顯微構造學

岩石的顯微構造為岩石成因與演化研究提供了最基礎的、也是最確切的信息。在不同的應用領域顯微構造的研究內容有著顯著的差異。

在岩石學中，岩石的基本結構與構造類型提供了岩石成因的基本信息。從三大岩類岩石的鑒別、各類岩石基本類型的劃分，岩石的顯微構造（含結構）總是最為直接的依據。在變形構造分析中，顯微構造分析直接應用於岩石流變學研究、變形階段的劃分、變形過程分析。在斷層運動學、動力學研究中，顯微構造已經成為不可或缺的重要標誌。不同變形條件下經過不同的變形機制形成的構造（如褶皺或斷裂等）、同一構造的不同部位，往往具有不同的顯微構造表現。顯微構造分析是現代熱年代學分析的基礎工作，激光微區Ar-Ar測年分析、Shrimp測年分析意義的凸現，在於顯微構造分析幫助闡明了定年目標礦物的成因。造山帶動力學演化過程（PTt分析）的基礎，在於自Zwart建立的變質岩中變形殘斑與基質關係的研究以及近年來廣泛開展的變形與變質階段劃分、變形-變質作用關係研究工作。顯微構造學研究岩石與礦物的流動機制，結合開展的岩石流變學分析與研究成為後板塊構造時期構造地質學與大地構造學研究工作的重要途徑。它將成為岩石圈結構分析、岩石圈流動性分析以及建立岩石圈動力學與流變學模型的重要依據。岩石微觀破裂機制分析，斷層泥的顯微結構分析以及斷層穩定性研究，為地震活動性研究，闡明地震成因機制，以及開展有效的地震預報與監測提供了重要的依據。此外，近期的顯微構造分析，石油地質、煤層氣地質分析、在工程地質（地基穩定性分析）、建築材料研究與古迹保護研究等方面有著越來越多的應用。

顯微構造分析包括涉及岩石顯微構造（包括原生與次生）有關的不同方面，因此，不同的應用領域有著不同（但相近）涵義。《顯微構造學》涉及的主要是利用顯微和亞微技術進行的變形（變質）岩石中顯微組分的排列規律、發育過程的分析與研究。

顯微構造的研究主要開始於上世紀初。在19世紀末及20世紀初，美國等國的一些科學家已經注意到了微觀構造現象。上世紀30年代，顯微構造的研究先驅奧地利學者Sander出版了《岩石的組構學》一書，研究了岩石中礦物結晶優選方位及其與應力間的關係，闡述了幾何對稱分析方法和運動學關係的解釋原則，揭示了岩石的變形特徵和變形規律。此後，帶動了一批岩石學家從事天然變形岩石組構的分析和研究，如美國學者Knopf（1933，1938）和 Fairbain（1949），分別介紹了“岩石構造學”（petrotectonics）和“構造岩石學”（structural petrology）的顯微組構分析方法，使岩組學及顯微構造研究得到了很快的發展，也為顯微構造地質學作為一門獨立學科奠定了基礎。

實驗岩石變形研究在正演岩石流動過程與顯微構造演化方面起了積極的促進作用。Turner（1953）首先開創了利用人工合成和天然材料的礦物變形實驗研究，將礦物變形與應力狀態變化聯繫起來的研究方向。Turner和Weiss (1963) 《變質構造岩的構造分析》一書，系統地提出了礦物變形的運動學和動力學分析的思路與方法，指出其可適用於各種尺度的構造分析，奠定了現代岩石變形實驗研究的重要基礎。這也是顯微構造發展史上第二次重要的總結。

60年代中期以來，隨著新理論（位錯理論和流變學理論等）及新技術（X光岩組、透射電子顯微鏡、電子計算機等）的引入，使得對岩石、礦物變形研究不斷完善，以及國際間廣泛的合作和交流，使顯微構造研究無論在深度、廣度上，還是在應用範圍上都得到了快速發展。《變質反應與顯微構造》（Vernon，1974）、《變質岩的晶質塑性和固態流變》（Nicolas and Poirier，1976）等著作，應用位錯理論和流變學闡述岩石變形與流動過程，對於不同礦物和岩石的塑性流變作了較全面的論述。標誌著位錯理論在岩石和礦物變形研究中的成功運用。可以說是顯微構造發展史上的第三次重要的總結。

《變形岩石和金屬的優選方位》（Wenk, 1985）,《Creep of Crystals》（Poirier，1985）以及上一世紀80年代以來召開的幾次重要國際性學術會議對於顯微構造與組構分析的研究工作進行了系統的總結，取得了豐碩的成果。

近代對於顯微構造的研究工作，以Passchier（1996，2003）和Vernon（2004）著作的出版為標誌，已經突破了傳統顯微構造研究中限於微觀與亞微觀尺度上對於顯微構造幾何學和運動學的研究工作，將顯微構造研究與變質作用、岩漿活動與流體活動等的研究密切結合，尤其注重中下地殼乃至上地幔等部同深度和不同構造環境中岩石的力學與流變學特點及其顯微構造表現，為造山帶演化、區域地球動力學過程討論等方面的研究工作奠定了堅實的基礎。

顯微構造學的發展與科學技術的進步具有廣義的同步性，正是由於科學技術的進步促進了顯微構造學由宏觀描述向定量研究發生了質的轉變。最初開展顯微構造分析與研究，人們更多地依賴利用羅盤測量和統計各種大型線理和葉理的產狀；早年開展的顯微構造分析研究，主要依賴於利用光學顯微鏡開展定性分析與研究，顯微鏡技術的應用使得人們得以從手標本尺度研究深入到顯微尺度。這方面的研究工作迄今一直是開展顯微構造分析的基礎工作。費氏台（或旋轉檯，Universal stage）的發明使得利用顯微鏡開展統計和測量岩石中組成礦物晶體的定向性（或優選）成為可能，使得顯微構造分析向定量方向邁進了一步。對於主要造岩礦物石英、方解石和橄欖石，開展了大量的研究，充分闡明了不同礦物所具有的滑移系，以及結晶學c軸的優選型式。電子顯微鏡技術的誕生與應用，使得對於顯微構造分析進入微米甚至納米尺度。電子顯微鏡技術為開展微區內礦物晶體的表現與結構型式，揭示變形礦物的流動機制與流變學表現提供了技術保障。近年掃描電子顯微鏡基礎上發展的EBSD技術，為使得深入研究亞微區域內（微米尺度）晶格的優選與定向型式成為可能。透射電子顯微鏡技術與金屬學位錯理論在變形岩石顯微構造與流動機制研究中的廣泛應用，為闡明岩石的蠕變規律以及岩石流動機制與變形環境之間的關係提供了可靠的技術支持與理論基礎。

顯微構造的形成與演化是依賴於包括溫度（T）、壓力（P）、應變速率（e，加上點）和流體活動性（fH2O-CO2）等變數參數的函數。在顯微構造分析中需要注意的關鍵問題，一方面在於我們所觀察到的顯微構造現象往往是複雜變形演化的岩石所保留下來的最終產物，同一種顯微構造現象在不同的變形條件下可以通過種不同的過程實現；另一方面，不同類型顯微構造的形成往往受其形成時複雜的變形環境制約。因此，能否正確地分析和鑒別顯微構造現象、分析顯微構造形成條件與演化的過程，一直是顯微構造分析與研究工作的關鍵。

顯微構造分析的基本過程包括三個方面：

1）地質背景分析：區域地質背景分析是顯微構造分析的基礎，開展系統的地質背景分析，了解區域地質構造演化特點與規律、顯微構造發育的產狀是作為顯微構造分析的前提條件。區域背景分析還需要了解顯微構造發育的構造部位及恢復的局部應力場狀況。

2）野外構造測量與產狀分析：採取系統的顯微構造分析樣品之前，需要對於區域性和局部性的主要構造現象進行宏觀分析和產狀測量，包括對於葉理與線理的識別及其產狀的確定，確定剪切運動指向 (Hobbs, Means & Williams 1976；Passchier, & Trouw, 1996)。然後採取定向或非定向標本。

3）室內分析：包括觀察（顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和陰極發光顯微鏡觀察分析）、測量（旋轉檯、透射電子顯微鏡、EBSD等）、定量分析（晶格優選-CPO、形態優選、顆粒粒度分析等）和實驗研究（岩石力學與流變學實驗、數字模擬研究等）。