高温高压条件下角闪岩脆－塑性转化实验研究

宋　娟　周永胜　钟　柯　刘　贵　刘照星

1）中国石油大学（华东），青岛　266580

2）中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京　100029

3）中国地质大学（北京），北京　100083

4）中国科学院大学地球科学学院，中国科学院计算动力学重点实验室，北京　100049

高温高压条件下角闪岩脆－塑性转化实验研究

宋娟1）周永胜2）钟柯3）刘贵4）刘照星2）

1）中国石油大学（华东），青岛266580

2）中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京100029

3）中国地质大学（北京），北京100083

4）中国科学院大学地球科学学院，中国科学院计算动力学重点实验室，北京100049

在高温高压条件下开展了天然角闪岩样品的变形实验研究，并且利用偏光显微镜和扫描电镜对实验样品进行微观结构观察，研究了在不同的温压和应变速率条件下角闪石的变形机制。实验结果表明，随着温度升高，样品的应力－应变曲线由强化逐渐转化为屈服，并且出现弱化，样品强度显著降低，随着围压增加，样品强度增大，随着应变速率降低，样品强度降低，压缩方向与样品面理斜交的实验样品强度显著降低。实验变形样品在500℃时，角闪石表现为晶内破裂和碎裂变形，其变形以脆性为主导；在600℃时，样品中发育由角闪石残斑和碎裂基质构成的碎裂组构，部分角闪石晶体出现了波状消光，角闪石以碎裂变形为主，局部具有塑性变形的特征；在700℃时，样品以晶体扭折变形为主，局部出现脱水和细粒微晶，并且含有微破裂，显示了样品以晶体扭折变形为主，含有微破裂，样品变形处于脆－塑性转换域；在800℃时，样品中基本没有发现明显的脆性变形，样品以动态重结晶作用为主，角闪石出现脱水。因此，在实验温压范围内，在500℃→600℃→700℃→800℃条件下，角闪石变形机制表现为脆性破裂→碎裂流动→晶体扭折→动态重结晶和脱水作用，显示了角闪石经历了脆性—脆－塑转化—塑性变形的变形机制。

角闪石高温高压脆－塑性转化微观结构变形机制

0　引言

角闪石是主要造岩矿物之一，在绿片岩相至高角闪岩相的变质岩中和岩浆岩中普遍存在。研究角闪石的变形，对于认识地壳岩石变质变形、脆－塑性转化与流变具有重要的作用。角闪石结构复杂，并且具有类质同象。这种独特的矿物结构与成分特征，导致角闪石变形行为与变形机制表现出多样性，并且在变形过程中伴有成分的改变，因此，自然界的角闪石变形与变质反应共存。对地壳变形角闪石的研究表明，低温或高应变条件下，角闪石最主要的特征是碎裂变形，这是因为角闪石在变形过程中容易沿夹角为56°或124°的2组完全解理（110）和（110）面滑动，如果存在流体作用时，伴有压溶与扩散蠕变（Passchier et al．，2005）。角闪石沿｛110｝解理的脆性微破裂产生细粒化现象（Nyman，1992），导致变形岩石中角闪石发育的核幔构造中，细粒角闪石主要由碎裂而不是由动态重结晶作用形成。在高温或低应变条件下，地壳角闪石出现脱水与晶体塑性变形，表现为机械双晶与位错滑移。天然角闪石在相当于高角闪岩相－麻粒岩相的变质条件发生亚晶粒旋转重结晶和恢复作用等高温动态重结晶作用（苗培森等，2001；Passchier et al．，2005），在低角闪岩相的条件下，发生膨凸动态重结晶作用（曹淑云等，2007）。纪沫等（2013）在山西恒山和张晓丽等（2014）在北京市房山区东岭东万路出露的角闪岩中发现了低角闪岩相的角闪石出现了膨凸重结晶现象。另外，在变形过程中，角闪石伴有变质反应与脱水作用，普通角闪石经常分解为组分不同的闪石（Imon et al．，2002，2004）、黑云母、钠长石和绿帘石（Berfer et al．，1996）、绿泥石等（胡玲等，2009）。

与天然角闪石变形研究相比，实验室研究角闪石变形比较少。Tullis（1983）研究表明，在实验室条件下，角闪石晶质塑性变形在温度超过450℃时开始出现，但Hacker等（1990）研究表明，在低于700℃条件下，角闪石仍然以碎裂变形为主，在760℃条件下，角闪石开始出现脱水。Passchier等（2005）认为，角闪石发生晶质塑性变形的难度较大，其塑性变形温度条件甚至比橄榄石还要高。

由此可见，角闪石的变形是一种复杂的过程，除了受温度、压力、应变速率等影响外，角闪石脱水、成分变化、变形方式与变形机制等多种因素也有重要影响。对于角闪石的天然变形研究仍然不太全面，实验研究更少，是主要造岩矿物中变形研究程度最低的矿物，缺乏对于角闪石脆－塑性转变及塑性变形机制的深入研究。本文主要以角闪岩为研究对象，通过高温高压变形实验，分析不同温度、压力和应变速率的条件下角闪石相对应的变形特征，探讨角闪石的脆－塑性转化和动态重结晶机制。

1　实验方法、实验条件和实验样品

实验在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室自主研制的Griggs型3GPa熔融盐固体介质三轴高温高压实验系统上进行，围压和轴压加载系统通过液压伺服油缸控制加载，实验仪器控制和数据采集通过自主开发的计算机软件实现。计算机控制软件不仅能够实时显示并记录实验位移、压力和温度信息，而且能够实现实验中位移控制方式和应力控制方式的平稳切换。温度控制系统采用Yamatake-Honeywell DCP－30型控温仪，控制精度为0.1%。实验前后通过气垫底座方便的移动压力容器，实验中使用水冷系统对压力容器外部降温。在设备投入使用前进行了系统的围压和温度标定研究（韩亮等，2011，2009）与轴压摩擦力标定（刘照星等，2013）。

实验样品为北京市房山区东岭东万路出露的角闪岩，该角闪岩中角闪石含量90%～95%，斜长石含量5%～10%。角闪石呈半自形板柱状，构成微弱的面理（图1）。沿着垂直于样品面理的方向钻取实验样品，加工成直径为3mm、长度6mm的圆柱体。因此，大部分实验的压缩方向垂直于岩石面理，但也有少量样品的长轴与面理斜交，导致压缩方向与面理斜交。装样方式参见刘照星等（2013）、刘贵等（2013）和Liu等（2014）。

根据前人的研究，温度是影响角闪石力学强度和脆－塑性转化与变形机制的主导因素（Vauchez et al．，1998）。因此，实验温度分别为室温、500、600、700和800℃，主要考察温度的影响。在此基础上，为了考察围压与应变速率的影响，分别在围压500MPa和800MPa，应变速率1×10－4和1×10－6条件下开展实验。一共进行了15次角闪岩高温高压变形实验，表1给出了实验条件和实验结果。

图1　角闪岩原岩的显微结构特征Fig．1　Microscopic images of starting samples of amphibolites．

表1　实验条件与结果Table 1　Experimental conditions and results

2　实验力学特征

实验样品的应力－应变曲线如图2所示。在低温条件下，应力－应变曲线整体表现为硬化特征，随着温度升高，曲线出现了屈服特征。

在围压500MPa条件下（图2a），室温时样品（s10－44）应力－应变曲线表现为典型的硬化特征，弹性模量大，强度高，而且随着应变增加，应力持续增大，没有出现明显的屈服点。500℃条件下（s10－46，S11－68），弹性应变量相对于室温条件（s10－44）显著减小，非弹性应变量增加，强度比室温条件下显著降低，但仍然表现为持续应变硬化，表明样品具有脆性－碎裂变形的特征。温度600℃（s10－47）和700℃（s10－51）条件下，应力－应变曲线出现明显的屈服，屈服阶段差应力增加幅度减小，应力趋于平稳。实验温度800℃（s10－52）时，应力－应变曲线表现出微弱的弱化特征。在围压800MPa（图2b）、温度600℃（s10－54）和700℃（s11－95，s12－06，s13－08）条件下，应力－应变曲线出现明显的屈服和微弱的弱化特征，在温度800℃（s13－06）时，应力－应变曲线表现出显著的弱化特征与稳态塑性变形。

图2　实验样品在不同温度和压力条件下的应力－应变曲线Fig．2　Stress-strain curves of deformed samples under different temperature and pressure conditions．

与上述压缩方向垂直于样品面理的应力－应变曲线相比，压缩方向与样品面理斜交的实验弹性模量明显变小，强度显著降低（图2c），而且在500℃（s11－73）、600℃（s13－01）时，曲线特征类似，出现了不同程度的应力降，推测样品可能出现了局部脆性破裂，而在700℃（s11－75，s10－56）时出现明显的弱化和稳态塑性变形。

实验样品强度随温度、应变速率、压缩方向的变化趋势（图2d）表明，随着温度升高，样品强度显著降低，随着围压增加，样品强度增大，随着应变速率降低，样品强度降低。压缩方向与样品面理斜交的实验样品强度显著降低（图2d）。

3　实验样品的变形微观结构特征

对所有实验变形样品沿压缩方向切开，磨制薄片，在偏光显微镜和扫描电镜下进行了微观结构分析。

3.1温度500℃条件下样品的变形特征

在室温条件下，样品形成一条单斜破裂面，破裂面平直，破裂面内及其周围没有出现碎裂变形。温度在500℃时，样品主要以脆性变形为主。在显微镜下，样品s10－46中以角闪石微破裂为主，部分碎裂角闪石碎裂构成碎基，表现出碎裂流动的特征，局部发育了角闪石的波状消光及晶内扭折等塑性变形。因此，实验温度为500℃时角闪石具有初碎裂岩的变形特征。

3.2温度600℃条件下样品的变形特征

在温度600℃时，实验样品中可以观察到大量角闪石碎斑和碎基，部分角闪石晶体中可以观察到波状消光。其中，样品s10－47中，角闪石出现明显的碎斑，大量碎基沿样品中破裂面发育，少数角闪石晶体中发育波状消光。样品s10－54中，较大颗粒的角闪石残斑与碎裂带中细小颗粒同时存在，在碎裂带内，角闪石强烈破碎（图3a，b）。样品的强烈变形区角闪石晶体出现定向、弯曲与扭折，发育波状消光（图3c～f）。因此，温度600℃条件下的角闪岩样品发育碎裂，伴随有部分波状消光，变形具有脆－塑性转化特征。

3.3温度700℃时的变形特征

在温度700℃时，实验样品中可以观察到强烈的波状消光及晶内扭折现象，局部产生针柱状新晶。样品s13－8中塑性变形的角闪石晶体弯曲与扭折，边缘出现细粒针柱状新晶（图4a，b）。样品由于脱水变成暗色，细粒化的角闪石具有定向和弯曲特征，显示出塑性流动特征（图4c，d）。局部有微破裂，但角闪石的碎裂程度较低。

样品s10－56中，角闪石暗化显著，大量发育细粒化针柱状角闪石，细粒化角闪石集合体内发育网络状剪切带（图5a，b），角闪石局部存在微破裂，角闪石脱水形成黑色条带，细粒角闪石定向分布，出现波状消光与弯曲（图5c，d）。在扫描电镜下发现，角闪石普遍发育为破裂，局部角闪石边缘脱水产生了细粒晶体（图6a，b）；长条状角闪石定向分布（图6c），角闪石颗粒边界迁移形成的不规则边缘（图6d）。因此，700℃时，样品中角闪石以晶体扭折和局部细粒化变形为主，具有低温塑性变形特征，局部出现脱水，并且含有微破裂。

此外，对比样品s13－8和s10－56的微观结构发现，前者角闪石晶体弯曲和扭折发育，而后者细粒角闪石集合体定向，并且发育网络状剪切条带。这种变形结构差别与其力学特性是一致的。样品s13－8的压缩方向垂直于角闪石构成的面理，强度比较高，不易发生双晶化，而样品s10－56的压缩方向与角闪石构成的面理斜交，强度比较低，极易发生双晶化。这种强烈的双晶滑移导致样品中角闪石普遍出现定向分布的细粒针柱状角闪石。

3.4温度800℃条件下样品力学与变形特征

在温度800℃时，样品s10－52中，很少发现碎裂与微破裂，角闪石晶体普遍出现扭折，沿解理出现脱水暗化条带，角闪石边缘出现针柱状细粒晶体（图7a，b）。角闪石沿扭折带形成暗化条带，大颗粒角闪石发育不规则边界，并且在边缘局部发育针柱状细粒晶体（图7c，d）。在扫描电镜下，角闪石边缘出现亚颗粒化，形成核幔结构，长条状角闪石定向、弯曲（图8a）（黑色箭头），表现出动态重结晶特征。角闪石由于脱水，在其边缘出现一圈暗色微晶（图8b）。这些变形特征表明，在800℃时样品具有典型的塑性变形特征，并伴有角闪石的脱水。

图3　温度600℃时样品s10－54的微观结构特征Fig．3　Microscopic images of the deformed sample，s10－54，at temperature of 600℃．

4　讨论

4.1角闪岩各向异性对强度的影响

图4　温度700℃样品s13－08微观结构特征Fig．4　Microscopic images of the deformed sample，s13－08，at temperature of 700℃．

图5　温度700℃样品s10－56微观结构特征Fig．5　Microscopic images of the deformed sample，s10－56，at temperature of 700℃．

压缩方向与样品面理斜交引起强度降低，与角闪石的各向异性相关。实验研究表明（Rooney et al．，1974，1975），压缩方向平行［100］方向比垂直于［100］方向强度降低15%～20%；压缩方向与［100］方向呈20°～30°时角闪石晶体的强度下降50%～80%；而当压缩方向与［100］方向呈45°时晶体强度则下降50%。由于岩石方向与角闪石构成的面理斜交时，意味着实验岩石方向与角闪石［100］方向出现斜交的概率更高，因此强度更低。这种强度变化受角闪石不同类型的双晶滑移控制，其中，压缩方向平行于角闪石晶体的［100］方向时，容易产生（101）双晶（Rooney et al．，1975）。压缩方向平行于（010）面且与［001］方向呈45°角时，在［100］和［001］方向间的锐夹角区可形成（100）面双晶，该方向的双晶承受的应力相对于晶体在［100］和［001］方向之间的钝角区可以承受更大的挤压力（Burnley et al．，1982）。角闪石的各向异性引起含角闪石的岩石在变形中出现强烈定向的线理构造。

图6　温度700℃条件下样品s10－56扫描电镜特征Fig．6　Scanning electron microscopy（SEM）of sample s10－56 at 700℃．

4.2角闪石变形机制

角闪石作为地壳中主要的含水矿物，在高温下脱水是其显著的特征。实验结果表明，在700～800℃条件下，角闪石边缘和解理内，发生了明显的脱水作用。脱水导致角闪石在偏光显微镜下出现暗化现象，并且在角闪石边缘有细粒晶体形成。普通角闪石脱水分解为组分不同的闪石（Imon et al．，2002，2004）、黑云母、钠长石和绿帘石等（Berfer et al．，1996）、绿泥石等（胡玲等，2009），如果脱水后流体散失，可以转化为辉石。

图7　温度800℃样品s10－52微观结构特征Fig．7　Microscopic images of the deformed sample，s10－52，at temperature of 800℃．

图8　温度800℃条件下样品s10－52扫描电镜特征Fig．8　Scanning electron microscopy（SEM）of sample s10－52 at 800℃．

此外，本实验中，在800℃时，角闪石出现动态重结晶作用，这与在低角闪岩相的条件下（曹淑云等，2007；纪沫等，2013；张晓丽等，2014）发生膨凸动态重结晶作用类似。由于实验变形应变速率远低于天然变形，角闪石发生塑性变形所需的温度（700～800℃）也相应有所增加，高于低角闪岩相变质温度。

角闪石中普遍发育的扭折可能与角闪石双晶化有关。实验变形的角闪石中以（101）双晶为主，很少见到（100）双晶（Rooney et al．，1974）。Dollinger等（1975）认为，产生（101）双晶的（100）［001］滑移系只需要一个比较低的临界分解应力。与实验变形不同，天然角闪石变形位错滑移系包括（100）［001］、（010）［001］和（100）［010］（Rooney et al．，1975；Jiang et al．，1996；Passchier et al．，2005），其中，最主要的是（100）［001］滑移（Skrötski，1992；Kruse et al．，1999），另外，天然变形条件下角闪石中普遍出现（100）机械双晶。显然，角闪石在野外变形与实验室变形条件下，其变形双晶化机制并不相同（Bierman，1981；Hacker et al．，1990；曹淑云等，2007）。

5　结论

（1）随着温度升高，样品的应力－应变曲线由强化逐渐转化为屈服，并且出现弱化。样品强度显著降低，随着围压增加，样品强度增大，随着应变速率降低，样品强度降低。压缩方向与样品面理斜交的实验样品强度显著降低。

（2）实验变形样品在500℃时，角闪石表现为晶内破裂和碎裂变形，其变形以脆性为主导；在600℃时，样品中发育由角闪石残斑和碎裂基质构成的碎裂组构，部分角闪石晶体出现了波状消光，角闪石以碎裂变形为主，局部具有塑性变形的特征；在700℃时，样品以晶体扭折变形为主，局部出现脱水和细粒微晶，并且含有微破裂，显示了样品以晶体扭折变形为主，含有微破裂，样品变形处于脆－塑性转换域；在800℃时，样品中基本没有发现明显的脆性变形，样品以动态重结晶作用为主，角闪石出现脱水。

（3）在实验温压范围内，在500℃→600℃→700℃→800℃条件下，角闪石变形机制表现为脆性破裂→碎裂流动→晶体扭折→动态重结晶和脱水作用，显示了角闪石经历了脆性—脆－塑转化—塑性变形的变形机制。

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Abstract

In this paper，rheological experiments are carried out on natural hornblende under high temperature and high pressure．We used polarizing microscope and scanning electron microscope to analyze the experimental samples’microstructure，investigating the mechanisms of hornblende under the condition of different temperature，pressure and strain rate．The experimental results reveal the following features of the stress-strain curves of deformed samples：As the temperature increases，the stress-strain curve of the samples changes gradually from strengthening to yielding and weakening，sample strength reduces significantly；with the increase of confining pressure，the sample strength increases；and with the decrease of strain rate，the sample strength reduces，and it significantly reduces in the samples with the compression direction heterotropic to foliation．Plenty of transgranular fractures as well as a small amount of cataclastic deformation occur in hornblendite at temperature of 500℃，and the deformed sample is dominated by brittle deformation．At temperature of 600℃，porphyroclast system consisting of residual plaques and cataclastic series grows in the samples，wavy extinction appears in part of hornblende crystals，the deformation is characterized mainly by cataclastic deformation with ductile deformation，locally．At temperature of 700℃，the deformation is mainly dominated by intragranular kink，and dehydration and fine-grained microcrystalline appear locally，containing microcracks．The deformation of the sample is in the brittle-plastic transition phase；At temperature of 800℃，almost no obvious brittle deformation is observed in the deformed samples，thesamplesaredominatedbydynamicrecrystallization，anddehydrationappears．Therefore，at the temperature conditions of 500℃，600℃，700℃and 800℃，the deformation of hornblende is characterized by brittle fracture，cataclastic flow，crystal kink，dynamic recrystallization and dehydration，which shows the deformation mechanism varying from brittle to brittle-ductile，and to ductile deformation．

THE BRITTLE-PLASTIC TRANSITION IN EXPERIMENTALLY DEFORMED HORNBLENDE UNDER HIGH TEMPERATURE AND HIGH PRESSURE

SONG Juan1）ZHOU Yong-sheng2）ZHONG Ke3）LIU Gui4）LIU Zhao-xing2）
1）China University of Petroleum，Qingdao266580，China
2）State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing100029，China
3）China University of Geosciences（Beijing），Beijing100083，China
4）Key Laboratory of Computational Geodynamics，CAS，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049

hornblende，highpressureandhightemperature，brittle-ductiletransition，microstructure，deformation mechanism

P313

A文献标识码：0253－4967（2015）01－0081－13

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．007

宋娟，女，1975年生，2004年在中国地震局地质研究所获得固体地球物理专业硕士学位，讲师，主要从事高温高压岩石力学与流变学及与地震学相关的教学和研究工作，电话：18669880408，E－mail：songjuan95＠126．com。

2013－10－07收稿，2014－12－26改回。

国家自然科学基金（41374184）和地震动力学国家重点实验室自主研究课题（LED2010B03，LED2013A05）共同资助。

周永胜，男，研究员，E－mail：zhouysh＠ies．ac．cn。