组构数值模拟的原理及其在地学中的应用.pdf

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1、卷(Volume)36，期(Number)1，总(SUM)132页(Pages)56—68，2012，2(Februa~，2012)大地构造与成矿学GeotectonicaetMetallogenia组构数值模拟的原理及其在地学中的应用聂冠军一，单业华，田野，乔彦波(1．中国科学院广州地球化学研究所，广东广州510640；2．中国科学院研究生院，北京100049)摘要：组构是指由岩石塑性变形导致多晶体的结晶学优势取向现象。组构的存在会增加岩石的各向异性，进而可能影响到岩石的后续变形。岩石组构包含了变形类型、运动学、变形环境、流变学特征等信

2、息，因而成为显微构造学的重要内容。组构数值模拟是近年来得到重视的一种组构研究方法，它以晶体塑性理论为基础，利用计算机技术定量地模拟多晶岩石中组构的形成和演化。在晶体塑性理论中，晶体的塑性变形是由滑移系的剪切滑动导致的，由单晶塑性本构关系表征。多晶均匀化模型包括Sachs模型、Taylor模型、自洽模型和有限元模型，它们从不同角度描述了由单晶变形组成的多晶体变形。极图、反极图和取向分布函数被用来显示多晶体中各晶粒的空间取向。目前组构数值模拟在地学中的应用主要体现在各种单相和多相岩石的组构形成、重结晶作用下的组构形成、组构对地幔和地核地震波波

3、速各向异性的影响等方面。关键词：岩石组构；模拟；原理；晶体塑性理论；各向异性中图分类号：P545文献标志码：A文章编号：1001—1552(2012)叭一0056—013宏观物理性质的各向异性(Dawson，2002)，影响到0引言岩石的后续变形。正是由于组构对应变历史的强敏在多晶岩石的塑性变形过程中，单晶晶格一般感性，构造地质学家才能够从中提取出宝贵的上述会朝着某些特定方向有规律地转动，出现晶格优势变形信息。例如，物理实验(KernandWenk，1983)取向(crystallographiclatticepreferredorien

4、tations)，和数值模拟(Wenketa1．，1987)均表明纯剪切变形这种优势取向称为组构(fabric／texture)。多晶岩石和简单剪切变形会导致不同的组构特征。反过来，组构的发育使得各向异性由单晶尺度扩展到更为宏由类似的实测岩石组构可以粗略地推定局部或区域观的多晶尺度(WenkandVanHoutte，2004)，会造的岩石变形状态是否是纯剪或单剪，以往这种推测成岩石力学性质、磁化率、电导率或地震波波速的各却仅仅依靠直觉和经验，因而经常会得到一些不确向异性(Khan，1962；Hess，1964；OwensandBam-定的

5、认识(Wenketa1．，1987)。f0rd，1976；MendelsonandCohen，1982)。近十多年以来，随着晶体塑性理论的不断完善岩石组构一直都是显微构造学领域的重要研究和计算机性能的快速提高，岩石组构的数值模拟得对象，因为岩石组构不仅包含了变形类型(单剪或到快速的发展和应用。基于晶体塑性理论，我们可纯剪)、运动学(如运动方向、速率和涡度等)、变形以借助计算机技术计算出多晶岩石塑性变形过程中环境(如温度、压力和流体等)、流变学等信息(Lister的组构形成和演化。这样在很大程度上能够弥补我eta1．，1978；Lister

6、andPaterson，1979；Listerand们对天然岩石组构形成和演化认识的普遍不足Hobs，1980；陈运平等，2008；嵇少丞等，2008)，而(WenkandVanHoutte，2004)，有利于准确解释实且还在很大程度上控制着岩石的塑性变形特征以及测的岩石组构。收稿13期：2011—01—26；改回13期：2011—05—13项目资助：国家科技部重要基础研究发展规划项目(编号：2007CB411307)，中国科学院“百人计划”项目(编号：KZCX0543081001)资助。第一作者简介：聂冠军(1987一)，男，硕士研究生

7、，构造地质学专业。Email：nieguanjun123@163．corn第1期聂冠军等：组构数值模拟的原理及其在地学中的应用57本文回顾了组构的研究历史，阐述了组构数值方法相继提出，极大方便了组构的观察和定量分析。模拟的基本原理，并对组构模拟在地学中的应用进行了述评和展望。2原理1回顾组构数值模拟的理论主要涉及三个方面：单晶塑性行为描述、单晶变形与多晶变形之问的联系和早在1833年地质学家DHalioy就已经观察到多晶组构的定量表达。岩石中的组构现象，并意识到它对地质历史有着非2．1单晶运动学常重要的指示作用(WenkandChrist

8、ie，1991)。直在组构数值模拟所依据的晶体塑性理论中，晶到1883年Miigge发现方解石机械双晶和各种矿物体的塑性变形是通过晶内位错滑移、双晶滑移和晶单晶中的滑移现象之后，组构的定量研究