第四章 变形机制

1.微应变阶段 2.塑性应变阶 段（位错密度 加大、应变硬 化、恢复。 3.稳态蠕变
动态恢复时应力-应变曲线
亚晶粒、重结晶， 降低位错密度， 发生在高温条件 下。
四、 动态重结晶作用 • 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. • 依据动态重结晶形成机理和方式的不同,可以把动态重结晶 作用又进一步划分为颗粒边界迁移重结晶和亚晶粒旋转重 结晶两种类型
(f) Enlargement of the typical foam structure of mmS90, showing the equilibrium grain shapes and generally tight structure without pervasive porosity. The porosity distribution is, however, heterogeneous—although most grain boundaries are almost pore-free, local pockets exist where grain boundaries are covered in scattered fine pores, e.g. in the centre-right of the photograph (see also Fig. 6a and b), XY surface.
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具有代表性的几种机械双晶形态特征
• 3.扭折(Kinking) • 当挤压应力轴与滑移面平行或夹角很小(0~30°),
晶体就会发生弯曲,产生了扭折,形成了膝折. • 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.
五、高温扩散蠕变
• 1、基本概念 • 扩散蠕变扩散蠕变是一种通过扩散物质的转移而达到
颗粒形态改变的作用，它分为高温扩散蠕变和低温扩散蠕 变。
• 高温扩散蠕变可以分为体积扩散蠕变或晶内扩散蠕变
(Nabarro-Herring)、颗粒边界扩散蠕变(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。
• b.亚晶粒旋转重结晶作用(subgrain rotation recrystallization):由动态恢复作用形成的亚晶粒逐渐 旋转,使相邻亚颗粒之间位向差>12°,形成了大角度 边界,形成了新颗粒.
(b)Irregular Qtz2,1 surrounded by fine, equigranular Qtz2,2, XZ surface (mmS80).
库仑剪破裂准则： ������ 问题的提出–岩石 实验中破裂面与应力 圆中最大剪应力作用 面不一致–自然界岩石 实际共轭剪裂面夹角 也不是90° ������ 库仑准则的核心– 剪破裂不仅与剪应力 有关，而且与正应力 有关������ 经验公式
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库仑剪破裂准则 表达式：τ＝τ0＋μσn τ——剪破裂发生时的剪应力 τ0——当σn＝０时岩石的抗剪强度（又称 岩石内聚力） • ������ 上式可改写成τ＝τ0＋σn·tgυ截距为τ0的 直线方程
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, 变形以颗粒边界扩散蠕变为主, 其证据如 下: ①样品显示颗粒渐进增大, 而不是维持平衡的动态重 结晶颗粒粒度, 发育矩形而不是多边化的颗粒;②颗 粒内部平均自由位错密度特别低; ③沿颗粒边界有大 量的开口孔隙和裂隙; ④在两种长石组分(An1和An79) 等量混合物中, 许多较大颗粒的核和边缘成分不同 。
• 2.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.滑移的结果造成了相对位移两侧晶体以滑移面为对称面成 镜像对称,即产生了机械双晶. c.双晶滑移也可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.
• a.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 运动引起应变的作用过程。
• b.颗粒边界扩散蠕变(coble): • 晶体边界上点缺陷和质点的扩散引起岩石和 矿物变形的过程。由于边界缺陷所需要的激 活能只等于晶格扩散激活能的一半，在低温 范围内颗粒边界扩散占主导地位。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
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：ε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；σ 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；颗粒边界扩 散蠕变m = 3。
3、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 天然变形长石中的实例；其证据包括:（1）碱性长石核幔构 造的幔部为不连续的斜长石和钾长石两种成分的亚颗粒；反 映在位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，微斜长石中的出溶斜长石域出现重新组合，表 现为出溶斜长石域的拉长及联合增长，在高应变部位，拉长 的出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出最粗的花呢构造。
• a.颗粒边界迁移重结晶作用(grain boundary migration recrystallization):颗粒边界膨胀作用(bulging)和成核作用(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,在此过程中不需要改变矿物晶体的化学成分.
2）、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，而且完全沿一些颗粒边界分布（即湿润了 颗粒边界）。
• 5.超塑性蠕变
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界扩散变形过程造成的；（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。
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(单偏光) ;b 王 安镇岩体康家沟村附近碎裂岩(正交偏光)
三、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。 • 应变硬化就是变形晶体内位错密度增大（位 错缠结、交割等）； • 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）。
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: ①早期碎裂岩(基质是碎基和压溶残余物) , ②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: ①最早期碎裂岩(碎基和压溶残 余物胶结) , ②、③后2 期碎裂岩(充
第四章 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
• 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。
Griffith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 子间内聚力所需要的临界值时，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