岩石变形与造山过程的观测、量化与模拟：DRT-2024会议专辑前言

《Journal of Structural Geology》：Observation, Quantification and Simulation of Rock Deformation and Mountain Building Processes

　　

岩石变形涉及从晶格缺陷的原子尺度重排到岩石圈板块碰撞的多种过程。理解岩石如何流动、断裂系统如何成核与生长、山脉如何形成与演化，是构造地质学与大地构造学的核心目标。解决这些问题需要野外观察、实验室实验、微观结构分析以及数值和类比模拟的结合。这种跨学科方法定义了变形、流变学与构造学（DRT）学术群体及相关会议系列的主旨。两年一届的DRT会议自1976年以来持续举办，为构造地质学、大地构造学、岩石流变学、微观结构、岩石物理学以及变形、地质流体与矿物反应之间相互作用的研究提供国际论坛。第24届DRT会议（DRT-2024）于2024年7月9日至11日在西班牙巴塞罗那举行，由巴塞罗那地球科学研究所（GEO3BCN-CSIC）、巴塞罗那大学地球科学学院、巴塞罗那自治大学地质学系和DRT学会联合组织。会议汇集了来自20个国家机构的106名参会者。会议设置了八个主题分会，涵盖微观构造学、岩石与冰的流变学和岩石物理性质（S1）；数值与类比模拟（S2）；大尺度大地构造学与构造地质学（S3）；盐构造（S4）；构造与地表过程及新构造的相互作用（S5）；构造、地质流体与矿物反应（S6）；能源转型中的构造地质学与地球物理学（S7）；以及虚拟构造地质学（S8）。会议日程还包括关于地质解释不确定性的会前研讨会和南比利牛斯褶皱带的野外考察，将野外地质与方法创新相结合。本期《构造地质学杂志》专辑呈现了DRT-2024科学议程中的原创研究贡献。这些贡献按四个主题组组织：（1）剪切带发育、应变局部化与地壳尺度变形；（2）从韧性到脆性域的变形机制、流体、应力与流变学；（3）晶体优选方位、实验变形与数值模拟；（4）数字地质数据集与大尺度地球动力学可观测量。这些贡献突出了该学科跨尺度和方法论的前沿。在韧性到半脆性地壳中，变形如何以及为何局部化到剪切带中是当前构造地质学与大地构造学争论的问题之一。流变弱化、流体进入、继承性组构和岩性差异的相对重要性仍存争议。本卷的五篇贡献从不同背景和地壳层次探讨这一主题，展示了从单个颗粒集合体到造山带尺度运动学背景的局部化过程的多尺度层级。在中地壳层次，Carpenter等（2025）研究了苏格兰西北部的Upper Badcall剪切带，这是一个100米宽的角闪岩相构造，变形了最初无水的石英-长石质片麻岩和镁铁质岩墙。他们的野外工作、微观结构分析和矿物化学表明，随着应变增加，变形分布和矿物化学逐渐均匀化，同时含水相和同构造石英脉增多。该研究的相关性在于识别出溶解-沉淀蠕变在高应变下是长英质和镁铁质岩性中的主导变形机制。脆性破裂现保存为石英脉，促进了流体渗入先前无水中地壳，增强了退变质反应并激活了晶界弱化。结果表明溶解-沉淀蠕变在中下地壳剪切带中可能比假设的更广泛，对地震循环期间的瞬态弱化具有重要意义。Flores和Tikoff（2026）通过对加拿大魁北克Morin斜长岩的野外和微观结构研究，探讨了下地壳条件下的渐进应变局部化。Morin剪切带通过一系列组构使斜长岩变形，从原岩到强度递增的成分条带状构造岩。斜长石的电子背散射衍射（EBSD）分析表明晶粒尺寸减小、明显的形状优选方位以及随着组构强度增加晶体优选方位的系统演化，而石英中Ti温度计揭示了记录的变形温度从原岩域的约720°C降至最强发育组构的630°C。这些温度和组构关系被解释为Grenville造山运动期间渐进应变局部化的记录，从高温下广泛分布的变形到包围低应变块体的高应变带网状结构。作者还讨论了辉石含量变化如何影响组构发育和应变分配。Ahmed等（2026）的贡献将剪切带成核和演化的分析扩展到伸展中地壳环境，研究了阿拉伯-努比亚地盾中埃及东部沙漠的Abu Markhat花岗岩类。EBSD微观结构和矿物化学分析显示从变花岗岩和初糜棱岩中的位错蠕变和微破裂过渡到超糜棱岩中的晶界滑移和溶解-沉淀蠕变。这种转变由同运动长石质置换反应驱动，产生细粒斜长石和钾长石集合体。指示性差应力从55 MPa增加到120 MPa向角闪岩接触带方向，表明该边界的应力集中对剪切带成核起了一阶作用。推断的变形温度范围狭窄和高应变速率表明了一次短命的造山带平行伸展事件。Moreno-Martín等（2025）通过分析伊比利亚地块中伊比利亚带的Ca?amares剪切带来探讨地壳尺度运动学。该构造是华力西变形第三阶段（D3，约318–300 Ma）发育的右旋压扭带，随后在二叠纪和阿尔卑斯构造期间被改造。通过详细构造分析和压扭运动学模型的应用，作者得出结论变形发生在以简单剪切为主的单斜到微三斜流动体制下（Wk > 0.81）。他们的结果还约束了相邻构造块体之间的汇聚方向。后来的阿尔卑斯褶皱使华力西剪切带原始方位的重建复杂化。Sen等（2025）在Bhagirathi谷对喜马拉雅变质核进行了石英微观结构和晶体优选方位（CPO）分析，表明低温动态重结晶叠加在早期高温变形特征之上。石英CPO以柱面滑移为主，而运动学涡度分析表明Jhala正断层和主中央逆冲带以简单剪切为主，与主中央逆冲带下盘和大喜马拉雅序列中部的纯剪切主导变形形成对比。作者将折返解释为涉及变质核上部的伸展断层作用和快速侵蚀，伴随逆冲向南部边缘传播及其下部的顺序剪切，补偿了喜马拉雅造山楔锥角的变化。第二主题组的贡献涉及从深部地壳晶体塑性流动到同震破裂的不同变形体制，重点关注机制变化、流体存在、应力配置和矿物组成如何影响岩石的流变行为。本节由六篇贡献组成，借鉴了澳大利亚、韩国、挪威、南极洲和法国的天然实例以及裂缝网络几何的数字分析。Johnston等（2025）通过研究澳大利亚昆士兰Mount Isa Inlier东部褶皱带中变形变质浊积岩序列探讨了多相岩石的流变学。他们观察到石英-长石域之间强烈的应变分配，其中变形主要由石英位错蠕变调节，以及层位上更高的富层状硅酸盐域，其中较高应变主要由溶解-沉淀蠕变和晶界滑移调节。交叉石英脉的偏转被用于量化剪切应变和相对应变速率，而X射线衍射分析约束了浊积岩序列中矿物含量的变化。他们的定量模型表明层状多相岩石的总体变形取决于粘度对比和矿物学上不同域的相对厚度，为估算天然变形多相岩石的流变行为提供了方法。Han等（2025）通过韩国Cheongsong钙硅酸盐岩石中石榴石微观结构研究了流体在驱动变质反应中的作用，这些反应改变变形机制并改变岩石流变学。识别出三种石榴石类型：（1）在优选位置通过成核和合并形成的簇；（2）显示位错蠕变强烈变形的石榴石；（3）含破裂残影的化学环带石榴石，部分溶解并被富铁石榴石置换。石英c轴开角给出708-741 ± 50°C的温度，尽管作者在考虑富水条件和矿物组合时倾向于约650–700°C。这项研究表明如何利用石榴石来理解变质地体中流体辅助变形的力学和化学历史。van Schrojenstein Lantman等（2025）使用高角分辨率EBSD（HR-EBSD）绘制挪威Lofoten群岛假玄武玻璃中透辉石的残余应力非均质性，探测了应力谱的极端端元——下地壳深度的地震破裂。假玄武玻璃记录了650-750°C和0.8 GPa下干下地壳的地震破裂。透辉石中面内正应力非均质性范围约为200至800 MPa，并向假玄武玻璃内部系统增加。同震裂缝截断机械双晶、晶格起伏和残余应力模式，表明局部滑动前的应力积累。作者将强烈局部化的残余应力非均质性解释为地震破裂传播期间变形的记录。东南极洲Napier杂岩是地球上麻粒岩相变质作用最极端的例子之一，为Murayama等（2026）的贡献提供了背景，他们研究了地震和流体辅助过程在这个太古代地体下地壳变形中的作用。含假玄武玻璃的退变质剪切带的微观结构和岩石学观察记录了反复的地震破裂、应力循环和从麻粒岩相到角闪岩相条件的流体辅助反应。变形和未变形的假玄武玻璃记录了Riiser-Larsen主剪切带中反复的脆性破裂和韧性叠加。角闪石对辉石的置换和溶解-转移缝表明高温剪切后的流体辅助变形。从晶体到中尺度和脆性域，Zeboudj等（2025）整合了构造分析、U-Pb方解石地质年代学和古应力反演，以重建法国东南部褶皱-逆冲带Mirabeau背斜发育期间的序列、持续时间、速率和应力演化。断层、脉和缝合线相关阶步中方解石的U-Pb定年将褶皱相关变形序列约束在约50–37 Ma。将恢复的缩短量与褶皱生长年龄相结合得出约0.6 mm/yr的速率。重建表明从层平行缩短经褶皱生长到晚期褶皱收紧的多阶段但连续的变形序列，古应力方向和大小逐渐演化。这种多代理方法将绝对地质年代学与经典构造分析和方解石双晶古应力反演相结合，超越了基于纯几何模型的经典褶皱-裂缝研究，走向定量的时间和力学重建。Rai等（2026）使用灰度共生矩阵（GLCM），一种二阶统计方法，量化天然和合成裂缝图案中的各向异性。他们将得到的纹理各向异性与通过数值流体流动模拟估算的渗透率各向异性进行比较。在测试数据集中获得的结果表明，基于熵的各向异性是渗透率各向异性的最强预测因子。该方法在储层表征、水文地质建模和地热研究中具有潜在应用。第三组贡献探讨如何通过数值模拟和实验再现晶体优选方位，以理解从上部地幔到俯冲板片的地质背景中变形的物理条件和运动学。Yu等（2025）采用全场VPFFT-ELLE数值方法模拟橄榄石多晶集合体在复杂多阶段变形序列中的动态重结晶和微观结构演化。测试了连续纯剪切和简单剪切运动学设置的四种组合，以检验继承性CPO如何影响后续变形阶段。在大多数情况下，仅ε ≈ 0.3–0.6的较小应变增量就足以替换预先存在的微观结构和CPO。然而，当拉伸方向在阶段之间正交变化（90°）时，新发育的CPO显著减弱，应变分配在向新变形条件过渡期间发生变化。P波各向异性在整个模拟中随CPO强度增加，揭示具有多相变形历史的岩石中的CPO图案可能不直接记录最新的流动方向。Choi等（2025）通过对加利福尼亚Diablo Range天然硬柱石蓝片岩进行高压（1.0-2.5 GPa）和低温（230-400°C）一般剪切变形实验，研究了冷俯冲洋壳中晶体优选方位的发育。他们记录了随着剪切应变增加（γ = 1.1至4.0）从A型硬柱石CPO（[010]亚平行于剪切方向）到B型CPO（[100]亚平行于剪切方向）的转变，而蓝闪石保持单一CPO图案。这些组构的发育被解释为由碎裂流动和刚体旋转驱动，伴有少量位错活动，为解释俯冲带地震各向异性提供了关键约束。最后一篇贡献考察大陆地质数据集如何约束大尺度地球动力学过程。Vilacís等（2026）通过比较人工和数字方法提取中国地质间断，使用沉积记录中的间隙作为地幔驱动动态地形的代理，探讨了大尺度地球动力学观测。他们的结果表明数字处理大幅减少了间断数据收集和处理所需时间，从数周降至数天，而人工方法对于纳入地下信息（如钻孔和地层数据）仍然至关重要，从而减少仅地表观测相关的不确定性。作者得出结论，结合数字提取与人工精炼的混合工作流程提供了最稳健的结果，并强调需要标准化数字地质数据库以促进地球动力学研究和跨学科合作。本期专辑收录的贡献展示了构造地质学和大地构造学的若干重要进展。第一，多尺度整合现在是构造地质学的核心：贡献结合了颗粒尺度应力测量、露头尺度构造填图和造山带尺度运动学分析，表明当前方法可以连接广泛尺度范围内的变形过程。第二，若干贡献表明流体渗入如何改变变形机制并促进应变局部化。在多项贡献中，流体被发现对剪切带成核、溶解-沉淀蠕变的激活、同运动反应的触发以及造山地壳的长期力学演化起关键作用。第三，变形的瞬态和多相性质是解释的挑战，无论表现为橄榄石中叠加CPO组构、伊比利亚地块中多相剪切带重新激活，还是干下地壳破裂传播期间的局部化应力积累。微观结构保存了变形的继承阶段，理解连续的叠加需要互补方法，包括野外观察、实验室分析和模拟。这种跨学科方法是DRT社区的核心。更深入地理解岩石如何变形、与流体相互作用以及控制沉积盆地、造山带和岩石圈的形成与演化，其意义远超学术研究。正如本期专辑范围所阐述的，这种知识对于预测地下岩石行为和确保矿产及清洁能源资源的安全可持续开采至关重要。能源转型是DRT-2024的主题之一，需要改进地下变形表征以服务于地热能、碳捕集与封存、氢储存和关键矿产开采。本期专辑的贡献结合野外观察、实验和模拟方法，以更好地表征与这些应用相关的岩石变形。

本期《构造地质学杂志》专辑源自2024年7月在西班牙巴塞罗那召开的第24届变形机制、流变学与构造学国际会议（DRT-2024），汇集了会议科学议程中的原创研究贡献。构造地质学与大地构造学的核心目标是理解岩石如何流动、断裂系统如何成核与生长、山脉如何形成与演化，解决这些问题需要野外观察、实验室实验、微观结构分析以及数值和类比模拟的跨学科结合。目前，韧性到半脆性地壳中变形局部化的机制仍存争议，流变弱化、流体进入、继承性组构和岩性差异的相对重要性尚待厘清；变形的瞬态和多相性质对解释构成挑战；地下岩石行为的表征对能源转型相关应用日益重要。在此背景下，研究人员组织了本期专辑，按四个主题组呈现相关研究：（1）剪切带发育、应变局部化与地壳尺度变形；（2）从韧性到脆性域的变形机制、流体、应力与流变学；（3）晶体优选方位、实验变形与数值模拟；（4）数字地质数据集与大尺度地球动力学可观测量。研究得出结论：多尺度整合已成为构造地质学的核心，当前方法能够连接颗粒尺度至造山带尺度的变形过程；流体渗入通过促进剪切带成核、激活溶解-沉淀蠕变、触发同运动反应等方式改变变形机制并促进应变局部化；变形的瞬态和多相性质要求野外观察、实验室分析与模拟的互补方法；相关认识对预测地下岩石行为及地热能、碳捕集与封存、氢储存和关键矿产开采等应用具有重要意义。为开展研究，各贡献采用的主要关键技术方法包括：野外构造观察与填图、微观结构分析（含电子背散射衍射EBSD与高角分辨率EBSD）、矿物化学分析、X射线衍射分析、石英c轴组构与Ti-in-quartz温度计、U-Pb方解石地质年代学、古应力反演、高温高压变形实验、全场VPFFT-ELLE数值模拟、灰度共生矩阵（GLCM）纹理分析及数值流体流动模拟；部分研究使用了中国 sedimentary record 间断数据等地质数据集。研究结果如下：在剪切带发育、应变局部化与地壳尺度变形方面，Carpenter等（2025）通过野外工作、微观结构分析和矿物化学发现Upper Badcall剪切带中溶解-沉淀蠕变为高应变下长英质和镁铁质岩性的主导变形机制，脆性破裂化石化为石英脉促进流体渗入无水地壳；Flores和Tikoff（2026）通过EBSD和Ti-in-quartz温度计发现Morin斜长岩随组构强度增加记录变形温度从约720°C降至630°C，解释为Grenville造山期间渐进应变局部化；Ahmed等（2026）通过EBSD和矿物化学揭示Abu Markhat花岗岩类从位错蠕变向晶界滑移和溶解-沉淀蠕变过渡，差应力从55增至120 MPa，指示短命造山带平行伸展；Moreno-Martín等（2025）通过构造分析和压扭运动学模型确定Ca?amares剪切带在单斜到微三斜流动体制下以简单剪切为主（Wk > 0.81）；Sen等（2025）通过石英CPO分析表明喜马拉雅变质核低温动态重结晶叠加高温变形，折返涉及伸展断层和快速侵蚀与逆冲传播。在变形机制、流体、应力与流变学方面，Johnston等（2025）通过微观结构观察和X射线衍射建立多相岩石总体变形取决于粘度对比和域厚度的定量模型；Han等（2025）通过石榴石微观结构识别三种石榴石类型，揭示流体辅助变形的力学与化学历史；van Schrojenstein Lantman等（2025）通过HR-EBSD发现透辉石面内正应力非均质性约200至800 MPa并向假玄武玻璃增加，解释为地震破裂传播期间的应力记录；Murayama等（2026）通过微观结构和岩石学观察记录Napier杂岩反复地震破裂与流体辅助反应；Zeboudj等（2025）通过构造分析、U-Pb方解石定年和古应力反演约束Mirabeau背斜变形序列约50–37 Ma、速率约0.6 mm/yr；Rai等（2026）通过GLCM分析表明基于熵的各向异性是渗透率各向异性的最强预测因子。在晶体优选方位、实验变形与数值模拟方面，Yu等（2025）通过VPFFT-ELLE模拟发现多数情况下ε ≈ 0.3–0.6即可替换原有CPO，但正交方向变化时新CPO显著减弱，CPO图案可能不直接记录最新流动方向；Choi等（2025）通过高压低温剪切实验记录硬柱石CPO从A型向B型转变，解释为碎裂流动和刚体旋转驱动。在数字地质数据集与大尺度地球动力学方面，Vilacís等（2026）通过比较人工与数字方法发现数字处理大幅缩短间断数据收集时间，混合工作流程提供最稳健结果。讨论部分总结指出：多尺度整合已成为构造地质学核心；流体在剪切带成核、溶解-沉淀蠕变激活、同运动反应触发和造山地壳长期力学演化中起关键作用；变形的瞬态和多相性质要求野外观察、实验室分析与模拟的互补方法；对岩石变形与流体相互作用的理解对预测地下岩石行为和能源转型相关应用具有重要意义。研究结论部分译为：本期专辑收录的贡献展示了构造地质学和大地构造学的若干重要进展。第一，多尺度整合现在是构造地质学的核心，贡献结合颗粒尺度应力测量、露头尺度构造填图和造山带尺度运动学分析，表明当前方法可以连接广泛尺度范围内的变形过程。第二，若干贡献表明流体渗入如何改变变形机制并促进应变局部化，流体对剪切带成核、溶解-沉淀蠕变的激活、同运动反应的触发以及造山地壳的长期力学演化起关键作用。第三，变形的瞬态和多相性质是解释的挑战，微观结构保存了变形的继承阶段，理解连续的叠加需要包括野外观察、实验室分析和模拟的互补方法。更深入地理解岩石如何变形、与流体相互作用以及控制沉积盆地、造山带和岩石圈的形成与演化，其意义远超学术研究，对预测地下岩石行为和确保矿产及清洁能源资源的安全可持续开采至关重要；能源转型需要改进地下变形表征以服务于地热能、碳捕集与封存、氢储存和关键矿产开采。