组合及力学性质划 分为如下类型 1.3.1 错裂 即扭裂, 破裂形迹表现为雁列状图 2-1-1。沿 破裂走向方向发育斜列状及相互平行的直线性或 “S”状的微裂隙, 其夹角约为 3060, 其长度在 0.52.0 mm 之间。 1.3.2 横裂 即张裂, 破裂形迹表现为追踪状图 2-1-2。其 图 2 微裂隙类型特征及力学性质的显微构造素描图 视域宽度 0.12 mm Fig. 2 Microstructure sketch map showing type character- istics and mechanics properties of microfissures width of field of vision 0.12 mm 破裂构造形迹发育为参差不齐及锯齿状延伸的格 局, 局部有弧形延展的态势, 其长度约在 0.10.5 mm 之间。 1.3.3 劈裂 即压裂, 破裂形迹表现为“人”字状图 2-1-3。 其破裂构造形迹发育为直线性裂隙及左右褡裢交替 生长, 其夹角为 3090, 其长度约在 0.10.6 mm 之间。 1.3.4 暴裂 破裂形迹表现为圆环状与放射状交互穿插的结 构格局图 2-2-2。 圆环状破裂构造形迹min 0.06 mm, max 0.15 mm; 其组合形状有圆点孤立破裂状, 有多 层圆环包络状; 放射状破裂构造形迹不太发育, 但 可切割圆环破裂面, 其长度约在 0.120.3 mm之间。 1.3.5 复裂 即具有复性结构组合的破裂构造形迹, 据其表 现特征可分为劈暴压暴、横暴张暴、横错张扭、 劈错压扭等型式。 1 劈暴 即具有劈裂压裂及暴裂结构组合的 构造形迹, 表现为直线性“人”字状及左右交叉破 裂之下发育有镶嵌的弧形裂隙图 2-3-3, 其长度约 为 0.10.3 mm。 2 横暴 即具有横裂张裂及暴裂结构组合的 构造形迹, 表现为弧状、 锯齿状、 肘状和不规则 “人” 字状及交叉破裂面与圆环破裂面及矿物团块等同生 发育在一起 图 2-2-3, 其长度约为 0.10.2 mm。 3 横错 即具有横裂张裂兼有错裂扭裂结构 组合的构造形迹, 表现为不规则直线性破裂兼具扭性 790 地 球 学 报 第三十卷 边界较模糊, 干涉色为二级蓝至二级绿。 破裂交叉破裂图 2-4-2, 其长度约为 0.10.4 mm。 4 劈错 即具有劈裂压裂兼有错裂扭裂结 构组合的构造形迹, 表现为“人”字状及交叉破裂 错位与“X”状破裂交叉破裂图 2-4-3, 其长度为 0.11.5 mm。 1.4 微裂隙力学性质及其转化 根据变形砾石镜下观测 100 余条微裂隙的研究, 显示出微裂隙规模越小其性质越简单, 反之规模越 大其性质越复杂; 发现同一条微裂隙的结构特征在 不同的部位是各不相同的图 3 和图 4, 其力学性质 及结构形式可以依次出现劈裂压裂-横裂张裂-错 裂扭裂-暴裂-复裂劈暴、横暴、劈错、横错等, 甚 至还可以出现应力矿物冲击石英、 褐铁矿、 绿泥石、 绿帘石。尽管其变形形迹和力学性质出现复杂及频 繁的转化与变化, 但微裂隙的延伸走向却保持不变; 而且其变形特征的变化及其力学性质的转换在其走 向延伸上是连续的和多变的。 1.3.6 应力矿物 在应力下发生变形和成分变更与在应力下新生 成的矿物, 都能反映受力情况, 因此都叫应力矿物 王嘉荫, 1978。本项试验分析并未发现原生矿物的 变形变位现象, 镜下检出的应力矿物的生成主要与 强烈复性破裂有关, 即与张暴横暴、压暴劈暴等 破裂的出现密切相关, 也即是在特殊应力作用下形 成的新生矿物应力矿物。 根据鉴定结果主要有冲击石英Pq、褐铁矿 Li、绿泥石Ch、绿帘石Ep等。 镜下分析的结果表明, 变形砾石微裂隙的长度 Lmin 0.45 mm, Lmax 4.00 mm; 其宽度 Wmin 0.03 mm, Wmax 0.3 mm。微裂隙延伸长度越长其变形特征及其 力学性质越为复杂。 1冲击石英 出现较少, 主要发育在应力矿物 带的中心位置图 2-3-2, 颗粒呈浑圆状及港湾状, 0.030.24 mm, 边界较模糊, 干涉色为一级灰, 微具 波状消光。 NO16 微裂隙图 3沿走向由始至终即由右至 左的变形特征依次为 应力矿物冲击石英Pq绿 泥石Ch–暴裂B-劈裂Y-暴裂B-劈暴YB-暴裂 B-劈暴YB-劈裂Y-横裂Z-横错ZN-劈错YN- 横裂Z-劈裂Y-横裂Z-横错ZN-劈裂Y-劈暴 YB等; 其相应的力学性质的变化依次为 熔击性 -暴性-压性-暴性-压暴性-暴性-压暴性-压性-张性-张 扭性-压扭性-张性-压性-张性-张扭性-压性-压暴性 等。这组微裂隙的变形形迹的改变及力学性质的转 换多达 17 级以上。 2褐铁矿 局部发育, 主要呈现为浑圆状及港 湾状图 2-3-1、 2-3-2, 0.030.3 mm, 边界清晰, 具 弱多色性。 3绿泥石 沿强烈变形微裂隙发育频率较高, 主要呈现为片状及菱形团块状图 2-2-3、2-3-1、 2-3-2、 2-4-1, 0.030.36 mm, 边界较清晰, 干涉色 为一级黄至一级黄绿。 4绿帘石 较少出现, 一般在绿泥石条带团块 中心相伴发育, 主要呈现为星点状, 0.01 mm, NO30 微裂隙图 4沿走向由始至终即由左向 图 3 变形砾石 NO16 微裂隙结构特征及力学性质转化根据岩石薄片镜下素描 Fig. 3 Microfissure textural characteristics and mechanics property conversion of No. 16 deed gravel based on optical sketch of thin section 图 4 变形砾石 NO30 微裂隙结构特征及力学性质转化根据岩石薄片镜下素描 Fig. 4 Microfissure textural characteristics and mechanics property conversion of No. 30 deed gravel based on optical sketch of thin section 第六期 胡东生等 中国庐山第四纪沉积砾石的显微构造系统及地质环境动力学分析 791 右的变形特征依次为 横错ZN-劈错YN-暴裂 B-横裂Z-暴裂B- 劈错YN-暴裂B-劈错YN -暴裂B-横裂Z-暴裂B-横裂Z-劈裂Y-横暴 ZB-劈裂Y-暴裂B-劈裂Y-劈暴YB-错裂N - 横裂Z等; 其相应的力学性质的变化依次为 张扭 性-压扭性-暴性-张性-暴性-压扭性-暴性-压扭性-暴 性-张性-暴性-张性-压性-张暴性-压性-暴性-压性-压 暴性-扭性-张性等。这组微裂隙的变形形迹的改变 及力学性质的转化可达 20 级以上。 上述特征表明, 微裂隙在走向方向也即裂隙 的发展方向, 存在连续的应力变形形迹的更替和力 学性质的改变; 意味着变形应力在连续介质的传递 过程中, 存在着复杂的性质转变和周期性规律。同 时这些事实也表明, 连续的应力性质转变和复杂的 变形形迹更替是在同一应力作用之下完成的。从微 裂隙分布位置与砾石变形外力接触面的相互关系分 析, 大多数边缘微裂隙的形成都与砾石长轴方向两 侧的受力状态存在直接的关系, 少数中心微裂隙的 出现则与砾石内部物质的应力状态有关。 2 形成机制形成机制 岩石受力实验证明, 岩石内部的微裂隙的发育 与其遭受的应力状态密切相关, 即遵循岩石变形的 应力-应变准则Somerton Wilbur H., 1970。 庐山变形砾石内部的特殊变形构造形式, 也应 遵循岩石变形的应力应变规律, 所不同的是与一般 岩石变形的形式更为复杂, 即在极小的范围内频繁 出现力学性质的转化及交替发育不同性质的变形形 迹, 这在过去的岩石变形研究中还是极为罕见的现 象, 而且变形砾石内部发育的微裂隙的构造型式也 是十分复杂和极为罕见的, 这些都反映出变形砾石 的受力状态及微裂隙的发展过程是十分特殊和十分 复杂的。 从砾石的宏观特征与内部变形以及岩石物质状 态的综合分析表明, 这种微裂隙是在较低温度下由 特殊力系作用而形成的, 与一般岩石构造的形成过程 中力系作用及效应相比较, 是一种冷构造作用形式。 力学光弹性试验的结果大连工学院数理力学 光测组, 1978表明, 物体围绕着一个平衡力系小区 域产生剧烈局部应力, 此区域以外几乎不受应力的 影响。遵循圣维南原理Saint-Venant’s principle, 物 体局部边界表面承受的表面力为平衡力系时, 平衡 表面力只在受力部位附近产生显著的应力, 而在远 处其应力急剧减少并趋于零赵学仁, 1994。这种受 力机制及力系平衡原理可以很好地解释变形砾石的 受力状态, 反映砾石是遭受了局部的平衡力系作用, 而且是既密集、又分散、还须同时发生作用的复杂 力系的组合。即意味着砾石遭受外力的边界条件是在 同一地质过程的作用之下呈多颗粒接触的平衡力系的 组合。 岩石受力超过抵抗强度便产生破裂, 依据格里 菲斯准则Griffith norms表述, 破裂是由微裂隙尖 端的应力集中所引起的, 当方向最有利的微裂隙尖 端附近的最大应力达到材料的特征值时破裂便开始 发生耶格 J.C., 库克 N.G.W., 1981。用公式表述为 δ AQ – δn – γδS 0. 1 式中 δ AQ为施加在该体积上的外力所作的功和 给予它的热量, δn 为动能变化和内力所作的功即位 能变化加上耗散, δS为裂隙面增量, γ为单位破裂功。 反映边界砾石嵌入挤压条件, 产生裂隙尖端应力集 中图 5, 进而导致裂隙的扩展。 更多的实验表明, 单位破裂功 γ 与破裂扩展速 度和温度有关。既表明应力的传递除与砾石边界条 件有关之外, 而且还与边界作用环境有关。 图 5 岩石裂隙尖端应力状态 Fig. 5 Point stress state of rock fissure 岩石的破裂形式依据伊尔文准则Irwin norms 表述科斯特罗夫Б.В., 1979为 σik nik ≈ ki 2r. 2 式中 Kik1、k2、k3、⋯⋯w为应力强度系数。这个 准则证明, 随着破裂产生的条件不同, 它可以由张 裂方式或剪切方式以及后者产生的横切与顺切等方 式来完成, 反映延时破裂过程中能够形成多种破裂 形式及应变图像。 如令k k1c, 1和2两式联立则有 K1c2 2γE/π 1−v2. 3 式中 K1c为材料临界值, E为杨氏模量, v为泊松系 数。表明应力传递与破裂形迹产生是连续发生的。 裂隙的发展受岩石不均匀性的影响, 引入巴林 布拉特模型诸武扬, 1979 792 地 球 学 报 第三十卷 Kl ∫gs d s / d 0 s N l/π. 4 式中 K1为应力强度系数, gs为距裂隙端部距离s函 数的内聚力分布, d为端部地带宽度。表明岩石裂隙 扩展是由内聚力起作用。在平衡状态下, 内聚力和 位移跃变在端部地带内的分布是独立的, 由岩石材 料性质来决定。 不均匀性岩石在应力作用下, 符合列昂诺夫-帕 纳寿克模型科斯特罗夫Б.В., 1979 ui−ui− ni δ. 5 其公式计算表明, 单位破裂功不是材料的常数, 功的一部分消耗在联系减弱带内位移跃变分布的改 变上。 根据岩石的力学实验结果, 这种分散的多边界 的微弱强度应力条件促使岩石产生疲劳断裂诸武 扬, 1979及其效应, 整个过程表现为晶格滑移A- 产生微裂纹B-微裂纹连接C-宏观裂纹扩展-直至 断裂D图 6, 在外加应力σ1作用之下, 经N1周期 产生滑移, N2周期出现微裂隙, N3周期形成宏观裂隙, N4周期后发生断裂; 如外加应力低于疲劳极限值σr, 则材料可经受足够长N107周期的疲劳周期而不会 发生断裂, 而只会产生微裂隙构造变形形迹。 庐山第四纪沉积物样本中的砾石所遭受的显微 破裂形式非常特殊, 实际上是一种切穿范围有限的 微裂纹构造, 并且没有发生岩石或岩块的宏观破 裂及断裂。在庐山变形砾石样本的微裂隙中, 除具 有压性、张性、扭性及其复性特征之外, 还出现了 特殊的暴性结构特征。这种暴性特征具有冲击爆发 或爆破的特点, 但是仍具有切穿范围有限的微裂 纹构造形状, 即仍低于疲劳极限值的微弱应力的变 形特征, 这个特征意味着岩石标本外加应力还具有 脉动冲击性作用的特点。 根据上述力学实验和破裂准则及物理模型等方 图 6 岩石破裂扩展实验图解 Fig. 6 Enlarged experimental diagram of rock cracking 面的综合分析表明, 庐山第四纪沉积岩石样本砾石 遭受了既密集、又分散、还具同时发生作用的长时 期的多边界外力条件及平衡力系, 在内部形成破裂 其应力传递过程和性质改变与变形形迹转变及其做 功连续扩展都是能够实现的, 而且是低于疲劳极限 的具有脉动性作用的微弱应力造成的。 3 地质环境意义地质环境意义 岩石力学实验和物理模型推演的结果都表明, 岩石样本遭受密集分散颗粒的多边界条件外力平衡 力系的作用, 在岩石内部可以形成压性、张性、扭 性、暴性及复性的微裂纹变形构造形迹, 其应力在 连续介质传递过程中能够发生多种属性的转变和跃 迁及扩展, 并反映出外加应力具有脉动及疲劳变形 效应的特点, 这个复杂的应力应变图像深刻的揭示 及完整地表征了庐山第四纪沉积变形砾石中的微裂 隙构造系统。这些变形过程在刚性材料的损伤余寿 文等, 1997和断裂哈富宽, 2000与冲击动力学王 礼立等, 1992实验中, 获得了清晰的裂纹变形图像。 庐山变形砾石内部特殊的构造型式“人”字形 微裂隙即劈裂, 可以用进一步的疲劳实验及交替 滑移裂纹成核模型Neumann P., 1969来阐述, 按照 Neumann 模型在拉伸与压缩即完成一个疲劳周次 交变进行下, 滑移面相继交替发展其裂纹也随之依 次长大图 7。实际上在低应力低于疲劳极限值状 态下, 外加应力沿裂隙前端内聚力的分布状态, 是 隶属于包络共轭剪切力图 5的扩散轨迹, 其相应的 左右褡裢式裂隙的交替发展的变形结构面可以是扭 性、压扭性和压性, 甚至还可以是张扭性和张性的。 庐山变形砾石内部发育的微裂隙这种特殊的构 造变形型式, 是低应变的外加应力的脉动冲击变形 的结果, 同样在宏观脉动冲击实验中得到了证实。 在实验现场使用低功率冲击振动钻切割水泥石渣路 面产生的破裂变形图像如图 8 所示, 变形图像表现 图 7 岩石人字形裂隙扩展形成实验图解 Fig. 7 Experimental diagram of the expansion and a- tion of herringbone rock fissure 第六期 胡东生等 中国庐山第四纪沉积砾石的显微构造系统及地质环境动力学分析 793 图 8 石渣水泥路面脉动冲击试验变形素描图 岳麓山木兰路段, 2004.6. Fig. 8 Sketch map showing pulsation impact test of de- ation of the stone dregs and cement road surface Mu- lan road segment of the Yuelu Mountain，，2004.6. 面, 间隔 3040 cm 距离重复施钻推进, 光滑平整路 为 其冲击振动中心发育环状及放射状裂隙, 沿其 推进方向即走向方向发育锯齿状裂隙。实验证明, 低应力疲劳作用在其岩石内部传递过程中, 能够发 生从压性-张性-扭性-暴性及复性等性质的转变, 并 产生相应的变形结构面及构造形迹。 根据岩石力学实验分析, 安山岩Somerton Wilbur H., 1970的岩石破裂控制极限为 1.8102 Pa 时岩石仍能保持“人”字形裂隙, 其强度与之出现 完全破裂相比仅为 1/60 1/100; 同理而论安山岩的 蠕变常数张家诚等, 1986为 7.1107, 其差异应力 强度为 104 Pa。 实验结果证明, 岩石内部其裂隙的出 现及产生的应力强度远小于破裂控制极限和完全破 裂值及其蠕变常数, 与前述物理数学模型演算的低 应力边界条件是完全一致的。 岩石实验Neumann P., 1969也证明, 岩石内部微裂隙的初始裂纹宽度约为 0.01 mm, 与我们在镜下观察到的庐山变形砾石内 部微裂隙最小宽度 0.03 mm的同一数量级结果是相 当一致的。 综合实验的研究结果表明, 庐山变形砾石内部 微裂隙的出现及形成, 是处于低温、低应力及其分 散密集的多颗粒平衡力系的缓慢长期及间歇脉动作 用的边界条件之下。在地球表层作用及地质过程中, 仅有冰冻作用及其运动过程可以满足这种边界条 件。在冰冻作用的发育过程中, 低温气候能够将各 种碎屑物夹裹起来随同冰流一起运动, 由于低温冻 结作用使得冰内碎屑颗粒位置相对固定起来, 形成 砾石周围镶嵌分散密集碎屑颗粒分布状态。在冰冻 物质流的运动过程中, 受不同层次和不同部位的冰 流的影响, 砾石上下部位的碎屑颗粒随冰流层流运 动与其发生差异流动导致形成擦痕及刻槽或槽沟; 砾石两侧部位的碎屑颗粒由于受冰流间的挤压作用 与其发生低温、低应力的分散密集多颗粒作用力系, 随同冰流的长期缓慢运动和冰流的短期间歇跃动的 发生而导致砾石内部产生复杂的微裂隙变形形迹及 显微构造系统。 庐山第四纪沉积岩石中变形砾石显微构造动力 学分析的结果表明了古冰川作用在中国东部地区山 地发育的可能性, 并对多种地质作用及自然灾害的 发生和演变以及后期改造与识别准则提出新的挑战, 重视地质实践和地质材料与地质事件是解决地质环 境演变的根本问题。近年来国际上开发出采用声发 射测量岩石历史记忆应力的方法丁原辰等, 1991, 对庐山第四沉积砾石及母岩的测量结果赵志中等, 2000为, 其砾石AE应力平均为 0.841.02 MPa, 其 母岩AE应力平均为 2.774.75 MPa, 经过对比分析 表明岩石遭受的构造应力与冰冻应力存在显著的数 值差异, 庐山第四纪沉积砾石记录了冰冻应力的明 确刻划。根据芦林盆地同一层位剖面的古地磁及磁 性特征的研究何培元等, 1992 , 本研究剖面初步标 定的磁性地层年龄为 0.20.4 Ma, 属于中国第四纪 大冰期的庐山冰期作用。庐山第四纪冰期的争论及 讨论施雅风等1989; 何培元等, 1992是正常的学术 问题, 可以促进学科的发展及进步。上述新材料新 发现的砾石显微变形构造形迹证实庐山在第四纪晚 期曾经确实进入冰冻圈, 是否有大规模的冰川作用 存在值得继续进一步深入探索, 这对过去地球气候 环境的认识和未来区域气候演化及全球变化的预测 具有重要的科学意义。 参考文献参考文献 褚武扬. 1979. 断裂力学基础[M]. 北京 科学出版社, 1-342. 大连工学院数理力学光测组. 1978. 光弹性试验[M]. 北京 国 防工业出版社, 1-361. 丁原辰, 张大伦. 1991. 声发射抹录不净现象及其在地应力测量 中应用[J]. 岩石力学与工程学报, 104 313-326. 哈富宽. 2000. 断裂物理基础[M]. 北京 科学出版社, 1-452. 何培元, 段万倜, 邢历生, 刘兰锁. 1992. 庐山第四纪冰期与环 境[M]. 北京 地震出版社, 1-167. 胡东生, 庞西磊, 张华京, 徐冰. 2008. 庐山冰川活动遗迹的新证 据[J]. 华中师范大学学报自然科学版, 423 467-470, 476. 江西, 湖南, 福建, 广东, 广西地质矿产局编. 1984. 中国南岭 及其邻区地质图说明书[M]. 北京 地质出版社, 1-83. 科斯特罗夫 Б В. 1979 构造地震震源力学[M]. 北京 地震出 版社, 1-204. 施雅风, 崔之久,