顯微構造及其最新研究進展

顯微構造及其最新研究進展

王 元 吳詩勇 王敬威

（安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南232001）

【摘 要】近年來，顯微構造研究已經成為構造地質學乃至地質學研究的重要研究內容。本文概述了顯微構造的傳統研究內容，包括常見的顯微構造現象、巖石和礦物的顯微變形特征。對近年國內外關于顯微構造的應用與分析方法進行了總結，多學科交叉以及先進技術手段的應用促進了顯微構造研究的飛速發展，包括圖像拼接技術拓寬顯微構造視圖范圍、DCM預測顯微構造成分特征以及利用顯微構造的研究方法，借助遙感技術對剪切帶進行構造運動學研究。最后指出了顯微構造研究目前尚未完全解決的問題。

【關鍵詞】顯微構造；構造巖；構造地質學；圖像拼接技術

【Abstract】In recent years， studies of microstructure has become an important contents in structural geology and even geology studies.This paper outlines the traditional research contents of microstructure，including the common phenomenon of microstructure，microscopic deformation characteristics of rocks and minerals.And summary the domestic and international analysis and application of microstructure，Multidisciplinary and application of advanced techniques promote the rapid development of microstructure research，Including Image Mosaicing technique to broaden the scope of microstructure view，Predict microstructural ingredients features and use microstructure research methods with DCM，Kinematics study on shear zone with remote sensing technique.Finally point out the unresolved problems of microstructure.

【Key words】Microstructure； Tectonite； Structural geology； Image mosaicing technique

0 概述

顯微構造是指巖石內部小型（顯微—超微）幾何要素或礦物（集合體）的排列[1]。顯微構造學在不同領域有著廣泛的研究內容，在巖石學方面，巖石的顯微構造是三大巖類巖石的鑒別、各類巖石基本類型的劃分的最直接依據。在變形構造分析中，顯微構造分析直接應用于巖石流變學研究、變形階段的劃分及變形過程分析。同時，顯微構造學在斷層運動學、動力學研究、煤層氣地質分析、工程地質分析等方面也有非常廣泛的應用[2]。

顯微構造的研究始于20世紀初期。1930年奧地利學者B.Sander出版《巖石的組構學》一書，對變形巖石的組構及其幾何分析方法和運動學解釋的基本原則作了全面的論述。此后，Knopf、Fairbairn等一批巖石學家開始對天然變形巖石組構進行分析和研究，Koopf于1933年和1938年分別發表了巖石組構學petrotectonics和構造巖石學Structural Petrology，Fairbairn于1942年發表了變形巖石的構造巖石學Structural Petrology of deformed rocks的顯微組構分析方法，為顯微構造地質學成為一門獨立學科奠定了基礎。20世紀60年代以來，顯微構造的研究得到了快速的發展，Turuer和Weiss《變質構造巖的構造分析》（Structural analysis of metamorphic tectonites）一書，對變形巖石的構造或組構的意義、性質及分析程序、概念、方法等進行了系統的總結。Nicolas和Poirier（ 1976，法國）的《變質巖的晶質塑性和固態流變》（Crystalline Plasticity and Solid State Flow in Metamorphic Rocks）一書是研究地殼深部顯微構造的總結。20世紀80年代以來，顯微構造學進入了飛速發展的時期，顯微構造研究取得了顯著進步。《晶體的蠕變》（Creep of crystals，Poirier，1985）以及一系列重要的國際性學術會議對于顯微構造的研究工作進行了系統的總結，國際地科聯構造委員會把顯微構造研究作為的八十年代構造委員會中心任務之一。中國在20世紀80年代初期召開了顯微構造與組構學術討論會，并成立了“顯微構造專業組”。

顯微構造研究不僅成為了解決大地構造問題的主要工具，而且成為當今構造地質學及地質學研究的主要組成部分[3]。隨著科學技術的不斷發展和研究手段不斷創新， 越來越多的顯微構造現象將被熟悉和研究，并為地質學研究做出貢獻。

1 顯微構造傳統研究內容

1.1 常見的顯微構造現象

顯微構造的形成不僅受原巖物質組成和結構影響，同時取決于巖石變形時起主導作用的變形機制。由于原巖的成分、變形環境與機制的不同，產生了不同的構造巖類型和顯微構造現象。

顯微破裂現象主要是指由破裂作用產生的顯微裂隙及其相關顯微構造變形現象。顯微裂隙及與其相關的變形現象有以下六種：①晶內裂隙：纖維破裂起源并消失于晶體顆粒內部；②晶內裂隙：沿著顆粒邊界出現的裂隙，其典型的破裂樣式是圍繞變形顆粒出現的張裂隙（圖1）；③穿晶裂隙：晶內裂隙的進一步發展會形成穿晶裂隙，后者常常穿過顆粒邊界，進入相鄰的晶體顆粒；④沙鐘構造：礦物中由于成分或光性的變化而形成的形如古代西方計時沙鐘樣式的一種顯微構造（圖2）；⑤多米諾碎斑構造；⑥顯微布丁。

晶質塑性變形現象主要指，在巖石變形過程中，由位錯滑移、位錯攀移、動態恢復和動態重結晶作用等晶質塑性變形機制形成的顯微構造變形構造。水解弱化現象對石英的位錯蠕變強度有深刻的影響[4]。

粒間摩擦滑移現象主要指由顆粒邊界滑移機制所形成的顯微構造現象。

1）S—C組構：糜棱巖中發育的一種反映不均勻、非共軸流變的特征構造。巖石中發育有兩組面理：一組為透入性S面理，指礦物長軸的定向排列；另一組稱C面理，是具有一定間隔的強應變帶或位移不連續面，一般平行剪切面，也叫剪切面理。二者構成S—C組構。S面理和C面理均發育的變形巖石稱S—C糜棱巖（圖3）。

2）礦物魚：在剪切帶高應變糜棱巖帶中，遭受剪切變形的礦物顆粒經石香腸化或微破裂作用常常被改造形成“魚”狀體形態的顯微構造。

3）顯微分層現象：變形巖石中，不同的礦物顯示不同的特性。

擴撒物質遷移現象由擴散物質遷移機制形成的顯微構造現象，包括壓溶作用及固態物質擴散遷移作用形成的各種現象。包括：壓力影、應變帽、壓溶縫合線、壓溶面理、顯微脈、出溶構造、變斑晶包跡構造等。

1.2 主要造巖礦物變形行為

通過對天然變形巖石與實驗變形巖石的研究，發現了常見造巖礦物呈現出的共有的顯微變形特征，如結晶學定向以及顆粒的細粒化。但是，各種常見造巖礦物在晶體結構、化學成分上的差異，以及所處的變形條件差異極大，表現出了復雜多樣的顯微變形特征[5]。

方解石容易出現機械雙晶，方解石機械雙晶由窄變寬與溫度有關。方解石的變形過程是由位錯滑動到高溫蠕變。低溫條件下，大理巖中方解石變形行為表現為碎裂及碎裂流動，伴有溶解遷移及雙晶化，粗顆粒中發育機械雙晶及波狀消光，細粒基質中，伴有位錯滑移及膨凸重結晶作用。溫度增高時膨凸重結晶作用增強。白云石在中高溫條件下發育f{02■1}雙晶，在中低溫條件下主要沿底面c滑移，低溫下不出現雙晶。

石英晶體內部各個不同滑移系的啟動受溫度環境直接影響，進而影響著礦物顆粒的流動性。在較低溫條件下（300～400℃），石英以底面（c）上的位錯滑移和攀移占主導地位。在中溫條件下（400～500℃），位錯蠕變為主導變形機制，柱面滑移m成為重要的滑移系。在高溫條件下（500～700℃），顆粒邊界遷移重結晶作用占主導地位。溫度大于700℃時，石英新晶粒單晶邊界常呈樹葉狀，顆粒大小不等，或形成長條狀單晶。

長石族礦物廣泛產出于各種成因的巖石中，約占地殼總體積的60%，總重量的50%。是十分重要的造巖礦物。在中低級變質條件下（400～500℃），長石出現位錯滑移，并可見波狀消光、彎曲雙晶、扭折帶、變形帶。在中級變質條件下（450～600℃），長石出現位錯攀移以及亞晶粒旋轉動態重結晶作用，發育核幔構造。高級變質條件下（>600℃），長石出現位錯攀移及恢復作用，以亞晶粒旋轉重結晶作用為主。超高溫條件下（>850℃），長石開始出現顆粒邊界遷移重結晶。

各類云母的主要顯微構造是扭折，其在大小、數量、方位和形狀方面非常易變，在低溫（300～500℃）時，扭折是大量且狹窄的，與縮短方向成高角度相交；在高溫（600～700℃）時，扭折發育較少且較寬，與縮短方向成低角度相交；壓力低時扭折帶寬，壓力大時扭折帶變窄。在天然變形的云母中，可見兩種特殊的變形現象：擊像和壓像。

角閃石、輝石的變形行為主要表現為細粒化、扭折、機械雙晶等變形，其中以細粒化最為常見。在低溫條件下角閃石易發生退變質作用，在高溫作用下易脫水進變為輝石。在后期退變質過程中，角閃石和輝石常常退變為黑云母和綠泥石。

橄欖石是上地幔分布最為廣泛的主要礦物，其變形行為及蠕變特征在很大的程度上可以代表上地幔的流變學特征。在700～1000℃時，變形的橄欖石殘晶具有強烈的波狀消光、扭折帶、變形紋和亞晶粒邊界。中高溫條件下（大于1000℃），變形機制以位錯蠕變為主，也即出現了回復作用，光學上不再出現變形紋，以亞晶粒構造和扭折帶為主，在顆粒邊緣開始出現動態重結晶作用，形成核幔構造[6]。

2 顯微構造研究進展

2.1 顯微構造在地質學中的應用

目前應用顯微構造分析來解決實際地質問題已經越來越廣泛。對顯微構造的詳細研究和分析，為進一步探討構造地質學以及地質學中的各種根本問題提供了依據。主要包括應力分析、應變分析及變形溫壓條件分析、變形過程及變形歷史分析[11]。

利用顯微構造進行的應力分析主要包括應力方位、運動方向及應力大小估算。推導主應力方位的主要方法有顯微裂隙、石英變形頁理、壓力影、殘斑系、壓溶縫合線、微裂隙填充物等。估算古應力值大小的主要方法有位錯密度法、亞晶粒法、動態重結晶新晶粒法、方解石機械雙晶法、礦物光軸角法等。

利用顯微構造與應變的關系，可以分析巖石或礦物變形時應變量的大小、應變速率和應變的方式等。

溫度和壓力是影響巖石和礦物變形的重要因素。可以根據礦物特定的變形現象來大致分析其變形時的溫壓條件，主要方法有石英變形紋法、扭折、變形礦物的動力重結晶、礦物的活動滑移系法、組構優選方位等。

對一個地區的變形，無論是脆性或是韌性，深變質或是淺變質，詳細的顯微構造分析對正確認識該地區的變形過程和演化歷史都具有重要的意義。通過對不同顯微構造的分析，可以再現巖石從弱到強的變形過程、巖石面理的形成及變化、纖維礦物的生長順序和發育過程，確定主應變方向的變化過程等。

顯微構造在地質學中的最新應用進展：

顯微構造研究方法與遙感技術相結合的構造研究有了一定的進展。研究證明，區域構造、小型構造以及顯微構造在一種變形機制下形成，存在高度相關的內在成因聯系，因此在運動學和幾何學上具有相似性[12]。因此，區域構造或小型構造的研究可以應用顯微構造的研究方法。

利用顯微構造的研究方法，借助遙感技術可以對剪切帶進行構造運動學研究，包括剪切帶運動指向分析、剪切帶位移量估算、剪切帶的應變分析等[13]。

遙感技術與顯微技術相結合是一種實用的新型構造研究方法，也是遙感地質的發展方向，隨著顯微構造觀測手段與遙感技術研究的不斷深入，以及與巖石學等其他學科的交叉研究，可能在構造作用與成礦作用的關系、提高礦產預測成功率等方面開拓新的研究領域。

2.2 顯微構造分析技術與方法

2.2.1 顯微構造基本分析技術與方法

陰極發光分析技術是表述巖石學特征的一種常規技術。礦物具有陰極發光性主要在于晶體內部存在各種缺陷，在缺陷位置上常常有雜質元素粒子存在。礦物的發光性表現在發光色和發光強度兩個方面，由于礦物的發光性隨著礦物種類及礦物內微量元素的含量變化兒不同，所以陰極發光分析技術可以用以確定不同的礦物類型和成因。此外，陰極發光分析技術在巖石學、石油地質學和油氣勘探研究中也有廣泛的應用。

陰極發光技術在礦物學和巖石學研究中因為其對礦物化學成分變化的高靈敏度而有極大的用處，但是陰極發光技術的圖像解釋比較復雜。利用掃描電子顯微鏡（SEM）陰極發光的光譜成像模式，并結合同時獲得的X-射線組合映射，通過允許光譜特征的分離和元素成分的相關性來擴展相關技術。運用這一技術并結合多元統計分析，可以顯著增加陰極發光技術的有效性。

20世紀70年代后，電子顯微鏡分析技術在地質學以及構造地質學中的應用有了突破性的進展，重新認識了眾多構造帶內變質構造巖，尤其是糜棱巖的成因。

透射電子顯微鏡（TEM）廣泛應用與觀察和確定位錯構造的特點。觀察位錯的基本類型、組合、形態和分布規律；闡述礦物顆粒的主要變形機制、巖石流變學狀態與構造巖的成因；結合變形條件闡述礦物蠕變的基本規律。投射電子顯微鏡的選取電子衍射可以得到準確的晶格參數[14]。

掃描電子顯微鏡（SEM）是顯微構造分析的有效手段。目前的研究方面有：微區成分分析；微細礦物顆粒內部成分結構與變化規律，顆粒的三維形態特點；SEM陰極發光技術分析變形結構的顯微特點，用以探討巖石變形的變形過程與微觀機制。

EBSD即電子背散射衍射。EBSD技術可以更快速的獲取數據，為開展巖石顯微構造、礦物塑性變形機制、礦物相鑒定、晶粒尺寸測量等的研究提供了技術和數據的支撐[15]。并且使顯微構造與晶格結構建立了直接的聯系，為準確快速地測定樣品的晶體形態、晶格方位、晶體顆粒屬性等提供了強有力的手段[16]。

EBSD技術在顯微構造學的廣泛應用，使巖石變形機制與巖石圈流變學研究以及巖石顯微構造分析和研究得到了飛速的發展和突破，顯微構造與組構分析進入一個新的階段。

利用X-射線CT掃描對地質樣品內部結構的研究目前包括：巖石內孔隙的形態特征及貫通性；未固結堆積物及軟巖石結構研究；古生物化石形態結構研究等。此外，可以結合陰極發光光譜成像和波長色散X-射線對礦物進行分析[17]。

2.2.2 顯微構造分析技術與方法最新研究進展

① 圖像拼接技術

圖像拼接技術（Image Mosaic Technology）已經被應用于了顯微構造圖像的分析處理。該技術是將兩幅或多幅來自相同場景、具有重疊區域的小尺寸圖像合并成為一幅大尺寸的高質量圖像[18]。

圖像拼接技術應用于顯微構造圖像的分析處理，不進拓寬了顯微構造圖像的視圖范圍，并且準確解釋了巖石宏觀力學性質[19]。

②數據約束建模（DCM）

對于闡述土壤和巖石等多孔材料的特征，X射線成像是一種非常實用并且應用廣泛的方法，在石油、天然氣的儲集層巖石的孔隙結構和運輸性質具有很高的利用價值，但是其具有分析相對緩慢和昂貴的缺點。

一種數據約束建模（DCM）預測油氣儲層砂巖石英和高嶺石顯微構造的可行性虛擬實驗已經完成，其目的是為了直接解決礦物相和孔隙的特征。Y.S. Yang等使用具有石英和方解石成分的人工標準化巖石樣品，嘗試利用數據約束建模（DCM）預測顯微構造成分的特征[20]，并使用具有基于同步加速器X射線CT的實驗設備來獲取數據。數據約束建模（DCM）方法為常規方法儀器檢測異構孔隙分辨率過低提供了一種有效的代替手段

此外，很多學者在顯微構造分析方法上進行了深入的探索和研究。如建立數字高程模型來探討顯微構造的細觀力學參數對巖石壓縮和拉伸破壞過程的影響；聚焦離子束（FIB）結合掃描電子顯微鏡（SEM）和投射電子顯微鏡（TEM）也被證明是在納米尺度下研究顯微構造的一種有效手段[21-23]。

劉貴等人對在高溫高壓條件下石英閃長巖的顯微構造進行了分析研究，認識到在低溫條件下（650℃），巖石處于脆性塑性轉化域，石英和黑云母以位錯滑移為主，而長石以脆性變形為主。在850～900℃時，巖石以位錯蠕變為主。在高溫條件下（950～1000℃）位錯攀移和動態重結晶作用則占主導地位。同時還發現，隨機分布的斜長石不會對巖石強度造成明顯影響，但是斜長石的長軸方向與最大主應力方向呈大角度相交時（ 近 90°），巖石強度會有顯著的強化，這表明巖石組構與主應力方向呈垂直方向或大角度相交時，巖石變形和拆離斷層的不易形成[24]。

3 結語與展望

與相關學科理論與技術上的結合促使了近年來顯微構造研究的迅猛發展，顯微構造學已經成為構造地質學乃至地質學研究的重要內容，顯微構造分析解決實際地質問題的應用也更加廣泛。隨著顯微構造分析技術和方法的不斷更新與豐富以及與其他學科的交叉和融合，顯微構造研究在地質學研究中的基礎作用與應用將更加深入和廣泛。

在某些方面的研究中，如石英的變形機制及其轉變，以及角閃石的天然變形研究和數據資料還存在很多尚未解決的問題，需要更加完善的手段和技術來解決其中的困難，這也將是顯微構造研究中需要重點解決的問題。

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[責任編輯：程龍]