4 测试与分析技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四讲 测试与分析技术,邓 军 杨立强,82322301 djun,82322175,矿田构造学,Outline,1、,显微构造,2、岩石组构和磁组构,3、三维有限应变测量,4、构造岩石物理分析,5、构造形变过程中质量平衡,6、标型矿物学及温压地球化学,7、同位素地质学,显微构造及其在矿田构造研究中的应用,一、引言,在矿田构造研究中显微构造主要的任务是,研究在构造动力作用下岩石矿物变形相变与元素聚散的规律,研究工作的程序,通过对构造岩相成矿带内变形岩石或矿石结构构造演化特征及其组构的运动学动力学机制的分析，甚至进行原子尺度下变形与成矿迹象的观测,进而确定控矿的构造带及构造型式,恢复其构造应力场演化及元素迁移聚集成矿的过程,划分变形成矿阶段,找出矿产富集和分布的规律,因此，显微构造研究可以提供构造应力活动导致元素迁移聚散的实验证据，是将构造应力场演化与物质运移研究相结合的桥梁，也是动态成岩成矿理论和构造地球化学新领域研究的根底,在研究中尽力引入各种先进的测试技术方法，使之步入定量化，为矿产预测提出量化的实施方案,二、岩石变形及断层岩分类,1、塑性变形,1变形形态,变形形态特征可以定性地恢复应力作用的方式与方向，大致有压扁或拉长构造，柱状矿物弯曲，片状矿物柔曲和旋转构造等,石榴石内包体呈“S或反S形，角闪石呈雪球状等等,(2)光性特征,波状消光、变形纹及变形带,扭折,亚颗粒构造,变形双晶,应力沙钟构造,2、脆性变形,表现为在矿物颗粒内或粒间出现不同力学性质的显微破裂纹张、压、扭性,3脆一韧性变形,岩石的脆韧性变形，既可包括脆性的显微破裂机制，又可有品质塑性变形机制,同一矿物相中脆、韧性变形共存,不同矿物相及不同尺度内脆、韧性变形共存,矿物粒内或粒间的显微破裂纹和显微破碎带都很细小，甚至在透射电镜下观测才能发现,4断层岩分类,按照断层的变形特征可分为韧性和脆性两种，同时将断层岩相应分为两大系列,1糜棱岩系列,糜棱岩是岩石韧性变形的产物，其特征是,粒度相对围岩减小,在相对狭窄带内产出有时也宽达数千米,发育强烈的叶理或线理构造,在韧性剪切带中，由边缘向中心，随应变量加大，定向构造越发育，残斑含量减少，粒度减小，长石解离而绢云母、石英含量增加,2碎裂岩系列,三、应变量的测定,Ramsay和Huber(1983对应变量测量方法曾做系统阐述。在对韧性剪切带的位移量及挤压带的缩短量估算时，首先选定适当的变形构造的标志体，如螗粒、近等轴的晶粒集合体、等轴晶系矿物等测定它们变形后的轴比，以及S-C组构面理的交角，按照各种适宜的公式来估算总的位移量和缩短量。,四、运动方向及应力作用方向确实定,1岩石变形的结构构造分析,主要指示运动方向及应力作用方向的显微构造有：S-C面理构造、云母鱼、碎斑系、,斜式构造、压力影单斜对称和斜方对称、不对称褶皱、眼球构造和扭折等。,2岩石组构和变形亚组构的动力学分析,目前常用某些矿物的变形页理亚组构的型式来确定主压应力的方位，有以下几种,1双晶页理的动力学分析,将实验得出的某些矿物的双晶页理与主压应力1间的夹角为某一定值的结果外推自然界，以确定岩石变形期最大主应力方位1。常用矿物有方解石、白云母、透辉及斜长石等,2变形页理的动力学分析,以石英为例，有锐角法、小圆环带法、C1-C2法及箭号法等，用以确定主压应力1的方位。,锐角法：斜方对称的变形纹极点图解中，两个极密部之间所夹钝角平分线看成是1方向。,小圆环带法：没有重结晶作用发生塑性流动石英光轴C轴图解，C轴接近1方向。有重结晶作用发生塑性流动的石英光轴图解中，C轴优选方位平行于1的点极密部始分散，形成小圆环带，开角45。,C1-C2法：在有变形纹的石英粒内，将变形纹未变形局部的光轴C1和变形局部轴C2分别测定，在吴氏网上投影为一系列大圆小段将C1，C2联结而成，变形部光轴C2接近于1方位,箭号法：在发育有变形纹的石英粒内，将变形纹极点为箭头，光轴为箭尾的箭号，箭头指向3方向。,(3)扭带的动力学分析,如以云母扭带界面极点的分布型式来确定1的方位。,(4显微破裂纹极点于3方向趋向分散。,(5)组构的不对称性确定剪切运动方向。如方解石和石英的光轴图解及云母解理极点图解沿ab面的不对称性，可以确定剪切运动方向,五、变形显微构造古应力计,金属物理学家较早地发现Bird等1969,Luton和Sellars 1969,Glove：和Sellars 1973,Bromley和Sellars 1973)，由热加工而变形的金属显微构造说明，重结晶颗粒大小，亚颗粒大小以及位错密度随稳态流动应力具有系统变化的函数关系。Goctzc,Kohlstedt和Durham等(1973,1974,1976,1977从高温变形橄榄石单晶实验研究结果，指出流动应力与位错密度之间存在的恒定关系；Post(1973,1977),Mcicie：等(1977)通过实验证明了橄榄石亚颗粒大小和重结晶颗粒大小都随流动应力大小而变化；Twiss(1977)从理论上推导出橄榄石和石英亚颗粒大小、重结晶颗粒大小与流动应力之间的函数关系；Goetze(1978以试验证实了上述理论；Goctzc和Kohlstedt(1977)建立实验变形尤其大理岩中方解石位错密度的实验数据。这些实验研究说明，一定差应力下位错导致了岩石变形，变形所引起的位错密度、亚颗粒及颗粒大小是由差应力的量级决定的。将这一定量关系外推到自然界变形岩石的研究中，建立了地质古应力计。,五、构造古应力大小估算,1变形岩石显微构造发育特征,在应力下岩石的变形过程，可以经历变形、回复及重结晶三个阶段。,变形：在应力作用卜岩石发生塑性变形，矿物粒内有大量位错增殖和堆置透射电镜下观察到大量自由位错分布，光学显微镜下可见波状消光、变形纹和变形带等亚构造发育,回复：是指变形晶体回到未变形状态的过程。在这过程中，由于位错攀移作用，位错密度和变形储存能降低，形成了低角度边界组成的亚颗粒构造光学显微镜下见到，在一个颗粒内可以划分出无数消光稍有不同的区域，即许多亚颗粒，它们互相迭置分布，也称之为多边形化构造。在透射电镜下观察，亚颗粒边界是由位错壁所组成，它是回复作用的重要标志。鉴定动态恢复成因的亚颗粒的标志是：1常见滑动多边形化产生的不均匀发育的亚颗粒，位错不一定具有均匀的间距；2光学显微镜下常见光性应变现象，如波状消光、变形带及其他变形页理,1变形显微构造古应力计的根本原理,动态重结晶：是指回复以后剩余的储存应变能消除的过程，为动态下发生的重结晶初始重结晶以应变晶体内无应变晶粒紧密接触的形成和生长为特征。动态重结晶形成的机制有两种：一是在低温低应力下，新颗粒边界由亚颗粒边界的旋转所形成，称亚颗粒旋转重结晶。这是由于：连续变形加大，横切亚颗粒边界的方位偏离也随之增大，当方位偏离角接近15时，边界能到达最大值，而形成颗粒边界。亚颗粒常呈迭波状分布。另一种情况是在高温高压力下，新颗粒边界由原来颗粒边界迁移形成。颗粒边界迁移的驱动力为边界两侧位错密度的差异。随变形加大，锯齿状边界的外凸局部被割断成新颗粒。,动态重结晶有以下几个特点可与静态重结晶相区别：1动态重结品颗粒首先在原颗粒内的高应变区出现，如变形带、扭带和变形双晶的界面上，以及拉长颗粒的边界上,2晶粒内常残留有应变现象，如波状消光、变形带及亚颗粒等,3)颗粒的形态大多呈压扁状或拉长状,4)颗粒边界形态复杂，从原始状态向平衡态过渡可出现三种形态,破坏了的原始边界,阻止边界，可呈不规那么状、锯齿状及缝合线状,平衡边界，常具三结点结构,5)岩石一般具有明显的优选方位,6颗粒大小不取决于温度变化而取决于应力大小,2位错密度、亚颗粒大小及重结晶颗粒大小与差应力之间的关系,只有在岩石稳态流动条件下产生的变形显微构造才能做为古应力计岩石的稳态流动是指应变速率为常数，变形过程中应力保持不变的状态此时变形导致位错产生的速率和由于回复导致位错消失的速率到达平衡常用的古应力计算经验公式见表2.10.2,2变形显微构造的观测技术,对变形显微构造的观测，日前常用的方法有化学浸蚀法、缀饰法、透射电镜法及兰格照相法,本文只介绍前三种方法。化学浸蚀法和缀饰法操作简单易行且省钱省时，在普通光学显微镜下即可观察，便于将变形显微构造的光性特征与位错组态特征相比照。但在位错密度较大的情况下，容易出现位错的迭置，造成位错密度统计的困难。透射电镜法对深入研究变形岩石内位错组态演化是非常必要的，但因放大倍数太大，位错密度所代表的范围较小。同时由于仪器及制样设备条件所限，费用较大，故在许多地区目前开展该试验困难较大。,(1)化学浸蚀法,将品体浸于适当的化学试剂中，在位错出露点处产生浸蚀坑。这是因为在位错线附近比远离位错处晶休储存的弹性能密度要高，晶体的化学储存能也高，因此位错显现点的溶解速率也较快。在选择浸蚀剂和浸蚀时间时需注意：1浸蚀剂决定了晶体外表的浸蚀和抛光的优选面，对同一矿物的不同晶面浸蚀有时需选用不同的试剂；(2)矿物的浸蚀率取决于结晶学方位，故结晶学方位对于浸蚀坑的形态和深度有很大的影响；3同一矿物用同一浸蚀剂，随浸蚀时间变化而所揭示的显微构造类型也有所变化表列出常见几种矿物所用的浸蚀剂。,样品制备,样品经抛光制成光薄片或光片，要严格洁净无刻痕,然后用石蜡将玻璃部位封住,再选用适当的试剂滴人光片的抛光外表，或将光片或光薄片浸人装有浸蚀剂的容器中浸蚀时间据观测现象的要求而定，浸蚀要在室温下进行浸蚀后的抛光面用20%合成柠檬酸溶液煮沸5分钟，或浸泡半小时,然后再将该片放在流动的蒸馏水中冲洗5分钟烘干，把抛光面镀铝膜或金膜，置人扫描电镜下或反光镜下观察测定有关数据常用的浸蚀剂见表,2透射电镜法,透射电子显微镜是直接观测变形晶体显微构造十分有效的仪器，具有很高的分辨率。当前它在变形显微构造领域内的应用已是相当普遍，用它来观察晶格位错通常要在100kv电压电子加速运动条件下进行，联合波长=0.037埃，布格角约在10-3，范围内。可以用电子衍射型式来确定人射电子束与薄品箔的结晶方位，同时可运用衍衬技术来获得线缺陷位错及面缺陷的图像，将各种位错组态类型清楚地显示出来。这些图象主要赖于运用晶体电子衍射理论根底上的缺陷反差理论来论述和解释。,样品制备：晶体薄箔的厚度取决于矿物的吸收系数和电子能在100kv电压下，晶体薄箔的厚度为1000-3000埃，假设用1 Mev或3Mev电子束的HVEM，晶体薄箔的厚度约lm。使样品减薄的方法有劈开、化学减薄和离子轰击减薄。目前在岩石矿物研究范围内常用离子轰击方法来减薄。样品进行离子减薄之前，先把样品制成很薄的岩片不加盖、载玻片，其厚度要小于光学显微镜观测所用的岩片。为防止在离子轰击时岩片碎裂，应尽量选取成分单一的岩石做分析样品且先要在光学显微镜下选好有代表性的观测减薄部位。为使晶体薄箔厚度较均匀，不宜使离子束与样品外表夹角过大。在透射电镜下观察样品时要迅速。,3通过人工加温氧化方法注入某种带颜色的质点，在温度降低时这些质点进入稳态发生优选沉淀，即沿应变能较高的位错线的位置沉淀下来，使位错缀饰起来。Kohlstedt等1976首次在实验室内利用人工氧化方法缀饰含铁镁橄榄石中的位错构造，使橄榄石中Fe2+在加热后氧化为Fe3+离子在位错线上沉淀下来。这种方法可将位错及亚颗粒缀饰起来。,样品制备选择变形构造发育的样品，抛光后放进高温炉加热到900，至1-2h小时当样品冷却到室温，再将抛光面粘到载玻片上制成光薄片。这种方法简便易行，可以使三维空间的位错构造较好地显现出来但不是任何矿物都可用此方法，此外由于高温淬火，回复作用可能改变原岩的位错构造。因光学显微镜放大倍数所限，只能对位错密度较低的岩石使用这种方法,六、变形温度计,1石英组构样式指示韧性构造岩的变形温度,韧性构造岩中石英的组构具有四种根本形式，它们分别对应于石英晶格的四种重要的滑移方式：(0001)、1011,10101，所有其他样式的组构都是由这四种根本样式组合而成的主要滑移系随温度的