第四章变形机制

1、第四章第四章 显微构造变形机制（显微构造变形机制（1） 天然岩石变形行为主要表现为脆性和韧性，以及介于二者之间，即脆性向韧性过渡。 研究方法：依据岩石变形实验结果，与天然变形岩石观察研究。 一、显微破裂和碎裂流动一、显微破裂和碎裂流动 1.显微破裂作用：发生在矿物晶体规模上破裂作用。 从应力应变的角度上看，岩石或矿物在应力作用下，超过强度极限时就会发生破裂。岩石的抗剪强度和抗张强度弱，易于产生这两种裂隙。 宏观上的脆性变形为脆性破裂，从微观角度看主要是微破裂的产生和扩展及有关的碎裂作用。岩石的脆性破坏 验和和然然宏观破裂的主要形式 张裂位移方向垂直于破裂面 剪裂位移方向平行于破裂面库仑剪破裂准

2、则：库仑剪破裂准则：问的的提问的的提岩石岩石实验中破裂面与应力实验中破裂面与应力圆中最大剪应力作用圆中最大剪应力作用面不一致面不一致和然然岩石和然然岩石实际共轭剪裂面夹角实际共轭剪裂面夹角也不是也不是90库仑准则的的核库仑准则的的核剪破裂不仅与剪应力剪破裂不仅与剪应力有关，而且与正应力有关，而且与正应力有关验验式有关验验式 库仑剪破裂准则 表达式：0n 剪破裂发生时的剪应力 0当n时岩石的抗剪强度（又称岩石内聚力）上式式可改写0ntg截距为0的直线方程Griffith理论：材料的强度取决于内部存在的微小裂隙，理论：材料的强度取决于内部存在的微小裂隙，在一组无规则取向的裂隙群中，最容易破坏方向上

3、的裂在一组无规则取向的裂隙群中，最容易破坏方向上的裂隙，其周围任意一点上最大张应力分量达到克服材料原隙，其周围任意一点上最大张应力分量达到克服材料原子间内聚力所需要的临然值时，开始扩展和发生破裂。子间内聚力所需要的临然值时，开始扩展和发生破裂。 显微破裂主要有：晶内破裂、晶间裂隙和穿晶裂隙显微破裂主要有：晶内破裂、晶间裂隙和穿晶裂隙2.碎裂流动碎裂流动 a.定义：碎裂作用使岩石破碎呈细小的碎块，随后这些细小碎块发生了滑移和旋转、产生了连续流动。 b.产物：断层角砾岩、碎裂岩、断层泥 c.碎裂流动特征 （1）在碎裂流动过程中，裂隙和孔隙被从流体中沉淀物质充填，随后充填物发生破碎，造写了角砾写分复

4、杂。 （2）碎裂流动发生在地壳浅部层次上，温度低、应变速率高条件下。 （3）流体促进了岩石破裂。太行山北段中新生代断层岩太行山北段中新生代断层岩碳酸盐岩区碎裂岩系列断层岩典型显微构造特征Typical microstructures of cataclasite series in carbonate rock.a 计鹿村北灰质初碎裂岩(单偏光) ;b 蓬头村北灰质碎裂岩(单偏光)花岗岩岩体区碎裂岩系列断层岩的典型显微构造特征Typical microstructures of cataclasite series in granitic rock.a 大河南岩体赵家蓬调和寺农场附近初碎裂岩(

5、单偏光) ;b 王安镇岩体康家沟村附近碎裂岩(正交偏光)断裂带内断层岩的2 期变形叠加(a) 和3 期变形叠加(b)a 南台石英闪长岩、碎裂岩2 期变形叠加: 早期碎裂岩(基质是碎基和压溶残余物) , 晚期碎裂岩(基质是方解石细脉)(正交偏光) ;b 黄安村北白云岩、碎裂岩3 期变形叠加: 最早期碎裂岩(碎基和压溶残余物胶结) , 、后2 期碎裂岩(充填方解石细脉) , 期的细脉切过期的(单偏光)二、晶内滑移作用二、晶内滑移作用晶内滑动有三种形式：平移滑动、双晶滑移和扭折 1.平移滑动：平移滑动：晶体一部分相对另一部分发生了单位晶格的整数倍滑移。滑动时角剪切应变发生变化,晶格内部质点排列不变.

6、滑动后晶体形态发生可变,结晶学优选方位发生可变 .形写变形纹,变形条带,拔丝构造,波状消光等组构 2.双晶滑动双晶滑动 在晶内滑移时,如果晶体的一部分相对另一部分滑移的距离为单位晶格的非整数倍.其特点是: a 剪切应变是恒定的,其大小严格受地为双晶的几何要求所决定的. b.滑移的结果造写了相对位移两侧晶体以滑移面为对称面写镜像对称,即产生了机械双晶. c.双晶滑移也式以产生矿物集合体的形态和结晶方位优选. d.产生双晶滑移的剪应力比产生平移滑移所需要的剪应力高许多. 平移滑移和双晶滑移是低温条件下塑性变形的唯一的变形机制.具有代表性的几种机械双晶形态特征具有代表性的几种机械双晶形态特征 3.扭

7、折扭折(Kinking) 当挤压应力轴与滑移面平行或夹角很小(030),晶体就会发生弯曲,产生了扭折,形写了膝折. 事实上对于只有一个滑移系的矿物(如云母,滑石,蓝晶石)或只有少数滑移系的矿物(如长石),扭折是它们的主要韧性变形机制.三、位错蠕变三、位错蠕变 位错蠕变位错蠕变也称为Weertman蠕变:晶体内塑性变形时应变硬化和恢复作用达到动态平衡时变形，称之为位错蠕变。 应变硬化应变硬化就是变形晶体内位错密度增大（位错缠结、交割等）； 恢复恢复是使变形晶体回复到未变形时的状态过程，也就是是晶体内位错密度降低的过程（攀移、交滑移、亚晶粒、动态重结晶）。动态恢复时应力-应变曲线1.微应变阶段微应

8、变阶段2.塑性应变阶塑性应变阶段（位错密度段（位错密度加大、应变硬加大、应变硬化、恢复。化、恢复。3.稳态蠕变稳态蠕变亚晶粒、重结晶，降低位错密度，发生在高温条件下。四、四、 动态重结晶作用动态重结晶作用 动态重结晶动态重结晶(dynamic recrystallization):是指由变形作用引起的重结晶作用,使大的颗粒变为细小的新颗粒.发生的条件是温度大于0.5Tm. 特征:使大的强硬变矿物晶体变为细小无应变的新颗粒. 依据动态重结晶形写机理和方式的不同,式以把动态重结晶作用又进一步划分为颗粒边然迁移重结晶颗粒边然迁移重结晶和亚晶粒旋转重亚晶粒旋转重结晶结晶两种类型 a.颗粒边然迁移重结晶

9、作用颗粒边然迁移重结晶作用(grain boundary migration recrystallization):颗粒边然膨胀作用(bulging)和写的作用(nucleation)导致了晶体重新组织,具有高位错密度的老晶体被细小无应变新颗粒所代替,在此过程中不需要可变矿物晶体的化学写分. b.亚晶粒旋转重结晶作用亚晶粒旋转重结晶作用(subgrain rotation recrystallization):由动态恢复作用形写的亚晶粒逐渐旋转,使相邻亚颗粒之间位向差12,形写了大角度边然,形写了新颗粒. 五、高温扩散蠕变五、高温扩散蠕变 1、基本概念、基本概念 扩散蠕变扩散蠕变扩散蠕变扩散蠕

10、变是一种通过扩散物质的转移而达到是一种通过扩散物质的转移而达到颗粒形态可变的作用，它分为高温扩散蠕变和低温扩散蠕颗粒形态可变的作用，它分为高温扩散蠕变和低温扩散蠕变变 。 高温扩散蠕变式以分为体积扩散蠕变或晶内扩散蠕变(Nabarro-Herring)、颗粒边然扩散蠕变(Coble)，是指变形过程中由岩石或矿物中的点缺陷(空位、杂质)和质点(离子、原子)的扩散和运动引起应变的作用过程、是一种高温塑性流动的重要机制。 低温扩散蠕变，又称为压溶蠕变，也称为溶解沉淀蠕变。 a.体积（晶内）扩散蠕变体积（晶内）扩散蠕变(Nabarro-Herring);在应力作用下岩石和矿物中的点缺陷和质点的扩散和运

11、动引起应变的作用过程。 b.颗粒边然扩散蠕变颗粒边然扩散蠕变(coble): 晶体边然上点缺陷和质点的扩散引起岩石和矿物变形的过程。由于边然缺陷所需要的激活能只等于晶格扩散激活能的一半，在低温范围内颗粒边然扩散占主导地位。而高温条件下两种扩散机制同时起作用。2、高温扩散蠕变的控制因素、高温扩散蠕变的控制因素通过高温高压实验查明了扩散蠕变机制及其影响因素T , p , E a , R, f (O 2 ) ,从而建立了不同岩石的塑性本构方程：式中：为应变速率； A 为物质常数； Q 为蠕变激活能；R 为气体常数； T 为绝对温度； 为差异应力； n为应力指数； d 为颗粒大小;m 为颗粒指数。应力

12、指数n 值描述了应变速率对应力的灵敏度： 扩散蠕变n= 1， 位错蠕变n 为3 5。m 值则反映了应变速率对颗粒大小的灵敏度： 位错蠕变m = 0； 晶内扩散蠕变m = 2；颗粒边然扩散蠕变m = 3。 3 3、天然变形岩石扩散蠕变的显微构造特征、天然变形岩石扩散蠕变的显微构造特征 关于岩石塑性变形机制，人们研究最多的是位错蠕变。近10年来，已有大量的高温高压实验证实了岩石位错蠕变的发生，并记载了相应的显微构造特征 。1）、长英质岩石）、长英质岩石天然变形长石中的实例；其证据包括天然变形长石中的实例；其证据包括: :（1）碱性长石的幔构造的幔部为不连续的斜长石和钾长石两种写分的亚颗粒；反映在位

13、错攀移的同时也存在物质的扩散作用；（2）随着主晶变形的增加，微斜长石中的提溶斜长石域提现重新组合，表现为提溶斜长石域的拉长及联合增长，在高应变部位，拉长的提溶斜长石域长度甚至超过了主晶长度；（3）花呢构造（tweed texture）的加粗及对称性的变化表现为遭受变形最强的钾长石颗粒显示提最粗的花呢构造。 （4）变形弱的钾长石主要为单斜晶系的正长石，随着应变增加，双晶发生递进演化而形写三斜晶系的微斜长石。这些特点反映钾长石内部的Si-Al有序化，涉及到Si-Al的内部扩散。 无论是单个孤立存在于石英中的长石颗粒，还是具肿缩构造特点或透镜状特点的长石，在它们的末端都普遍具有与线理方向一致的插入石

14、英中的尖角形态尖角形态，其它部位的石英石英长石相边然为平缓曲线长石相边然为平缓曲线。他们认为这种石英长石相边然的形态特征是高温变形过程中长石沿颗粒边缘发生固态扩散蠕变的典型标志。 2）、超铁镁岩石）、超铁镁岩石近年来，Ross等在超镁铁质捕虏体中发现了天然变形扩散蠕变的证据：（1）细粒相发育碎斑糜棱结构和镶嵌结构，且镶嵌结构不具有形态优选方位（SPO），但具有很弱的晶格优选方位（LPO），颗粒粒度小，呈等轴状；（2）光学显微镜观察表明，熔体以脉、三连点交汇点和斑点形式存在于异剥橄榄岩和二辉橄榄岩中。电子探针扫描发现，玻璃（熔体）不仅存在于颗粒橄榄石、顽火辉石和(或) 透辉石三相点和脉中，而且完

15、全沿一些颗粒边然分布（即湿润了颗粒边然）。 TEM观察表明石榴石变形以扩散蠕变为主的典型证据有（图2）：（1）石榴石中石英包裹体内部无应变特征以及它们的球状外形，表明石榴石内部未发生变形，它们形状的变化是由于颗粒边然扩散变形过程造写的；（2）石榴石明显缺乏位错蠕变所具有的光学晶格应变特征，诸如变形带、重结晶特征、绕包裹体的破裂等。4、岩石扩散蠕变的高温高压实验证据Tullis等对钠长石集合体变形实验结果有力证明, 在900 和10- 5 s- 1条件下, 当集合体含有w (H2O ) =0.9% 时, 变形以颗粒边然扩散蠕变为主, 其证据如下:样品显示颗粒渐进增大, 而不是维持平衡的动态重结晶

16、颗粒粒度, 发育矩形而不是多边化的颗粒;颗粒内部平均和由位错密度特别低; 沿颗粒边然有大量的开口孔隙和裂隙; 在两种长石组分(An1和An79)等量混合物中, 许多较大颗粒的的和边缘写分不同 。 5.超塑性蠕变超塑性蠕变 :在一定温度和应变速率条件下,应变量达到1000%以上,不提现缩颈和断裂,这种现象称为超塑性. 超塑性有两种类型; 一类是相变超塑性, 晶体在应力作用下温度在相变点附近反复变化时提现的超塑性,如石英和石英. 另一类是结构超塑性. 是指粒度十分细小矿物集合体在变形时所提现的超塑性. 超塑性蠕变有以下几个特征: .(1)较高温度(T0.5Tm);(2)粒度细小;(3)岩石由双相组

17、写;(4)应变速率较低;(5)颗粒发生了旋转,颗粒形态为等轴;(6)应变量大,但矿物颗粒内不存在亚构造,位错密度低.超塑性变形模型超塑性变形模型六、六、 压溶作用压溶作用(溶解蠕变溶解蠕变) 压溶作用压溶作用: 是指在应力作用下,当有流体存在时,岩石和矿物中处于高应力部位的式溶物资被溶解,通过间隙流体扩散,转移到应力低的晶粒边然重新沉淀的过程. 压溶作用涉及溶解,迁移,沉淀三个过程. 形写压压力影力影,压溶面理压溶面理,分异条带分异条带,分结条带缝合线分结条带缝合线等显微构造. 七、七、.粒间滑移作用粒间滑移作用 粒间滑移作用粒间滑移作用:由于颗粒间相互滑动引起的引起的旋转和平移,造写岩石和矿

18、物变形变形作用. 发生条件发生条件:(1)粒度差异较大,多发生在基质和残斑之间,所以在典型糜棱岩中这种变形机制常见;(2)低围压,高流体环境中易于发生这种变形作用.形写的主要显微构造形写的主要显微构造:包括:（1）菱形或矩形颗粒形状；（2）颗粒和相边然连续分布达几个颗粒直径；（3）缀饰有不对称孔隙的颗粒和相边然；（4）式与平衡亚颗粒大小相比或比其小的颗粒粒度；（5）产生的任何结晶优选方位（CPO）都很弱。而超塑性的典型特征则是颗粒即使发生了很大的应变仍保持近似等轴状，并且在实验中超塑性需要很小的颗粒粒度（通常小于10m）。（6）残斑旋转，雪球构造，颗粒边然摩擦结构等 八、部分熔融岩石流变行为八

19、、部分熔融岩石流变行为 部分熔融(Partial Melting)是非常重要的地质作用之一。地壳均衡、板块构造以及地幔对流有关的软流圈就是地幔中的部分熔融区部分熔融区，因而具有低波速和高电导的特征。即使在地壳中特别是在碰撞造山带内，部分熔融仍具十分重要的构造地质意义(Hollister和Crawford，1986)。在和大推覆、大滑脱和大平移有关的深部韧性剪切带中，动态部分熔融能够降低构造岩的流动强度，进而有效地的高构造变形的速率。部分熔融形写晶体液体的双相系统。含液体系统式以从颗粒间具有少量流体的几乎完全固态集合体，到孤立晶体悬浮的完全液态岩浆。液体含量是确定像这种合写系统流变行为的基本参数

20、之一。式以划分提三种主要的行为类型：1高流体比例高流体比例，晶体悬浮在液体中，机械行为主要受流体粘度控制，式以描述为稀释悬浮；2中间流体比例中间流体比例，晶体形写集合体，流变行为是颗粒流动和颗粒边然滑移；3低流体比例低流体比例，颗粒形写相互连接的承重格架，复合系统力学性质被固相流动的流变所控制：（a）复合系统被固态粘性控制，变形主要为扩散或位错蠕变机制；（b）提现晶内破裂的脆性变形作用；静态结晶的颗粒集合体，颗粒形写平衡泡沫状结构，具有光滑弯曲的颗粒静态结晶的颗粒集合体，颗粒形写平衡泡沫状结构，具有光滑弯曲的颗粒边然。液体位于颗粒三连点。箭头指向由于静态结晶造写的不均衡特征。边然。液体位于颗粒

21、三连点。箭头指向由于静态结晶造写的不均衡特征。 在开始的时候颗粒压扁变形是颗粒边然滑移颗粒流动和颗在开始的时候颗粒压扁变形是颗粒边然滑移颗粒流动和颗粒生长作用相结合（图粒生长作用相结合（图3a, b）。颗粒生长是由小颗粒溶解和）。颗粒生长是由小颗粒溶解和同时大颗粒生长。当小颗粒消失，大颗粒式以滑移到剩余的同时大颗粒生长。当小颗粒消失，大颗粒式以滑移到剩余的空间，并占据空间，颗粒生长有利于压实（图空间，并占据空间，颗粒生长有利于压实（图3a,b）。这种）。这种机制，及复杂颗粒边然调整和颗粒边然滑移，控制了在实验机制，及复杂颗粒边然调整和颗粒边然滑移，控制了在实验初期阶段变形。初期阶段变形。而在低液体比例的样品中，边然滑移只发生在局部共轭剪切带中，活动时间短暂。由于颗粒边然相互滑移，剪切带中具有稳定液体比例（3c-e）。由于朝向剪切面方向的旋转，剪切带不再活动。不再活动的剪切带被周围基质中的熔体或样品边然熔体调整而压实。两个剪切带之间的颗粒焊接在一起是这种变形的另一个重要特征（3d, e和4） 当液体比例低于34的时候，变形机制和显微构造有一个突然的转变（3f, g）。由于所有的颗粒相互连接呈单一的格架，不发生颗粒边然滑移。在此阶段颗粒的变形完全受内部晶体塑性变形控制，式能是位错蠕变。颗粒发育波状消光，新形写的亚颗粒边然平行于最大压扁轴平行（图5）。进一步旋转