地質(zhì)地球所提出巖石圈液壓致裂的新動(dòng)力學(xué)理論

　　液壓致裂是彈性巖石圈中巖漿遷移與侵位的構(gòu)造基礎(chǔ)，也是變質(zhì)流體遷移與脈狀-網(wǎng)脈狀礦體形成的構(gòu)造基礎(chǔ)。液壓破裂形成機(jī)制的研究包括形成動(dòng)力來源與破裂機(jī)制兩方面。目前，關(guān)于液壓致裂的動(dòng)力來源有許多力學(xué)模型，例如浮力、巖石熔融過程產(chǎn)生的體積壓力、溫度升高導(dǎo)致的擴(kuò)容、鉀交代作用、沸騰產(chǎn)生的內(nèi)壓與巖漿超壓。但是，有些模型只適用于特定的地質(zhì)條件與背景。關(guān)于液壓致裂的力學(xué)準(zhǔn)則，目前有兩個(gè)模型：（1）當(dāng)流體壓力大于巖石中最小擠壓應(yīng)力與抗張強(qiáng)度之和時(shí)巖石破裂；（2）Hubbert-Willis 模型或水壓致裂模型，其采用加載邊緣應(yīng)力的無限平板中心含內(nèi)壓空洞的力學(xué)模型。然而，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)模型并沒有完全模擬真實(shí)的情況。此外，巖漿超壓的成因也不是很清楚。為此，需要研究與尋找新的普適性的動(dòng)力起源。

　　針對(duì)巖石圈液壓致裂機(jī)制研究存在的問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所固體礦產(chǎn)資源研究室研究員徐興旺與合作者在國家基金重大項(xiàng)目、院創(chuàng)新項(xiàng)目與國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助下，基于流體力學(xué)、彈性力學(xué)與材料力學(xué)的基本理論并結(jié)合長期的野外觀察與研究積累，指出巖石圈中圈閉流體具有承受圍巖的壓力并獲得壓力、傳遞壓力、將壓力反作用于圍巖并產(chǎn)生正向的壓應(yīng)力與環(huán)向的張應(yīng)力等重要的力學(xué)行為屬性，提出了新的液壓致裂動(dòng)力學(xué)理論。

　　他們新提出的液壓致裂動(dòng)力學(xué)理論指出彈性巖石圈中的圈閉液體具有傳遞最大加載擠壓應(yīng)力的屬性。圈閉流體承受圍巖中與最大擠壓應(yīng)力等值的最大壓力，該壓力在液體中傳遞并反作用于圍巖，在巖石－液體的內(nèi)接觸面將該壓力轉(zhuǎn)換為正向的擠壓應(yīng)力與環(huán)向的張應(yīng)力，進(jìn)而形成有效正向壓應(yīng)力與有效環(huán)向張應(yīng)力。當(dāng)有效環(huán)向張應(yīng)力值大于巖石抗張強(qiáng)度時(shí)，巖石破裂。初始液壓致裂發(fā)育于最大擠壓應(yīng)力加載點(diǎn)，并沿垂直于最小有效張性環(huán)向應(yīng)力與最小主應(yīng)力方向生長。估算結(jié)果顯示，在重力體制下由球狀圈閉液體所產(chǎn)生破裂的最小深度為2-6km，而半圓柱狀末端（如巖墻）往上擴(kuò)展的破裂可到達(dá)近地表的位置。

　　新的液壓致裂動(dòng)力學(xué)理論指出當(dāng)兩個(gè)巖漿房被巖墻相連，巖漿與壓力將從高壓力的巖漿房向低壓力的巖漿房遷移與傳遞。停滯的、可能已結(jié)晶分異的中間巖漿房巖漿可從深部源區(qū)巖漿房獲得新的壓力與巖漿補(bǔ)給，進(jìn)而產(chǎn)生新的破裂并推動(dòng)巖漿往上運(yùn)移與侵位。構(gòu)造應(yīng)力可改變應(yīng)力場(chǎng)的狀態(tài)，同時(shí)也改變有效環(huán)向張應(yīng)力的狀態(tài)與液壓破裂的產(chǎn)狀。

　　新提出的液壓致裂動(dòng)力學(xué)理論對(duì)于認(rèn)識(shí)巖石圈演化、巖漿運(yùn)移動(dòng)力學(xué)、破裂機(jī)制與成礦機(jī)理、解釋一些重要而普遍的地質(zhì)現(xiàn)象等方面具有重要的科學(xué)意義，是流體構(gòu)造動(dòng)力學(xué)與地質(zhì)力學(xué)研究的重要進(jìn)展。

　　該研究成果近期發(fā)表在國際構(gòu)造地質(zhì)學(xué)期刊Tectonophysics上（Xu et al. Elastic stress transmission and transformation (ESTT) by confined liquid: A new mechanics for fracture in elastic lithosphere of the earth. Tectonophysics, 2016, 672-673: 129-138）。