显微构造及其最新研究进展
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王 元 吴诗勇 王敬威
（安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南232001）
【摘 要】近年来，显微构造研究已经成为构造地质学乃至地质学研究的重要研究内容。本文概述了显微构造的传统研究内容，包括常见的显微构造现象、岩石和矿物的显微变形特征。对近年国内外关于显微构造的应用与分析方法进行了总结，多学科交叉以及先进技术手段的应用促进了显微构造研究的飞速发展，包括图像拼接技术拓宽显微构造视图范围、DCM预测显微构造成分特征以及利用显微构造的研究方法，借助遥感技术对剪切带进行构造运动学研究。最后指出了显微构造研究目前尚未完全解决的问题。
【关键词】显微构造；构造岩；构造地质学；图像拼接技术
【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
显微构造是指岩石内部小型（显微―超微）几何要素或矿物（集合体）的排列[1]。显微构造学在不同领域有着广泛的研究内容，在岩石学方面，岩石的显微构造是三大岩类岩石的鉴别、各类岩石基本类型的划分的最直接依据。在变形构造分析中，显微构造分析直接应用于岩石流变学研究、变形阶段的划分及变形过程分析。同时，显微构造学在断层运动学、动力学研究、煤层气地质分析、工程地质分析等方面也有非常广泛的应用[2]。
显微构造的研究始于20世纪初期。1930年奥地利学者B.Sander出版《岩石的组构学》一书，对变形岩石的组构及其几何分析方法和运动学解释的基本原则作了全面的论述。此后，Knopf、Fairbairn等一批岩石学家开始对天然变形岩石组构进行分析和研究，Koopf于1933年和1938年分别发表了岩石组构学petrotectonics和构造岩石学Structural Petrology，Fairbairn于1942年发表了变形岩石的构造岩石学Structural Petrology of deformed rocks的显微组构分析方法，为显微构造地质学成为一门独立学科奠定了基础。20世纪60年代以来，显微构造的研究得到了快速的发展，Turuer和Weiss《变质构造岩的构造分析》（Structural analysis of metamorphic tectonites）一书，对变形岩石的构造或组构的意义、性质及分析程序、概念、方法等进行了系统的总结。Nicolas和Poirier（ 1976，法国）的《变质岩的晶质塑性和固态流变》（Crystalline Plasticity and Solid State Flow in Metamorphic Rocks）一书是研究地壳深部显微构造的总结。20世纪80年代以来，显微构造学进入了飞速发展的时期，显微构造研究取得了显著进步。《晶体的蠕变》（Creep of crystals，Poirier，1985）以及一系列重要的国际性学术会议对于显微构造的研究工作进行了系统的总结，国际地科联构造委员会把显微构造研究作为的八十年代构造委员会中心任务之一。中国在20世纪80年代初期召开了显微构造与组构学术讨论会，并成立了“显微构造专业组”。
显微构造研究不仅成为了解决大地构造问题的主要工具，而且成为当今构造地质学及地质学研究的主要组成部分[3]。随着科学技术的不断发展和研究手段不断创新， 越来越多的显微构造现象将被熟悉和研究，并为地质学研究做出贡献。
1 显微构造传统研究内容
1.1 常见的显微构造现象
显微构造的形成不仅受原岩物质组成和结构影响，同时取决于岩石变形时起主导作用的变形机制。由于原岩的成分、变形环境与机制的不同，产生了不同的构造岩类型和显微构造现象。
显微破裂现象主要是指由破裂作用产生的显微裂隙及其相关显微构造变形现象。显微裂隙及与其相关的变形现象有以下六种：①晶内裂隙：纤维破裂起源并消失于晶体颗粒内部；②晶内裂隙：沿着颗粒边界出现的裂隙，其典型的破裂样式是围绕变形颗粒出现的张裂隙（图1）；③穿晶裂隙：晶内裂隙的进一步发展会形成穿晶裂隙，后者常常穿过颗粒边界，进入相邻的晶体颗粒；④沙钟构造：矿物中由于成分或光性的变化而形成的形如古代西方计时沙钟样式的一种显微构造（图2）；⑤多米诺碎斑构造；⑥显微布丁。
晶质塑性变形现象主要指，在岩石变形过程中，由位错滑移、位错攀移、动态恢复和动态重结晶作用等晶质塑性变形机制形成的显微构造变形构造。水解弱化现象对石英的位错蠕变强度有深刻的影响[4]。
粒间摩擦滑移现象主要指由颗粒边界滑移机制所形成的显微构造现象。
1）S―C组构：糜棱岩中发育的一种反映不均匀、非共轴流变的特征构造。岩石中发育有两组面理：一组为透入性S面理，指矿物长轴的定向排列；另一组称C面理，是具有一定间隔的强应变带或位移不连续面，一般平行剪切面，也叫剪切面理。二者构成S―C组构。S面理和C面理均发育的变形岩石称S―C糜棱岩（图3）。
2）矿物鱼：在剪切带高应变糜棱岩带中，遭受剪切变形的矿物颗粒经石香肠化或微破裂作用常常被改造形成“鱼”状体形态的显微构造。
3）显微分层现象：变形岩石中，不同的矿物显示不同的特性。
扩撒物质迁移现象由扩散物质迁移机制形成的显微构造现象，包括压溶作用及固态物质扩散迁移作用形成的各种现象。包括：压力影、应变帽、压溶缝合线、压溶面理、显微脉、出溶构造、变斑晶包迹构造等。
1.2 主要造岩矿物变形行为
通过对天然变形岩石与实验变形岩石的研究，发现了常见造岩矿物呈现出的共有的显微变形特征，如结晶学定向以及颗粒的细粒化。但是，各种常见造岩矿物在晶体结构、化学成分上的差异，以及所处的变形条件差异极大，表现出了复杂多样的显微变形特征[5]。
方解石容易出现机械双晶，方解石机械双晶由窄变宽与温度有关。方解石的变形过程是由位错滑动到高温蠕变。低温条件下，大理岩中方解石变形行为表现为碎裂及碎裂流动，伴有溶解迁移及双晶化，粗颗粒中发育机械双晶及波状消光，细粒基质中，伴有位错滑移及膨凸重结晶作用。温度增高时膨凸重结晶作用增强。白云石在中高温条件下发育f{02■1}双晶，在中低温条件下主要沿底面c滑移，低温下不出现双晶。
石英晶体内部各个不同滑移系的启动受温度环境直接影响，进而影响着矿物颗粒的流动性。在较低温条件下（300～400℃），石英以底面（c）上的位错滑移和攀移占主导地位。在中温条件下（400～500℃），位错蠕变为主导变形机制，柱面滑移m成为重要的滑移系。在高温条件下（500～700℃），颗粒边界迁移重结晶作用占主导地位。温度大于700℃时，石英新晶粒单晶边界常呈树叶状，颗粒大小不等，或形成长条状单晶。
长石族矿物广泛产出于各种成因的岩石中，约占地壳总体积的60%，总重量的50%。是十分重要的造岩矿物。在中低级变质条件下（400～500℃），长石出现位错滑移，并可见波状消光、弯曲双晶、扭折带、变形带。在中级变质条件下（450～600℃），长石出现位错攀移以及亚晶粒旋转动态重结晶作用，发育核幔构造。高级变质条件下（>600℃），长石出现位错攀移及恢复作用，以亚晶粒旋转重结晶作用为主。超高温条件下（>850℃），长石开始出现颗粒边界迁移重结晶。
各类云母的主要显微构造是扭折，其在大小、数量、方位和形状方面非常易变，在低温（300～500℃）时，扭折是大量且狭窄的，与缩短方向成高角度相交；在高温（600～700℃）时，扭折发育较少且较宽，与缩短方向成低角度相交；压力低时扭折带宽，压力大时扭折带变窄。在天然变形的云母中，可见两种特殊的变形现象：击像和压像。
角闪石、辉石的变形行为主要表现为细粒化、扭折、机械双晶等变形，其中以细粒化最为常见。在低温条件下角闪石易发生退变质作用，在高温作用下易脱水进变为辉石。在后期退变质过程中，角闪石和辉石常常退变为黑云母和绿泥石。
橄榄石是上地幔分布最为广泛的主要矿物，其变形行为及蠕变特征在很大的程度上可以代表上地幔的流变学特征。在700～1000℃时，变形的橄榄石残晶具有强烈的波状消光、扭折带、变形纹和亚晶粒边界。中高温条件下（大于1000℃），变形机制以位错蠕变为主，也即出现了回复作用，光学上不再出现变形纹，以亚晶粒构造和扭折带为主，在颗粒边缘开始出现动态重结晶作用，形成核幔构造[6]。
2 显微构造研究进展
2.1 显微构造在地质学中的应用
目前应用显微构造分析来解决实际地质问题已经越来越广泛。对显微构造的详细研究和分析，为进一步探讨构造地质学以及地质学中的各种根本问题提供了依据。主要包括应力分析、应变分析及变形温压条件分析、变形过程及变形历史分析[11]。
利用显微构造进行的应力分析主要包括应力方位、运动方向及应力大小估算。推导主应力方位的主要方法有显微裂隙、石英变形页理、压力影、残斑系、压溶缝合线、微裂隙填充物等。估算古应力值大小的主要方法有位错密度法、亚晶粒法、动态重结晶新晶粒法、方解石机械双晶法、矿物光轴角法等。
利用显微构造与应变的关系，可以分析岩石或矿物变形时应变量的大小、应变速率和应变的方式等。
温度和压力是影响岩石和矿物变形的重要因素。可以根据矿物特定的变形现象来大致分析其变形时的温压条件，主要方法有石英变形纹法、扭折、变形矿物的动力重结晶、矿物的活动滑移系法、组构优选方位等。
对一个地区的变形，无论是脆性或是韧性，深变质或是浅变质，详细的显微构造分析对正确认识该地区的变形过程和演化历史都具有重要的意义。通过对不同显微构造的分析，可以再现岩石从弱到强的变形过程、岩石面理的形成及变化、纤维矿物的生长顺序和发育过程，确定主应变方向的变化过程等。
显微构造在地质学中的最新应用进展：
显微构造研究方法与遥感技术相结合的构造研究有了一定的进展。研究证明，区域构造、小型构造以及显微构造在一种变形机制下形成，存在高度相关的内在成因联系，因此在运动学和几何学上具有相似性[12]。因此，区域构造或小型构造的研究可以应用显微构造的研究方法。
利用显微构造的研究方法，借助遥感技术可以对剪切带进行构造运动学研究，包括剪切带运动指向分析、剪切带位移量估算、剪切带的应变分析等[13]。
遥感技术与显微技术相结合是一种实用的新型构造研究方法，也是遥感地质的发展方向，随着显微构造观测手段与遥感技术研究的不断深入，以及与岩石学等其他学科的交叉研究，可能在构造作用与成矿作用的关系、提高矿产预测成功率等方面开拓新的研究领域。
2.2 显微构造分析技术与方法
2.2.1 显微构造基本分析技术与方法
阴极发光分析技术是表述岩石学特征的一种常规技术。矿物具有阴极发光性主要在于晶体内部存在各种缺陷，在缺陷位置上常常有杂质元素粒子存在。矿物的发光性表现在发光色和发光强度两个方面，由于矿物的发光性随着矿物种类及矿物内微量元素的含量变化儿不同，所以阴极发光分析技术可以用以确定不同的矿物类型和成因。此外，阴极发光分析技术在岩石学、石油地质学和油气勘探研究中也有广泛的应用。
阴极发光技术在矿物学和岩石学研究中因为其对矿物化学成分变化的高灵敏度而有极大的用处，但是阴极发光技术的图像解释比较复杂。利用扫描电子显微镜（SEM）阴极发光的光谱成像模式，并结合同时获得的X-射线组合映射，通过允许光谱特征的分离和元素成分的相关性来扩展相关技术。运用这一技术并结合多元统计分析，可以显著增加阴极发光技术的有效性。
20世纪70年代后，电子显微镜分析技术在地质学以及构造地质学中的应用有了突破性的进展，重新认识了众多构造带内变质构造岩，尤其是糜棱岩的成因。
透射电子显微镜（TEM）广泛应用与观察和确定位错构造的特点。观察位错的基本类型、组合、形态和分布规律；阐述矿物颗粒的主要变形机制、岩石流变学状态与构造岩的成因；结合变形条件阐述矿物蠕变的基本规律。投射电子显微镜的选取电子衍射可以得到准确的晶格参数[14]。
扫描电子显微镜（SEM）是显微构造分析的有效手段。目前的研究方面有：微区成分分析；微细矿物颗粒内部成分结构与变化规律，颗粒的三维形态特点；SEM阴极发光技术分析变形结构的显微特点，用以探讨岩石变形的变形过程与微观机制。
EBSD即电子背散射衍射。EBSD技术可以更快速的获取数据，为开展岩石显微构造、矿物塑性变形机制、矿物相鉴定、晶粒尺寸测量等的研究提供了技术和数据的支撑[15]。并且使显微构造与晶格结构建立了直接的联系，为准确快速地测定样品的晶体形态、晶格方位、晶体颗粒属性等提供了强有力的手段[16]。
EBSD技术在显微构造学的广泛应用，使岩石变形机制与岩石圈流变学研究以及岩石显微构造分析和研究得到了飞速的发展和突破，显微构造与组构分析进入一个新的阶段。
利用X-射线CT扫描对地质样品内部结构的研究目前包括：岩石内孔隙的形态特征及贯通性；未固结堆积物及软岩石结构研究；古生物化石形态结构研究等。此外，可以结合阴极发光光谱成像和波长色散X-射线对矿物进行分析[17]。
2.2.2 显微构造分析技术与方法最新研究进展
① 图像拼接技术
图像拼接技术（Image Mosaic Technology）已经被应用于了显微构造图像的分析处理。该技术是将两幅或多幅来自相同场景、具有重叠区域的小尺寸图像合并成为一幅大尺寸的高质量图像[18]。
图像拼接技术应用于显微构造图像的分析处理，不进拓宽了显微构造图像的视图范围，并且准确解释了岩石宏观力学性质[19]。
②数据约束建模（DCM）
对于阐述土壤和岩石等多孔材料的特征，X射线成像是一种非常实用并且应用广泛的方法，在石油、天然气的储集层岩石的孔隙结构和运输性质具有很高的利用价值，但是其具有分析相对缓慢和昂贵的缺点。
一种数据约束建模（DCM）预测油气储层砂岩石英和高岭石显微构造的可行性虚拟实验已经完成，其目的是为了直接解决矿物相和孔隙的特征。Y.S. Yang等使用具有石英和方解石成分的人工标准化岩石样品，尝试利用数据约束建模（DCM）预测显微构造成分的特征[20]，并使用具有基于同步加速器X射线CT的实验设备来获取数据。数据约束建模（DCM）方法为常规方法仪器检测异构孔隙分辨率过低提供了一种有效的代替手段
此外，很多学者在显微构造分析方法上进行了深入的探索和研究。如建立数字高程模型来探讨显微构造的细观力学参数对岩石压缩和拉伸破坏过程的影响；聚焦离子束（FIB）结合扫描电子显微镜（SEM）和投射电子显微镜（TEM）也被证明是在纳米尺度下研究显微构造的一种有效手段[21-23]。
刘贵等人对在高温高压条件下石英闪长岩的显微构造进行了分析研究，认识到在低温条件下（650℃），岩石处于脆性塑性转化域，石英和黑云母以位错滑移为主，而长石以脆性变形为主。在850～900℃时，岩石以位错蠕变为主。在高温条件下（950～1000℃）位错攀移和动态重结晶作用则占主导地位。同时还发现，随机分布的斜长石不会对岩石强度造成明显影响，但是斜长石的长轴方向与最大主应力方向呈大角度相交时（ 近 90°），岩石强度会有显著的强化，这表明岩石组构与主应力方向呈垂直方向或大角度相交时，岩石变形和拆离断层的不易形成[24]。
3 结语与展望
与相关学科理论与技术上的结合促使了近年来显微构造研究的迅猛发展，显微构造学已经成为构造地质学乃至地质学研究的重要内容，显微构造分析解决实际地质问题的应用也更加广泛。随着显微构造分析技术和方法的不断更新与丰富以及与其他学科的交叉和融合，显微构造研究在地质学研究中的基础作用与应用将更加深入和广泛。
在某些方面的研究中，如石英的变形机制及其转变，以及角闪石的天然变形研究和数据资料还存在很多尚未解决的问题，需要更加完善的手段和技术来解决其中的困难，这也将是显微构造研究中需要重点解决的问题。
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