主要造岩矿物动态重结晶作用概述

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低温条件下,相邻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,并形成新的独立小颗粒的过程,称为低温颗粒边界迁 移或膨凸重结晶作用[9-10]。膨凸重结晶作用主要发育于具有明显位错密度差异的不同颗粒边 界和三连点附近部位。曹淑云等(2007)[11]在对云南点苍山地区的变形角闪石研究中发现, 脆-韧性转变条件下角闪石颗粒的动态重结晶作用由双晶成核作用完成,剪切应力作用下动 态重结晶新颗粒沿双晶面发生剥离,这种重结晶作用可看作膨凸重结晶作用的一个特例。
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参考文献
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3. 主要造岩矿物的动态重结晶变形现象
自然界中组成岩石圈以及对岩石圈性质影响较大的重要造岩矿物,主要包括方解石及白 云石、石英、云母、角闪石、辉石和橄榄石等。这些矿物在不同变质条件或不同的构造层次 表现出不同的力学属性、变形行为和变形机制。下面本文就不同矿物的动态重结晶变形行为 进行详细分析。
现有资料表明,前人对方解石、石英和长石三矿物的动态重结晶作用进行了详细的研究。 众多学者对这三种矿物的动态重结晶作用也做了详细的研究,特别对其动态重结晶作用与温 度之间的关系进行了限定[12-13]。
方解石在 250℃左右的低级变质条件下即可发生动态重结晶作用[14],当有应力作用加入 时首先形成膨凸重结晶新晶粒[15](图版Ⅰa),随着变质条件的不断加深,方解石发生亚颗 粒旋转重结晶作用并形成核幔结构,亚颗粒旋转新晶粒具有明显光性方位差异并组成幔部, 发育机械双晶的老颗粒残留为核部,但新晶粒并未继承老晶粒的双晶[15](图版Ⅰb)。
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主要造岩矿物动态重结晶作用概述1
纪沫,胡玲*,刘俊来,曹淑云
中国地质大学(北京),地质过程与矿产资源国家重点实验室,北京(100083)
E-mail:jimo19820731@163.com
摘 要:动态重结晶是一种重要的矿物变形作用,它主要包括膨凸、亚颗粒旋转和颗粒边界 迁移重结晶作用三种变形机制。随着变质条件的不断增强,膨凸、亚颗粒旋转和颗粒边界迁 移重结晶作用顺次出现。变形岩石中矿物发生的动态重结晶作用,是温度、压力、应力以及 流体等多方面综合作用的结果。结合主要造岩矿物矿物的观察及综合分析,本文提出以变质 相带划分主要造岩矿物动态重结晶机制的转变条件。由脆性到韧性变质条件,主要造岩矿物 的动态重结晶发生的相对顺序大致应为方解石→黑云母→石英→长石→角闪石→橄榄石→ 辉石。 关键词:造岩矿物;动态重结晶作用;变质条件
对于黑云母、角闪石、辉石和橄榄石等四种成份复杂的矿物,由于变质条件复杂和研究
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手段有限,现今对于它们的研究尚不深入。本文将现有资料综述如下: 黑云母在 250℃左右即可发生塑性变形[18-19],矿物化学成分不发生改变条件下,黑云母
发生亚颗粒旋转重结晶,同时在膝折带附近出现细小的膨凸重结晶颗粒[20-21](图版Ⅰf)。 角闪石在脆-韧性转变条件下(600-670℃),通过双晶成核完成其动态重结晶过程[11]
石英的膨凸、亚颗粒旋转和颗粒边界迁移动态重结晶作用在天然和实验岩石中均十分常 见,Pssichier(2005)观察到石英的高温颗粒边界迁移动态重结晶作用如图版Ⅰc 所示,照 片中部浅灰色石英的颗粒边界向右下角深灰色的石英颗粒发生迁移。
长石在脆-韧性转变条件下,其未变形或弱变形残斑边缘首先形成膨凸重结晶新晶粒。 新生晶粒仅沿残斑边缘分布并形成不连续的花彩弧构造(festoon),变形初期这些膨凸重结 晶颗粒与母颗粒具有相同的光性方位,但随着变形过程的不断演化,其光性方位会发生较大 程度的改变并最终独立为重结晶新颗粒[16](图版Ⅰd)。斜长石亚晶粒旋转过程由膝折带、 晶格旋转直到形成新晶粒等一系列变形组成,重结晶新晶粒继承了主晶双晶[17](图版Ⅰe)。
图 2 主要造岩矿物动态重结晶演化序列 Brittle: 脆性变形; TW: 双晶作用; BLG: 膨凸动态重结晶; SGR: 亚颗粒旋转动态重结晶; GBM: 颗粒边界迁移动态重结晶.
(1)沸石相条件下,方解石和黑云母发生膨凸重结晶作用; (2)低绿片岩相条件下,方解石以亚颗粒旋转重结晶作用为主,石英以膨凸重结晶作 用为主; (3)高绿片岩相条件下,石英、长石经历不同的动态重结晶作用,石英为亚颗粒旋转, 斜长石为膨凸重结晶作用; (4)低角闪岩相条件下,石英以颗粒边界迁移为主,斜长石为亚颗粒旋转; (5)高角闪岩相条件下,角闪石为双晶膨凸重结晶作用; (6)麻粒岩相条件下,角闪石以亚颗粒旋转作用为主,橄榄石和辉石发育膨凸和亚颗 粒旋转重结晶作用,但辉石发生动态重结晶作用的条件略高于橄榄石; (7)不同矿物的动态重结晶机制转变的相对顺序及不同变质条件如图 2 所示,主要造 岩矿物由脆性向韧性变形转变的顺序大致应为方解石→黑云母→石英→长石→角闪石→橄 榄石→辉石。
在高角闪岩相条件下,石英为矩形条带(图版Ⅱg);斜长石的重结晶以亚晶粒的旋转 及颗粒边界迁移机制共同作用形成新晶(图版Ⅱe)。
在麻粒岩相条件下,石英重结晶为长条状单晶;长石表现为完全的晶质塑性,重结晶作 用十分发育;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;角闪石完全重结晶为等粒状亚颗粒旋转新晶粒(图版Ⅱg);长石表
在高绿片岩相条件下,石英几乎完全重结晶,发育多晶集合体条带;黑云母普遍重结晶; 长石开始亚颗粒旋转重结晶(图版Ⅱe),晶内普遍发育机械双晶、变形带、扭折等变形现 象(图版Ⅱe)。
在低角闪岩相条件下,石英重结晶粒度开始变粗,形成矩形条带;斜长石重结晶机制以 颗粒边界迁移为主,形成拉长状新晶;钾长石重结晶发生成分的分解作用,可形成大量的白 云母和石英;角闪石常常形成强形态组构(图版Ⅱf)。
辉石在辉长质糜棱岩(800℃左右)中呈残斑出现,其中斜方辉石细粒重结晶颗粒组成 了斜方辉石的不对称拖尾,单斜辉石变斑晶也由细粒重结晶斜方辉石组成,这些细粒新晶粒 由膨凸重结晶作用形成[24](图版Ⅱb)。斜方辉石在 1400℃左右条件下,动态重结晶为单斜 辉石与斜方辉石动态重结晶多边形新晶粒集合体的同时,伴随着单斜辉石出溶叶理的出现 [25-28](图版Ⅱc)。
在沸石相条件下,方解石在应力作用下发育膨凸重结晶新晶粒,黑云母开始发生塑性变 形,但黑云母的膨凸和亚颗粒旋转动态重结晶作用可出现在相当广泛的条件下。
在低绿片岩相条件下,石英出现位错滑移形成的单晶丝带构造,仅有少量亚晶粒及膨凸 重结晶新晶;黑云母以简单开阔的扭折为主;长石晶内开始出现波状消光、机械双晶、变形 带、扭折等由位错滑移引起的变形现象(图版Ⅱd)。
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现为晶质塑性时,单斜辉石与其动态重结晶新颗粒形成核幔结构(图版Ⅱh);斜方辉石重 结晶为单斜辉石和斜方辉石组成残斑的拖尾部分,同时橄榄石完全动态重结晶为新颗粒,可 以推断辉石的动态重结晶条件略高于橄榄石(图版Ⅱi)。
5. 结论与讨论
动态重结晶作用在矿物变形过程中起了重要作用,它主要包括膨凸重结晶作用、亚颗粒 旋转重结晶和颗粒边界迁移重结晶作用三种变形机制。Passchier 等(2005)[10]提出矿物发 生动态重结晶的相对顺序为方解石→黑云母→石英→长石→橄榄石→石榴石→角闪石。但根 据本文对方解石、石英、长石、黑云母、角闪石、橄榄石和辉石等主要造岩矿物矿物的观察 及综合分析,可以提出以下结论:
1.引言
动态重结晶在岩石变形过程中矿物的变形起到了重要作用。随着矿物的不断变形,晶体 内位错增加到一定程度后会以连续或不连续的方式消除。前者即为动态恢复作用,而后一过 程中发生无位错颗粒的再生长,称为重结晶作用。重结晶作用按其驱动力或方式不同,可分 为静态和动态重结晶作用。动态重结晶作用普遍出现于广泛的变形条件中,一般地矿物在温 度 T>0.5Tm(Tm 为熔融温度)或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[1]。
(图版Ⅰg)。角闪石在高温条件(675-720℃)下,发生亚晶粒旋转动态重结晶,晶粒间多 色性发生明显变化,残晶为暗棕绿色而新晶粒为暗绿色[22](图版Ⅰh)。
橄榄石在麻粒岩相条件下的初糜棱岩化橄榄岩中,其残斑边缘发育以亚晶粒壁为特征的 膨凸重结晶新晶粒[23](图版Ⅰi)。另外橄榄石的亚颗粒旋转动态重结晶可变形橄榄石残斑 呈现为拉长状亚晶粒,围绕残斑形成的新晶粒具有较大的光性方位差和明显的颗粒边界[15] (图版Ⅱa)。
4. 主要造岩矿物动态重结晶作用的变形条件
方解石、石英、长石、黑云母、角闪石、辉石和橄榄石等主要造岩矿物的动态重结晶过 程可以出现在不同构造层次的变形变质条件。Passchier 等认为动态重结晶作用主要与温度有 关,本文经过综合分析后认为,温度仅仅是一个重要的影响因素,但不是唯一因素,还应考 虑压力、流体等多种因素,因此本文用变质相对这些层次进行划分。变质相的概念首先由 P.爱斯科拉提出,是指反映多种原岩成分,在一定温度压力条件下,与变质矿物组合之间的 对应关系;即一个变质相包括了在一定物化条件下形成的代表多种原岩化学成分的变质矿物 组合。综合前人资料[29-30],本文总结了不同的构造层次或不同的变质条件下,不同矿物的变 形特征。
2.动态重结晶机制
动态重结晶是变形晶体中位错密度降低的结果[2-5]。高位错密度颗粒的边界物质转移到 低位错密度的晶体晶格中,弱变形颗粒增大而强变形颗粒减小。重结晶作用以矿物颗粒内部 粒度、形态和定向性的改变为代表特征[6-8]。动态重结晶机制主要包括膨凸(BLG, bulging recrystallisation)、亚颗粒旋转(SGR, Subgrain rotation recrystallisation)和颗粒边界迁移(GBM, Grain boundary migration)三种。
随着较高温度条件下动态恢复作用的不断发展,晶内位错逐渐有效地组织形成位错壁和 位错阵列,并组织形成亚颗粒。随着亚颗粒的旋转和错向逐渐加强,相邻亚颗粒之间位向差 θ >12°时即可构成大角度边界,最终形成与变形主晶光性方位有显著差异的新晶体颗粒,称 为亚颗粒旋转动态重结晶作用[10]。
高温条件下,新生的无应变动态重结晶颗粒广泛出现,它们与相邻高应变变形主晶直接 接触。造成了颗粒间的位错密度差,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噬高位错密度(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迁移,称为颗粒边界迁移动态重结晶作用[10]。
1本课题得到教育部博士点基金(20040491003),国家自然科学基金(40772133)的资助。
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图 1 动态重结晶机制演化过程简图(据 Passchier et al., 2005 改编) a. 膨凸重结晶作用; b. 亚颗粒旋转重结晶作用; c. 颗粒边界迁移重结晶作用
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