晶质塑性变形现象是指?

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  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现象。

  1.波状消光指在波状消光(undulatory extinction)或不均匀消光,是晶质塑性变形的重要标志。正交偏光显微镜下矿物中显示的一种不均匀消光现象,转动载物台时,消光影呈扇性或不规则状连续地扫过矿物颗粒,消光界面不显著,消光影的连续变化表明,矿物内不同部位的消光方位略有规律偏差。波状消光是晶内应变的效应,是由于过量的位错引起晶格扇状或不规则状畸变的结果。它的形式有多种,如扇面状消光、鼓状消光等,这种现象是应力使矿物晶格产生位错滑移不均匀(不均匀消光)或晶格发生弯曲(波状消光)而引起的光学现象。不同矿物的波状消光现象见照片3-031~3-040。

  也称变形带(deformation band),指在正交偏光显微镜下矿物中显示的一种不均匀消光现象,呈带状消光的现象(照片3-041,3-042)。与波状消光不同的是波状消光的变化是连续的、渐变的;而带状消光的矿物中,不同消光区是截然的、突变的。转动载物台时消光带由此带到彼带呈跳跃式过渡。其成因主要是应力导致晶格位错的运动形成规则的位错壁,由位错壁分割成不同的消光区域(图3-2b)。

  指矿物中的标志面(如解理面、双晶面等)发生尖棱状转折,而彼此间又未失去内聚力的现象。扭折带常常出现在云母(照片3-043~3-045)、方解石(照片3-046)、斜长石(照片3-047、3-048)等解理或双晶等异向性界面发育的矿物中。不同的矿物出现扭折现象的温压条件不同(详见第六章),因而可以利用矿物的扭折现象来推测矿物变形时所处的地质环境及应力状态。与扭折呈过渡状态的变形现象是矿物解理、双晶等的弯曲现象。

  扭折是塑性变形的标志之一,是位错的滑移和攀移构成的位错排列,扭折带边界就是晶格中有规律排列的位错壁。当晶体在应力场中所处的方位使得在几何学上不可能发生广泛的晶内滑移时(也就是主压应力方向与滑移面近于平行或夹角很小,在0~30°之间),晶体会产生位错并发生晶格弯曲。随着弯曲作用的加强,位错不断向着一定的方向和位置滑移和攀移,并构成彼此平行的间隔性位错壁,晶格由几何学上的弧形弯曲而转变成弯折,形成扭折或扭折带(图3-2c、3-3a)。这种位错壁既可以是简单的(图3-3a、b),也可以是复杂的(图3-3c、3-4)。

  图3-3b是在准静态过程中形成的扭折,也即位错通过滑移或攀移,聚集成位错壁,这种情况下,扭折带其实也就是亚晶粒边界。简单的位错壁也可以在动态变形过程中产生,如图3-2b所示,这种情况下晶格发生的扭折通常被称为变形带。扭折其实是晶格的旋转,旋转角可从几度到80°。据此也可把双晶看作是扭折的特例。

  变形纹是矿物晶体内细窄平直的或是长透镜状的薄纹层,厚约0.1~2μm,它一般不切穿矿物晶粒,其折射率和双折率与主晶略有不同,消光位与主晶也稍有差异,偏移约1°~3°,在正交偏光镜下是类似聚片双晶一样相间消光的亮线纹,可以与带状消光带呈高角度相伴生,有时沿变形纹可以有呈面状排列的气泡或小包裹体,这时又叫勃姆纹(b?ehm lamellae)。

  变形纹在石英中最为常见(照片3-049~3-054),有时在斜长石、辉石和橄榄石中也能见到,但目前对石英的变形纹研究最为详细。Ave′Lallement和Carter(1971)将石英的变形纹按与c轴(光轴)的夹角大小分为四类:①底面变形纹,变形纹面法线°;②次底面Ⅱ变形纹,变形纹面法线°;③次底面Ⅰ变形纹,变形纹面法线°;④柱面变形纹,变形纹面法线°。他们还从大量的天然标本中统计了石英变形纹的分布,发现16°~30°夹角分布量最大。他们同时还进行了不同温压条件下的实验,结果表明在不同的温压条件下,会有不同的变形纹出现。天然岩石中常见的是次底面Ⅰ型及Ⅱ型,在一些糜棱岩中有时可见柱面变形纹,而底面变形纹则主要出现于与冲击变质有关的岩石中。

  天然变形纹可以为如下几种形式:①高位错密度的无气泡带之间的低位错密度高气泡含量带;②都不含气泡的高位错密度与低位错密度相间的片状区;③拉长的亚晶粒。

  总的说来,变形纹是一种比较复杂的变形显微构造现象,主要由晶内位错滑移产生。变形纹是岩石塑性变形的标志之一,通过变形纹可进行动力学分析(详见第六章)。

  也称为变形双晶(deformation twin)或滑移双晶(glide twin)。是由晶内滑移机制中双晶滑移所形成的,因而也是晶体塑性变形的标志之一。机械双晶主要发育在一些对称性较低或粒内滑移系统较少的矿物中,如在方解石(照片3-055~3-058)、白云石中最为常见,在斜长石(照片3-059~3-062)及辉石(照片3-064~3-066)、角闪石中也能见到。一个变形晶体颗粒内可以见到多组机械双晶(如照片3-061、3-062)。方解石、白云石的生长双晶一般不发育,而在应力作用下的双晶化作用却比较容易发生,所以在变形岩石中,只要方解石和白云石晶体中普遍发育了双晶纹,一般认为是机械双晶纹。其他矿物如辉石和斜长石中,生长双晶(照片3-063)和机械双晶都很普遍。二者的区别见表3-1。

  矿物的机械双晶在较低的温度及较高应变速率条件下容易出现。对机械双晶的研究,既可用作动力学分析,还能反映变形时的变质程度及温度条件(详见第六章)。

  亚晶粒在正交偏光显微镜下,矿物颗粒内分成许多消光位有微弱差异的、有规则界限的消光区,而在单偏光镜下却仍然是一个颗粒,这种现象称为亚晶粒化。这些具有不同消光的部分称为亚晶粒。方解石亚晶粒见照片3-067、3-068,石英亚晶粒见照片3-069~3-071,角闪石亚晶粒见照片3-072。

  在塑性变形过程中,亚晶粒的形成是在恢复过程中由位错的攀移、交滑移而形成位错壁构成多边形化的结果,位错壁两侧的晶格方位发生了小角度的偏转。这样一个晶体就会被若干位错壁分隔成为多个晶格方位不同的区域,这些小区域就是亚晶粒。Nicolas和Poirier(1976)的定义是:一个晶体内由结晶学方位有小角度(θ<12°)偏转的区域所构成的多边形亚构造,亚构造之间被低角度的亚晶界亦即位错壁所分隔。因此有人也把刃型位错通过攀移形成位错倾斜壁的过程叫攀移多边形化。普通的光学显微镜下看不到位错壁构造,只能看见由位错壁分隔的不同小区域具不同的消光位。

  亚晶粒与带状消光并无本质的区别,都是由位错壁分割的不同消光区,只是消光带为拉长状的亚晶粒。

  动态重结晶新晶粒即在变形过程中形成的新晶粒。由不同重结晶机制形成的新晶粒粒径大小不同。由膨凸成核及双晶成核重结晶、亚晶粒旋转重结晶、到颗粒边界迁移重结晶,其新晶粒度逐渐增大(详见第六章)。主要造岩矿物如方解石(照片3-073~3-078)、石英(照片3-079~3-092)、长石(照片3-093~3-102)、黑云母(照片3-103,3-104)、角闪石(照片3-105~3-108)、辉石(照片3-109~3-114)、橄榄石(照片5-082~5-084,3-115,3-116)的不同动态重结晶现象见照片。

  膨凸重结晶作用形成的新晶粒在显微镜下大小近似,如照片3-073、3-083,但在透射电子显微镜下,晶内的位错密度相差较大(Passchier and Trouw,2005)。亚晶粒旋转动态重结晶作用产生的动态重结晶颗粒一般大小和形状相似,并通常呈轻微压扁拉长状(如照片3-068、3-086、3-087、3-149~3-152)。这种拉长状的新晶粒的定向与集合体总体形状的定向呈一定的角度相交,据此可判断剪切运动指向(如照片3-149~3-151)。透射电镜下,动态重结晶颗粒普遍含有少量自由位错,偶尔也组织构成位错壁,是递进变形作用的结果。由颗粒边界迁移动态重结晶作用形成的新晶粒边界常呈树叶状,颗粒大小不等(照片5-053、5-054)。当集合体中有第二相存在时,如云母石英片岩中的云母常常对石英形成牵制构造(pinning,图3-5a,照片3-117)、拖曳构造(drag-ging,图3-5b,照片3-118)、窗户构造(window,图3-5c,照片3-119)或残余颗粒(relic,图3-5d,照片3-120)(Jessell,1987;Passchier and Trouw,2005)。

  动态重结晶过程往往消除了原来的显微构造,消耗了高位错密度,致使位错消失,并发育和生长了新的无应变颗粒或多晶集合体,即新晶粒内无位错或位错密度极低,因而没有波状消光、消光带及亚晶粒化等变形现象。动态重结晶新晶粒与老晶粒之间或多或少存在成分的差异,因为在变形过程中,还伴随着成分的带入与带出。

  矿物表面是一种面缺陷,动态重结晶形成的新晶粒表面不规则,因此具有很高的自由能且不稳定,当岩石的宏观变形中止后,岩石如果仍处于高温或流体含量较高时,动态重结晶新晶粒的弯曲边界就会逐渐变直(图3-6),颗粒粒径也会逐渐增大,使矿物的表面能减到最小,以达到稳定。这就是静态重结晶作用。其实,在变形过程后期,这种表面自由能减少的过程就存在,但影响较弱(Passchier and Trouw,2005)。

  静态恢复重结晶的结果是使矿物颗粒的截面呈现多边形,多为六边形,三个矿物边界交会处形成三个角都近于相等(约120°)的三结点(照片3-121~3-126)。但静态恢复重结晶新晶形态与矿物本身的各向异性有关,石英、长石、橄榄石、石榴子石等各向异性较弱的矿物静态恢复新晶后常常出现三结点;角闪石、辉石这样的中等各向异性矿物,因平行{110}面的边界自由能相对较低,其静态恢复重结晶新晶较易出现平行此面的边界;对云母这样强各向异性的矿物,则平行(001)面的边界在静态恢复过程中占主导(Passchier and Trouw,2005)。岩石中不同矿物集合体在静态恢复过程中也常常互相影响。如云母石英片岩在静态恢复过程中,弱各向异性的石英常常受强各向异性的云母(001)面边界控制(照片3-240);石英新晶大小也因云母的存在而比纯石英岩中的粒径小。类似的情况也出现在成分不纯的大理岩中。岩石中同种矿物集合体条带的宽窄也影响静态恢复重结晶新晶粒的大小;窄条带中的新晶粒度容易受条带宽度的限制从而粒径偏小(照片3-126)。另外,在静态恢复过程中,如有流体存在,较小的颗粒容易溶解而趋向减少(Passchier and Trouw,2005)。静态重结晶与动态重结晶的区别见表3-2。

  显微镜下,还要注意区分静态恢复重结晶作用与热变质重结晶作用。热变质重结晶如石英砂岩变为石英岩、灰岩变为大理岩等,这些纯粹由热变质作用引起。二者的区别在于静态恢复重结晶常常并不一定恢复得十分完全。在同一薄片中,有时还可见到并未完全静态恢复的动态重结晶颗粒,而且薄片里常常保留了其他矿物的各种变形现象;而热变质重结晶作用则无动态重结晶颗粒及变形现象。

  构造岩经过静态恢复重结晶后的岩石常被称为变余糜棱岩(照片5-087~5-091),它与区域变质岩(如照片3-121)的区别也是岩石有无变余的变形现象存在。

  应变矿物颗粒及环绕其外缘的、由细粒化而形成的细小亚晶粒和(或)重结晶晶粒组合而形成的显微构造现象。核幔构造的核部晶体常发育有波状消光、变形带及变形纹等变形现象,甚至可以全部亚晶粒化,但在单偏光镜下,仍为一个较大的颗粒。幔部就是环绕核部的细小的亚晶粒及重结晶新晶粒集合体。主要造岩矿物的核幔构造见照片3-073,3-075,3-076(方解石);3-083~3-085(石英);3-094~3-098(长石);3-105~3-107(角闪石);3-109~3-113(辉石);3-116(橄榄石)等。

  由膨凸重结晶作用形成的核幔构造,其核部边界不规则,与幔部边界清晰明显(照片3-073,3-083,3-094~3-096,3-105~3-107,3-109等);主要是幔部新晶粒与核部老颗粒之间的强弱差别明显;核部相对变形较弱,可以有微破裂、变形纹、扭折或斑块状不均匀消光。而由亚晶粒旋转重结晶形成的核幔边界则比较模糊(Dell′Angelo and Tullis,1989);核部因变形常常呈压扁拉长状或带状(Passchier and Trouw,2005),可见连续变化的波状消光及亚晶粒化(照片3-075,3-076,3-084~3-086,3-097,3-098,3-112,3-113,3-116等)。这种核幔构造是动态恢复与动态重结晶的产物,恢复作用使得颗粒边部(同时也常常是高应力部位)首先形成亚晶粒,随着应变的发展,亚晶粒旋转及边界迁移形成重结晶新晶粒,亚晶粒化也逐渐向核部扩展。如果应变继续,核部逐渐缩小直至消失,而全部变为重结晶新晶粒集合体。核幔结构的形成和发展过程,说明了糜棱岩的细粒化主要是由动态恢复及重结晶作用来完成的。

  由矿物碎斑和结晶拖尾共同形成的碎斑系统。韧性变形岩石中,能干性岩石中,能干性较强的矿物碎斑两侧可由动态重结晶细小晶粒组成结晶拖尾。岩石中各种矿物的熔融和结晶温度不同,因而在相同变形温压条件下,不同矿物的变形行为往往不一致。比如在长英质岩石中,常常是长石表现为脆性刚体构成残斑,石英则表现为塑性变形构成基质。刚性的残斑常形成拖长的尾部,构成残斑系,也有人称眼球构造(照片3-127~3-144)。残斑内部常常发育有裂隙,或碎成几个颗粒,有时也表现出向塑性转变的一些变形现象,如波状消光、消光带或解理弯曲,甚至出现出溶页理的弯曲等。在不同的变形温压条件下,构成残斑的矿物不同。如在绿片岩相或高绿片岩相的变质条件下,长石常为残斑,而在低绿片相下,石英有时也构成残斑,代表地幔岩变形的橄榄岩中辉石常构成残斑。残斑尾部的成分或是由与残斑同成分的细小重结晶新颗粒组成,或是由不同成分的细小晶粒组成;不同成分的尾部有可能是残斑应变软化产生的物质,如长石蚀变的白云母和石英等;或是残斑重结晶形成的不同成分新晶集合体,如斜长石新晶集合体内常常有乳滴状石英;而钾长石新晶集合体则为斜长石、钾长石和石英的交生体;辉石重结晶形成单斜辉石及斜方辉石集合体(Vernon,2004)等。

  根据残斑尾部形态的对称性,碎斑系可分为对称及不对称两类。Passchier和Trouw(2005)根据碎斑系的几何形态将其分为几种不同的几何类型(图3-7):即θ型、φ型、σ型、δ型和复杂型。根据残斑尾部形态的不同可以判断剪切带的剪切运动指向。

  σ型残斑系:残斑两侧的结晶拖尾呈楔形,分别位于通过碎斑中心平行面理面的参考面两侧并互相平行或近于平行。其结晶尾指向代表运动方向(照片3-127~3-132)。

  φ型残斑系:具有对称型尾部。残斑两侧的结晶拖尾位于平行面理面的参考面上。Passehier和Trouw(2005)认为此类残斑系形成于高应变和高重结晶速率条件下,由σ型残斑系进一步发展而来,仍然形成于简单剪切环境下,因而不能作为共轴应变的指示标志(照片3-133)。

  δ型残斑系:残斑两侧的结晶拖尾分别从参考面的一侧转向另一侧,结晶尾根部弯曲。该类残斑一般由σ型进一步旋转变形而来。残斑旋转的方向与剪切指向一致(照片3-134~3-140)。

  复杂斑残斑系:具有σ型和δ型双重拖尾,在剪切变形过程中由δ型残斑的拖尾再进一步旋转变形而来(照片3-141~3-144)。

  许多学者发现,刚性残斑在剪切变形过程中常常受到应变方式、残斑形态及其孤立状况、残斑在变形过程中的同构造重结晶速度、变形基质的含量及宽窄等因素的影响,并对其初始旋向(刘瑞珣,1988)、变形旋转过程中的稳定性(Passchier and Trouw,2005)、应变量与旋转位的关系(Driessche and Brun,1987)等问题进行了进一步的探讨。

  变形岩石中同种矿物集合体或单晶常呈条带状。条带可以是平直定向,也可以绕斑晶弯曲。人们注意最多的是石英条带,有人也译为石英丝带。它可以由单晶组成,也可以由多晶组成(许志琴,1984)。其中,单晶条(丝)带多是在低绿片岩相条件下,石英通过晶内滑移而产生的形态组构(照片3-145,3-146);在一些麻粒岩相的糜棱岩中也可见石英的单晶条带(照片3-147,3-148),但这主要是在变形过程中经重结晶而形成。多晶条带中单晶晶粒的形态又可以有三种:

  (1)具不规则边界的拉长状,为动态重结晶新晶粒(照片3-149~3-152)。一般认为形成于中高绿片岩相条件下。集合体条带的定向强烈程度反映了应变量的大小,其形成应是动态重结晶与粒间滑移及颗粒边界扩散迁移等多种机制共同作用的结果。

  (2)具规则边界的多边形近等轴状(照片5-087,5-089),为同构造静态恢复重结晶产物。

  (3)为矩形颗粒(照片3-153~3-156,3-175)。高温变形条件下通过颗粒边界迁移重结晶和各向异性晶体生长这两种过程产生。

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