晶质塑性变形有哪些?
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发布时间：2022-05-02 20:20
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时间：2022-06-26 20:08
岩石变形通过晶体内部晶格结构调整或晶内变形来实现，由位错的运动、增殖与组织过程完成。晶质塑性变形过程包括位错滑移、位错攀移、动态恢复与动态重结晶作用过程。
1.位错滑移（dislocation glide）
在应力作用下，晶体内位错沿着特定滑移系滑移的结果使得矿物形态发生改变，但内部的晶胞却几乎未变形。对于特定的矿物类型如石英、长石、方解石和橄榄石等，其内部滑移系常常有多个，而且在不同温度和压力等环境条件下，同种矿物晶体内部各种滑移系的作用有所差异。晶体内部滑移系的启动，不仅与外施应力的方向和大小有关，也与该滑移面上的临界分解剪切应力（τc）值的大小有关。产生晶内滑移的条件是作用在滑移面内滑移方向上的剪应力必须超过其临界分剪应力值。临界分剪应力值与变形晶体所处物理化学条件密切相关。
位错滑移主要有两种表现形式：平移滑移和双晶滑移。
平移滑移（translation gliding）又称平移滑动、直移滑动。即晶体的一部分相对于另一部分发生了单位晶格的整数倍滑移（图2-5）。滑移时，角剪切应变发生变化，晶格内部质点排列不变，这样平移滑移后可以使晶体形态发生改变，同时，还可改变矿物集合体形态或结晶学优选方位。这是因为实际矿物中的平移滑移，受诸多因素的制约，如图2-6是设想矿物晶体在拉伸过程中晶体两端固定和不固定的两种情况，如果晶体两端不固定，滑移片可以任意滑动，则是晶体外形发生旋转，而滑移面和滑移向不变，滑移后，晶体只有形态的改变而无光性方位的改变；若两端被固定，晶体不旋转，其滑移面和滑移系却发生了转动，这样变形后的矿物集合体不仅形成了形态优选方位，也形成了光性的优选方位。在光学显微镜下，单个晶体滑移后晶格的方位并不变，不能产生可见的效应，只有在某些特殊情况下，才可以看到滑移线或其他异常条纹，如沿滑移线吸附、充填有杂质等。
平移滑移是晶体塑性变形作用的基本过程，也是变形作用过程中的主要显微构造型式。在差应力作用下的矿物晶体内，因产生时的不均匀性，或因滑移致使具有不均匀性而产生典型的不均匀消光和波状消光。位错平移滑移使得位错呈带状集中，则分别表现为变形纹或变形带。
平移滑移的实质是位错在晶内滑动，若没有遇到障碍，位错最后移出晶体在晶界上形成台阶，在晶面上产生滑移线或滑移带。
双晶滑移（twinning gliding）晶内滑移时，晶体的一部分相对于另一部分滑移的距离为单位晶格的非整数倍（图2-7）。平移滑移时角剪切应变是变化的，而在双晶滑移中，角剪切应变是恒定的，它的大小严格地为双晶的几何要求所决定。双晶滑移同样也是位错在晶内滑移造成的（图2-8）。双晶滑移的结果是造成了相对位移的两侧晶体以滑移面为对称面成镜像对称。由于双晶部分与非双晶部分在物理性质上的不连续，显微镜下可见机械双晶纹，或称变形双晶、次生双晶。双晶滑移也可能产生矿物集合的形态和结晶学优选方位。机械双晶是矿物晶体变形的一种很重要的产物，是鉴别岩石变形及推断岩石变形条件的重要依据之一。当然变形岩石中除了矿物的机械双晶外，还有生长双晶和退火双晶等。
一般地，产生双晶滑移的剪应力值比平移滑移要高许多。因此，只有当矿物不利于产生平移滑移时才产生双晶滑移。不利于产生平移滑移的因素有晶体结构对称性差、矿物滑移系少等，天然变形矿物中常见机械双晶的有长石与方解石，角闪石和辉石中也常见。
双晶滑移是晶体低温变形的重要机制之一，对于方解石晶体内双晶几何特点的研究显示出，双晶的形状、厚度和密度等与变形温度环境及应变速率、应变量有着密切的联系。
2.位错攀移（dislocation climb）
刃型位错沿着垂直于滑移面方向上的运动称为位错攀移（图1-5）。位错滑移与位错攀移同时发生的综合作用过程为位错蠕变。位错发生攀移需要一定的驱动能量，温度升高或者流体相的介入都是有利的因素。
3.动态恢复作用（dynamic recovery）
动态恢复作用是使变形晶体恢复到无应变状态的作用过程，它是一个促使体系内能降低的过程。受应力作用的矿物晶体内会产生位错，位错在动力和热力平衡的过程中因其高能态而不稳定，受应力作用位错不仅会出现滑移，还会发生攀移（刃型位错）、交叉滑移（螺型位错），进而出现位错的重新排列、叠加、湮灭（异号位错相遇而抵消）等恢复作用，这种过程称为动态恢复作用。在这种情况下，应变主要是由位错滑移引起的，但应变速率则受位错攀移，即恢复作用的控制。当位错增殖引起的内应力增加（硬化）与由攀移等引起的内应力减小（恢复）之间达到动态平衡时，变形进入蠕变也即稳态流动阶段。位错壁、位错列、变形带、亚晶粒等是恢复作用形成的典型微构造型式。
4.动态重结晶作用（dynamic recrystallization）
重结晶作用按其驱动力或方式不同，可分为静态重结晶和动态重结晶。前者是在热状态改变时，发生的晶体颗粒在基本上不发生成分改变的情况下出现的颗粒粒度的加大过程。显微构造研究中最关注的是动态重结晶作用，也即在变形过程中的重结晶，是在一定的变形温度、差应力和应变速率条件下，变形晶体内发育的位错逐渐有效地组织，并经过亚晶粒发展形成新生颗粒的基本过程。
一般地，矿物在温度T＞0.5Tm下变形时，或在达到一定临界应力和较低应变速率的蠕变中都有可能发生动态重结晶。动态重结晶颗粒的成核和生长有以下几种方式：
膨凸重结晶作用（bulging recrystallization）低温条件下，晶体内部的位错和颗粒边界活动性很低。在两个具有不同位错密度的颗粒边界附近，具有较低位错密度的颗粒向着具有较高位错密度的颗粒一侧凸出，并形成新的独立细小颗粒的过程，称为低温颗粒边界迁移或膨凸重结晶作用（Stipp et al.，2002；Passchier and Trouw，2005）。膨凸重结晶作用主要发育于具有显著位错密度差异的不同颗粒边界上，颗粒边界的不平整为膨凸作用的发生提供了条件。
对于膨凸重结晶作用的微观机制，目前理解还不十分深入。原因在于，一方面颗粒边界将在膨凸部位从位错密度较低的颗粒逐渐向着位错密度较高的颗粒方向迁移，使得颗粒边界弯曲曲率加大，并最终合并形成一个细小的新生颗粒。另一方面，颗粒边界的膨凸，使得颗粒边界附近局部应力增加，位错密度加大。新生位错沿着某些特殊的方向组织并使得膨凸部位孤立出来，形成细小的新生颗粒。
双晶成核重结晶作用（twinning nucleation recrystallization）在双晶成核重结晶作用过程中，双晶边界的发育和演化起着极其重要的作用。剪切应力的作用在变形晶体内产生了两种效应，即变形双晶和位错。曹淑云等（2007）在对云南点苍山地区的变形角闪石所进行的研究中发现，在脆-韧性转变条件下，角闪石颗粒的动态重结晶作用是由双晶成核作用这样一种特殊的过程完成的。新生的位错在温度的影响下会发生有限攀移，其中一部分向着（100）双晶面攀移并促进双晶作用的进一步发展，另一部分则向着（001）方向攀移，并构成位错壁。在位错攀移过程中，双晶面的存在制约了位错攀移的发展空间（照片2-1），使之难以形成稳态的多边形亚晶粒。新生动态重结晶颗粒的形成是由于受剪切应力制约而沿着双晶面（100）发生旋转，并使边缘部分脱离主晶。在此过程中，与（100）双晶面直交的（001）位错壁起着重要的辅助作用。它们的存在以及沿着该方向位错壁的发展及进一步旋转才使得其围限部分独立出来，并形成针柱状形态的新生颗粒。它们以其形态长轴多数（95%以上）平行排列，并平行于剪切力方向。由于位错攀移作用有限，且其新晶粒径比亚晶粒旋转重结晶粒径小，因此，此种重结晶作用也可以看做是膨凸成核重结晶作用的特例。也许对于方解石、斜长石和角闪石等双晶发育的矿物晶体而言，矿物晶体颗粒的动态重结晶过程中双晶的存在具有重要的意义（Liu et al.，2002；曹淑云等，2007；Cao et al.，2007），尤其在岩石脆-韧性转变变形环境条件下位错活动范围有限时发生的可能性更大。
亚晶粒旋转动态重结晶作用（subgrain rotation recrystallization）随着较高温度条件下动态恢复作用发展，晶内位错逐渐有效地组织形成位错壁和位错列，并组织形成亚晶粒。在此过程中，零散分布的自由位错和不规则组织的位错逐渐消失、位错密度减小。与此同时亚晶粒的旋转和错向逐渐加强，使相邻亚晶粒之间位向差θ＞12°，亚晶粒边界变成大角度边界，并最终形成与变形主晶结晶方位有显著差异的新晶体颗粒，称为亚晶粒旋转动态重结晶作用。亚晶粒旋转重结晶作用的直接结果，使得相对粗粒的高应变颗粒转化成细小的无应变动态重结晶新晶粒。新晶粒度较变形主晶常低一个数量级以上，在非稳态流动条件下常常有一定的变化。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。
颗粒边界迁移动态重结晶作用（high-temperature grain boundary migration recrystalliza-tion）在非稳态变形条件下，相邻的矿物晶体颗粒常常可以具有不同的应变，表现为含有自由位错的密度差异，从而使得不同晶体颗粒之间具有能态差。此时的颗粒边界是一个不稳定的边界，低位错密度（或低能态）的晶体颗粒将首先吞食高位错密度（高能态）颗粒边界上的位错，并使得颗粒边界向着高位错密度颗粒方向发生迁移。在亚晶粒旋转动态重结晶作用过程的晚期或者后期阶段，新生的无应变动态重结晶颗粒广泛出现，它们直接与高应变变形主晶接触。高温颗粒边界迁移动态重结晶作用的结果，使得高应变主晶颗粒粒度越来越细小，而低应变的新生动态重结晶颗粒粒度逐渐增大。
上述不同重结晶的过程如图2-9。同种矿物及不同矿物的动态重结晶机制的转变与温度、压力、应变速率和差异应力等因素的综合作用密切相关（详见第六章）。
动态重结晶作用过程实际上是能量降低的过程，这些能量包括：晶格缺陷能、颗粒边界能、化学自由能及弹性应变能等。动态重结晶作用过程也是亚晶粒边界、颗粒边界形成和迁移、新生晶体的形成和生长的过程。
动态重结晶作用的结果是使得由应变造成的应变硬化与由动态重结晶作用引起的应变软化达到动态平衡，出现了由硬化到软化再硬化再软化的不断重复，最终由位错密度低的无应变颗粒取代了位错密度高的应变硬化颗粒。这些新晶粒粒径明显减小，改变了原颗粒的形状和大小，并形成新的结晶学优选方位和形态优选方位，这也是糜棱岩化作用过程的基本原理。
此外，动态重结晶颗粒与主晶之间还常常存在成分的变异。大量的实验及天然变形的斜长石成分分析表明，重结晶颗粒的An牌号较原始颗粒的An低。这是由于An越低，其化学自由能越低的缘故；同时说明重结晶过程不仅是应变能减少的过程，而且也是化学自由能减少的过程。
