高溫高壓條件下角閃巖脆－塑性轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)研究

宋　娟　周永勝　鐘　柯　劉　貴　劉照星

1）中國(guó)石油大學(xué)（華東），青島　266580

2）中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100029

3）中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京　100083

4）中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100049

高溫高壓條件下角閃巖脆－塑性轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)研究

宋娟1）周永勝2）鐘柯3）劉貴4）劉照星2）

1）中國(guó)石油大學(xué)（華東），青島266580

2）中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

3）中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083

4）中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100049

在高溫高壓條件下開(kāi)展了天然角閃巖樣品的變形實(shí)驗(yàn)研究，并且利用偏光顯微鏡和掃描電鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，研究了在不同的溫壓和應(yīng)變速率條件下角閃石的變形機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度升高，樣品的應(yīng)力－應(yīng)變曲線由強(qiáng)化逐漸轉(zhuǎn)化為屈服，并且出現(xiàn)弱化，樣品強(qiáng)度顯著降低，隨著圍壓增加，樣品強(qiáng)度增大，隨著應(yīng)變速率降低，樣品強(qiáng)度降低，壓縮方向與樣品面理斜交的實(shí)驗(yàn)樣品強(qiáng)度顯著降低。實(shí)驗(yàn)變形樣品在500℃時(shí)，角閃石表現(xiàn)為晶內(nèi)破裂和碎裂變形，其變形以脆性為主導(dǎo)；在600℃時(shí)，樣品中發(fā)育由角閃石殘斑和碎裂基質(zhì)構(gòu)成的碎裂組構(gòu)，部分角閃石晶體出現(xiàn)了波狀消光，角閃石以碎裂變形為主，局部具有塑性變形的特征；在700℃時(shí)，樣品以晶體扭折變形為主，局部出現(xiàn)脫水和細(xì)粒微晶，并且含有微破裂，顯示了樣品以晶體扭折變形為主，含有微破裂，樣品變形處于脆－塑性轉(zhuǎn)換域；在800℃時(shí)，樣品中基本沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的脆性變形，樣品以動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用為主，角閃石出現(xiàn)脫水。因此，在實(shí)驗(yàn)溫壓范圍內(nèi)，在500℃→600℃→700℃→800℃條件下，角閃石變形機(jī)制表現(xiàn)為脆性破裂→碎裂流動(dòng)→晶體扭折→動(dòng)態(tài)重結(jié)晶和脫水作用，顯示了角閃石經(jīng)歷了脆性—脆－塑轉(zhuǎn)化—塑性變形的變形機(jī)制。

角閃石高溫高壓脆－塑性轉(zhuǎn)化微觀結(jié)構(gòu)變形機(jī)制

0　引言

角閃石是主要造巖礦物之一，在綠片巖相至高角閃巖相的變質(zhì)巖中和巖漿巖中普遍存在。研究角閃石的變形，對(duì)于認(rèn)識(shí)地殼巖石變質(zhì)變形、脆－塑性轉(zhuǎn)化與流變具有重要的作用。角閃石結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且具有類質(zhì)同象。這種獨(dú)特的礦物結(jié)構(gòu)與成分特征，導(dǎo)致角閃石變形行為與變形機(jī)制表現(xiàn)出多樣性，并且在變形過(guò)程中伴有成分的改變，因此，自然界的角閃石變形與變質(zhì)反應(yīng)共存。對(duì)地殼變形角閃石的研究表明，低溫或高應(yīng)變條件下，角閃石最主要的特征是碎裂變形，這是因?yàn)榻情W石在變形過(guò)程中容易沿夾角為56°或124°的2組完全解理（110）和（110）面滑動(dòng)，如果存在流體作用時(shí)，伴有壓溶與擴(kuò)散蠕變（Passchier et al．，2005）。角閃石沿｛110｝解理的脆性微破裂產(chǎn)生細(xì)?；F(xiàn)象（Nyman，1992），導(dǎo)致變形巖石中角閃石發(fā)育的核幔構(gòu)造中，細(xì)粒角閃石主要由碎裂而不是由動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用形成。在高溫或低應(yīng)變條件下，地殼角閃石出現(xiàn)脫水與晶體塑性變形，表現(xiàn)為機(jī)械雙晶與位錯(cuò)滑移。天然角閃石在相當(dāng)于高角閃巖相－麻粒巖相的變質(zhì)條件發(fā)生亞晶粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶和恢復(fù)作用等高溫動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用（苗培森等，2001；Passchier et al．，2005），在低角閃巖相的條件下，發(fā)生膨凸動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用（曹淑云等，2007）。紀(jì)沫等（2013）在山西恒山和張曉麗等（2014）在北京市房山區(qū)東嶺東萬(wàn)路出露的角閃巖中發(fā)現(xiàn)了低角閃巖相的角閃石出現(xiàn)了膨凸重結(jié)晶現(xiàn)象。另外，在變形過(guò)程中，角閃石伴有變質(zhì)反應(yīng)與脫水作用，普通角閃石經(jīng)常分解為組分不同的閃石（Imon et al．，2002，2004）、黑云母、鈉長(zhǎng)石和綠簾石（Berfer et al．，1996）、綠泥石等（胡玲等，2009）。

與天然角閃石變形研究相比，實(shí)驗(yàn)室研究角閃石變形比較少。Tullis（1983）研究表明，在實(shí)驗(yàn)室條件下，角閃石晶質(zhì)塑性變形在溫度超過(guò)450℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)，但Hacker等（1990）研究表明，在低于700℃條件下，角閃石仍然以碎裂變形為主，在760℃條件下，角閃石開(kāi)始出現(xiàn)脫水。Passchier等（2005）認(rèn)為，角閃石發(fā)生晶質(zhì)塑性變形的難度較大，其塑性變形溫度條件甚至比橄欖石還要高。

由此可見(jiàn)，角閃石的變形是一種復(fù)雜的過(guò)程，除了受溫度、壓力、應(yīng)變速率等影響外，角閃石脫水、成分變化、變形方式與變形機(jī)制等多種因素也有重要影響。對(duì)于角閃石的天然變形研究仍然不太全面，實(shí)驗(yàn)研究更少，是主要造巖礦物中變形研究程度最低的礦物，缺乏對(duì)于角閃石脆－塑性轉(zhuǎn)變及塑性變形機(jī)制的深入研究。本文主要以角閃巖為研究對(duì)象，通過(guò)高溫高壓變形實(shí)驗(yàn)，分析不同溫度、壓力和應(yīng)變速率的條件下角閃石相對(duì)應(yīng)的變形特征，探討角閃石的脆－塑性轉(zhuǎn)化和動(dòng)態(tài)重結(jié)晶機(jī)制。

1　實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研制的Griggs型3GPa熔融鹽固體介質(zhì)三軸高溫高壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，圍壓和軸壓加載系統(tǒng)通過(guò)液壓伺服油缸控制加載，實(shí)驗(yàn)儀器控制和數(shù)據(jù)采集通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)控制軟件不僅能夠?qū)崟r(shí)顯示并記錄實(shí)驗(yàn)位移、壓力和溫度信息，而且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)中位移控制方式和應(yīng)力控制方式的平穩(wěn)切換。溫度控制系統(tǒng)采用Yamatake-Honeywell DCP－30型控溫儀，控制精度為0.1%。實(shí)驗(yàn)前后通過(guò)氣墊底座方便的移動(dòng)壓力容器，實(shí)驗(yàn)中使用水冷系統(tǒng)對(duì)壓力容器外部降溫。在設(shè)備投入使用前進(jìn)行了系統(tǒng)的圍壓和溫度標(biāo)定研究（韓亮等，2011，2009）與軸壓摩擦力標(biāo)定（劉照星等，2013）。

實(shí)驗(yàn)樣品為北京市房山區(qū)東嶺東萬(wàn)路出露的角閃巖，該角閃巖中角閃石含量90%～95%，斜長(zhǎng)石含量5%～10%。角閃石呈半自形板柱狀，構(gòu)成微弱的面理（圖1）。沿著垂直于樣品面理的方向鉆取實(shí)驗(yàn)樣品，加工成直徑為3mm、長(zhǎng)度6mm的圓柱體。因此，大部分實(shí)驗(yàn)的壓縮方向垂直于巖石面理，但也有少量樣品的長(zhǎng)軸與面理斜交，導(dǎo)致壓縮方向與面理斜交。裝樣方式參見(jiàn)劉照星等（2013）、劉貴等（2013）和Liu等（2014）。

根據(jù)前人的研究，溫度是影響角閃石力學(xué)強(qiáng)度和脆－塑性轉(zhuǎn)化與變形機(jī)制的主導(dǎo)因素（Vauchez et al．，1998）。因此，實(shí)驗(yàn)溫度分別為室溫、500、600、700和800℃，主要考察溫度的影響。在此基礎(chǔ)上，為了考察圍壓與應(yīng)變速率的影響，分別在圍壓500MPa和800MPa，應(yīng)變速率1×10－4和1×10－6條件下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。一共進(jìn)行了15次角閃巖高溫高壓變形實(shí)驗(yàn)，表1給出了實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1　角閃巖原巖的顯微結(jié)構(gòu)特征Fig．1　Microscopic images of starting samples of amphibolites．

表1　實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果Table 1　Experimental conditions and results

2　實(shí)驗(yàn)力學(xué)特征

實(shí)驗(yàn)樣品的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2所示。在低溫條件下，應(yīng)力－應(yīng)變曲線整體表現(xiàn)為硬化特征，隨著溫度升高，曲線出現(xiàn)了屈服特征。

在圍壓500MPa條件下（圖2a），室溫時(shí)樣品（s10－44）應(yīng)力－應(yīng)變曲線表現(xiàn)為典型的硬化特征，彈性模量大，強(qiáng)度高，而且隨著應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力持續(xù)增大，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)。500℃條件下（s10－46，S11－68），彈性應(yīng)變量相對(duì)于室溫條件（s10－44）顯著減小，非彈性應(yīng)變量增加，強(qiáng)度比室溫條件下顯著降低，但仍然表現(xiàn)為持續(xù)應(yīng)變硬化，表明樣品具有脆性－碎裂變形的特征。溫度600℃（s10－47）和700℃（s10－51）條件下，應(yīng)力－應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的屈服，屈服階段差應(yīng)力增加幅度減小，應(yīng)力趨于平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)溫度800℃（s10－52）時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線表現(xiàn)出微弱的弱化特征。在圍壓800MPa（圖2b）、溫度600℃（s10－54）和700℃（s11－95，s12－06，s13－08）條件下，應(yīng)力－應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的屈服和微弱的弱化特征，在溫度800℃（s13－06）時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線表現(xiàn)出顯著的弱化特征與穩(wěn)態(tài)塑性變形。

圖2　實(shí)驗(yàn)樣品在不同溫度和壓力條件下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig．2　Stress-strain curves of deformed samples under different temperature and pressure conditions．

與上述壓縮方向垂直于樣品面理的應(yīng)力－應(yīng)變曲線相比，壓縮方向與樣品面理斜交的實(shí)驗(yàn)彈性模量明顯變小，強(qiáng)度顯著降低（圖2c），而且在500℃（s11－73）、600℃（s13－01）時(shí)，曲線特征類似，出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力降，推測(cè)樣品可能出現(xiàn)了局部脆性破裂，而在700℃（s11－75，s10－56）時(shí)出現(xiàn)明顯的弱化和穩(wěn)態(tài)塑性變形。

實(shí)驗(yàn)樣品強(qiáng)度隨溫度、應(yīng)變速率、壓縮方向的變化趨勢(shì)（圖2d）表明，隨著溫度升高，樣品強(qiáng)度顯著降低，隨著圍壓增加，樣品強(qiáng)度增大，隨著應(yīng)變速率降低，樣品強(qiáng)度降低。壓縮方向與樣品面理斜交的實(shí)驗(yàn)樣品強(qiáng)度顯著降低（圖2d）。

3　實(shí)驗(yàn)樣品的變形微觀結(jié)構(gòu)特征

對(duì)所有實(shí)驗(yàn)變形樣品沿壓縮方向切開(kāi)，磨制薄片，在偏光顯微鏡和掃描電鏡下進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析。

3.1溫度500℃條件下樣品的變形特征

在室溫條件下，樣品形成一條單斜破裂面，破裂面平直，破裂面內(nèi)及其周?chē)鷽](méi)有出現(xiàn)碎裂變形。溫度在500℃時(shí)，樣品主要以脆性變形為主。在顯微鏡下，樣品s10－46中以角閃石微破裂為主，部分碎裂角閃石碎裂構(gòu)成碎基，表現(xiàn)出碎裂流動(dòng)的特征，局部發(fā)育了角閃石的波狀消光及晶內(nèi)扭折等塑性變形。因此，實(shí)驗(yàn)溫度為500℃時(shí)角閃石具有初碎裂巖的變形特征。

3.2溫度600℃條件下樣品的變形特征

在溫度600℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣品中可以觀察到大量角閃石碎斑和碎基，部分角閃石晶體中可以觀察到波狀消光。其中，樣品s10－47中，角閃石出現(xiàn)明顯的碎斑，大量碎基沿樣品中破裂面發(fā)育，少數(shù)角閃石晶體中發(fā)育波狀消光。樣品s10－54中，較大顆粒的角閃石殘斑與碎裂帶中細(xì)小顆粒同時(shí)存在，在碎裂帶內(nèi)，角閃石強(qiáng)烈破碎（圖3a，b）。樣品的強(qiáng)烈變形區(qū)角閃石晶體出現(xiàn)定向、彎曲與扭折，發(fā)育波狀消光（圖3c～f）。因此，溫度600℃條件下的角閃巖樣品發(fā)育碎裂，伴隨有部分波狀消光，變形具有脆－塑性轉(zhuǎn)化特征。

3.3溫度700℃時(shí)的變形特征

在溫度700℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣品中可以觀察到強(qiáng)烈的波狀消光及晶內(nèi)扭折現(xiàn)象，局部產(chǎn)生針柱狀新晶。樣品s13－8中塑性變形的角閃石晶體彎曲與扭折，邊緣出現(xiàn)細(xì)粒針柱狀新晶（圖4a，b）。樣品由于脫水變成暗色，細(xì)?；慕情W石具有定向和彎曲特征，顯示出塑性流動(dòng)特征（圖4c，d）。局部有微破裂，但角閃石的碎裂程度較低。

樣品s10－56中，角閃石暗化顯著，大量發(fā)育細(xì)?；樦鶢罱情W石，細(xì)?；情W石集合體內(nèi)發(fā)育網(wǎng)絡(luò)狀剪切帶（圖5a，b），角閃石局部存在微破裂，角閃石脫水形成黑色條帶，細(xì)粒角閃石定向分布，出現(xiàn)波狀消光與彎曲（圖5c，d）。在掃描電鏡下發(fā)現(xiàn)，角閃石普遍發(fā)育為破裂，局部角閃石邊緣脫水產(chǎn)生了細(xì)粒晶體（圖6a，b）；長(zhǎng)條狀角閃石定向分布（圖6c），角閃石顆粒邊界遷移形成的不規(guī)則邊緣（圖6d）。因此，700℃時(shí)，樣品中角閃石以晶體扭折和局部細(xì)粒化變形為主，具有低溫塑性變形特征，局部出現(xiàn)脫水，并且含有微破裂。

此外，對(duì)比樣品s13－8和s10－56的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，前者角閃石晶體彎曲和扭折發(fā)育，而后者細(xì)粒角閃石集合體定向，并且發(fā)育網(wǎng)絡(luò)狀剪切條帶。這種變形結(jié)構(gòu)差別與其力學(xué)特性是一致的。樣品s13－8的壓縮方向垂直于角閃石構(gòu)成的面理，強(qiáng)度比較高，不易發(fā)生雙晶化，而樣品s10－56的壓縮方向與角閃石構(gòu)成的面理斜交，強(qiáng)度比較低，極易發(fā)生雙晶化。這種強(qiáng)烈的雙晶滑移導(dǎo)致樣品中角閃石普遍出現(xiàn)定向分布的細(xì)粒針柱狀角閃石。

3.4溫度800℃條件下樣品力學(xué)與變形特征

在溫度800℃時(shí)，樣品s10－52中，很少發(fā)現(xiàn)碎裂與微破裂，角閃石晶體普遍出現(xiàn)扭折，沿解理出現(xiàn)脫水暗化條帶，角閃石邊緣出現(xiàn)針柱狀細(xì)粒晶體（圖7a，b）。角閃石沿扭折帶形成暗化條帶，大顆粒角閃石發(fā)育不規(guī)則邊界，并且在邊緣局部發(fā)育針柱狀細(xì)粒晶體（圖7c，d）。在掃描電鏡下，角閃石邊緣出現(xiàn)亞顆?；?，形成核幔結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)條狀角閃石定向、彎曲（圖8a）（黑色箭頭），表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)重結(jié)晶特征。角閃石由于脫水，在其邊緣出現(xiàn)一圈暗色微晶（圖8b）。這些變形特征表明，在800℃時(shí)樣品具有典型的塑性變形特征，并伴有角閃石的脫水。

圖3　溫度600℃時(shí)樣品s10－54的微觀結(jié)構(gòu)特征Fig．3　Microscopic images of the deformed sample，s10－54，at temperature of 600℃．

4　討論

4.1角閃巖各向異性對(duì)強(qiáng)度的影響

圖4　溫度700℃樣品s13－08微觀結(jié)構(gòu)特征Fig．4　Microscopic images of the deformed sample，s13－08，at temperature of 700℃．

圖5　溫度700℃樣品s10－56微觀結(jié)構(gòu)特征Fig．5　Microscopic images of the deformed sample，s10－56，at temperature of 700℃．

壓縮方向與樣品面理斜交引起強(qiáng)度降低，與角閃石的各向異性相關(guān)。實(shí)驗(yàn)研究表明（Rooney et al．，1974，1975），壓縮方向平行［100］方向比垂直于［100］方向強(qiáng)度降低15%～20%；壓縮方向與［100］方向呈20°～30°時(shí)角閃石晶體的強(qiáng)度下降50%～80%；而當(dāng)壓縮方向與［100］方向呈45°時(shí)晶體強(qiáng)度則下降50%。由于巖石方向與角閃石構(gòu)成的面理斜交時(shí)，意味著實(shí)驗(yàn)巖石方向與角閃石［100］方向出現(xiàn)斜交的概率更高，因此強(qiáng)度更低。這種強(qiáng)度變化受角閃石不同類型的雙晶滑移控制，其中，壓縮方向平行于角閃石晶體的［100］方向時(shí)，容易產(chǎn)生（101）雙晶（Rooney et al．，1975）。壓縮方向平行于（010）面且與［001］方向呈45°角時(shí)，在［100］和［001］方向間的銳夾角區(qū)可形成（100）面雙晶，該方向的雙晶承受的應(yīng)力相對(duì)于晶體在［100］和［001］方向之間的鈍角區(qū)可以承受更大的擠壓力（Burnley et al．，1982）。角閃石的各向異性引起含角閃石的巖石在變形中出現(xiàn)強(qiáng)烈定向的線理構(gòu)造。

圖6　溫度700℃條件下樣品s10－56掃描電鏡特征Fig．6　Scanning electron microscopy（SEM）of sample s10－56 at 700℃．

4.2角閃石變形機(jī)制

角閃石作為地殼中主要的含水礦物，在高溫下脫水是其顯著的特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在700～800℃條件下，角閃石邊緣和解理內(nèi)，發(fā)生了明顯的脫水作用。脫水導(dǎo)致角閃石在偏光顯微鏡下出現(xiàn)暗化現(xiàn)象，并且在角閃石邊緣有細(xì)粒晶體形成。普通角閃石脫水分解為組分不同的閃石（Imon et al．，2002，2004）、黑云母、鈉長(zhǎng)石和綠簾石等（Berfer et al．，1996）、綠泥石等（胡玲等，2009），如果脫水后流體散失，可以轉(zhuǎn)化為輝石。

圖7　溫度800℃樣品s10－52微觀結(jié)構(gòu)特征Fig．7　Microscopic images of the deformed sample，s10－52，at temperature of 800℃．

圖8　溫度800℃條件下樣品s10－52掃描電鏡特征Fig．8　Scanning electron microscopy（SEM）of sample s10－52 at 800℃．

此外，本實(shí)驗(yàn)中，在800℃時(shí)，角閃石出現(xiàn)動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用，這與在低角閃巖相的條件下（曹淑云等，2007；紀(jì)沫等，2013；張曉麗等，2014）發(fā)生膨凸動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用類似。由于實(shí)驗(yàn)變形應(yīng)變速率遠(yuǎn)低于天然變形，角閃石發(fā)生塑性變形所需的溫度（700～800℃）也相應(yīng)有所增加，高于低角閃巖相變質(zhì)溫度。

角閃石中普遍發(fā)育的扭折可能與角閃石雙晶化有關(guān)。實(shí)驗(yàn)變形的角閃石中以（101）雙晶為主，很少見(jiàn)到（100）雙晶（Rooney et al．，1974）。Dollinger等（1975）認(rèn)為，產(chǎn)生（101）雙晶的（100）［001］滑移系只需要一個(gè)比較低的臨界分解應(yīng)力。與實(shí)驗(yàn)變形不同，天然角閃石變形位錯(cuò)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（Skr?tski，1992；Kruse et al．，1999），另外，天然變形條件下角閃石中普遍出現(xiàn)（100）機(jī)械雙晶。顯然，角閃石在野外變形與實(shí)驗(yàn)室變形條件下，其變形雙晶化機(jī)制并不相同（Bierman，1981；Hacker et al．，1990；曹淑云等，2007）。

5　結(jié)論

（1）隨著溫度升高，樣品的應(yīng)力－應(yīng)變曲線由強(qiáng)化逐漸轉(zhuǎn)化為屈服，并且出現(xiàn)弱化。樣品強(qiáng)度顯著降低，隨著圍壓增加，樣品強(qiáng)度增大，隨著應(yīng)變速率降低，樣品強(qiáng)度降低。壓縮方向與樣品面理斜交的實(shí)驗(yàn)樣品強(qiáng)度顯著降低。

（2）實(shí)驗(yàn)變形樣品在500℃時(shí)，角閃石表現(xiàn)為晶內(nèi)破裂和碎裂變形，其變形以脆性為主導(dǎo)；在600℃時(shí)，樣品中發(fā)育由角閃石殘斑和碎裂基質(zhì)構(gòu)成的碎裂組構(gòu)，部分角閃石晶體出現(xiàn)了波狀消光，角閃石以碎裂變形為主，局部具有塑性變形的特征；在700℃時(shí)，樣品以晶體扭折變形為主，局部出現(xiàn)脫水和細(xì)粒微晶，并且含有微破裂，顯示了樣品以晶體扭折變形為主，含有微破裂，樣品變形處于脆－塑性轉(zhuǎn)換域；在800℃時(shí)，樣品中基本沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的脆性變形，樣品以動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用為主，角閃石出現(xiàn)脫水。

（3）在實(shí)驗(yàn)溫壓范圍內(nèi)，在500℃→600℃→700℃→800℃條件下，角閃石變形機(jī)制表現(xiàn)為脆性破裂→碎裂流動(dòng)→晶體扭折→動(dòng)態(tài)重結(jié)晶和脫水作用，顯示了角閃石經(jīng)歷了脆性—脆－塑轉(zhuǎn)化—塑性變形的變形機(jī)制。

曹淑云，劉俊來(lái)，胡玲．2007．角閃石高溫脆－韌性轉(zhuǎn)變變形的顯微與亞微構(gòu)造證據(jù)［J］．中國(guó)科學(xué)（D輯），37（8）：1004—1013．

CAO Shu-yun，LIU Jun-lai，HU Ling．2007．Microscopic and submicroscopic structural evidence of the deformation about hornblende high temperature brittle-ductile transition［J］．Science in China（Ser D），37（8）：1004—1013（in Chinese）．

韓亮，周永勝，黨嘉祥，等．2009．3GPa熔融鹽固體介質(zhì)高溫高壓三軸壓力容器的溫度標(biāo)定［J］．高壓物理學(xué)報(bào)，23（6）：407—414．

HAN Liang，ZHOU Yong-sheng，DANG Jia-xiang，et al．2009．Temperature calibration for 3GPa molten salt medium triaxial pressure vessel［J］．Chinese Journal of High Pressure Physics，23（6）：407—414（in Chinese）．

韓亮，周永勝，何昌榮，等．2011.3GPa熔融鹽固體介質(zhì)高溫高壓三軸壓力容器的圍壓標(biāo)定［J］．高壓物理學(xué)報(bào)，25（3）：214—220．

HAN Liang，ZHOU Yong-sheng，HE Chang-rong，et al．2011．Confined pressure calibration for 3GPa molten salt medium triaxial pressure vessel under high pressure and temperature［J］．Chinese Journal of High Pressure Physics，25（3）：214—220（in Chinese）．

胡玲，劉俊來(lái)，紀(jì)末，等．2009．變形顯微構(gòu)造識(shí)別手冊(cè)［M］．北京：地質(zhì)出版社．43—44．

HU Ling，LIU Jun-lai，JI Mo，et al．2009．Deformation of Microscopic Structure Identification Manual［M］．Geological Publishing House，Beijing．43—44（in Chinese）．

紀(jì)沫，胡玲，劉俊來(lái)，等．2013．角閃石變形變質(zhì)過(guò)程及其變形機(jī)制：以山西恒山地區(qū)斜長(zhǎng)角閃巖為例［J］．中國(guó)科學(xué)（D輯），43（1）：52—60．

JI Mo，HU Ling，LIU Jun-lai，et al．2012．The process and mechanisms of metamorphism and deformation of hornblende：An example from the Hengshan Mountains，Shanxi Province［J］．Science in China（Ser D），55：1987—1995．

劉貴，周永勝，姚文明，等．2013．組構(gòu)對(duì)花崗片麻巖高溫流變影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］．地球物理學(xué)報(bào)，56（7）：2332—2347．

LIU Gui，ZHOU Yong-sheng，YAO Wen-ming，et al．2013．Experimental study on the effect of pre-existing fabric to deformation of granitic gneiss under high temperature and pressure［J］．Chinese J Geophys，56（7）：2332—2347（in Chinese）．

劉照星，周永勝，劉貴，等．2013．3GPa熔融鹽固體介質(zhì)三軸高溫壓力容器的軸壓摩擦力標(biāo)定［J］．高壓物理學(xué)報(bào)，27（1）：19—27．

LIU Zhao-xing，ZHOU Yong-sheng，LIU Gui，et al．2013．Axial friction calibration for 3GPa molten salt medium triaxial pressure vessel under high temperature and high pressure［J］．Chinese Journal of High Pressure Physics，27（1）：19—27（in Chinese）．

苗培森．2001．恒山中深變質(zhì)巖區(qū)構(gòu)造樣式［D］：［學(xué)位論文］．北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)．

MIAO Pei-sen．2001．Tectonic style of the high-grade metamorphic terrain of Hengshan in the North China cration［D］．Ph D thesis．China University of Geosciences，Beijing（in Chinese）．

張曉麗，胡玲，紀(jì)沫，等．2014．北京西山官地雜巖中角閃石變形顯微構(gòu)造及變形機(jī)制研究［J］．中國(guó)科學(xué)（D輯），44（3）：429—438．doi：10．1007／s11430－013－4636－z．

ZHANG Xiao-li，HU Ling，JI Mo，et al．2013．Microstructures and deformation mechanisms of hornblende in Guandi complex，the Western Hills，Beijing［J］．Science in China（Ser D），56（9）：1510—1518．

Berfer A，Stünitz H．1996．Deformation mechanisms and reaction of hornblende：Examples from the Bergell tonalite（Central Alps）［J］．Tectonophysics，257：149—174．

Biermann C．1981．Deformation twins in naturally deformed amphiboles［J］．Nature，292（27）：821—823．

Burnley P C，Kirby S H．1982．Pressure-induced embrittlement of polycrystalline tremolite Ca2Mg 5Sigo22（OH．F）2［J］．Eos Trans AGU，63：1095．

Dollinger G，Blacic J D．1975．Deformation mechanisms in experimentally and naturally deformed amphiboles［J］．Earth Planet Sci Lett，26：409—416．

Hacker B R，Christie J M．1990．Brittle／ductile and plastic／cataclastic transition in experimentally deformed and metamorphosed amphibolite［A］．In：Duba A G et al．（eds）．The Brittle-ductile Transition in Rocks．Geophys Monogr Ser，56：127—147．

Imon R，Okudaira T，F(xiàn)ujimoto A．2002．Dissolution and precipitation processes in the deformed amphibolites：An example from the ductile shear zone of the Ryoke metamorphic belt，SW Japan［J］．Journal of Metamorphic Geology，20：297—308．

Imon R，Okudaira T，Kanagawa K．2004．Development of shape-and lattice-preferred orientations of amphibole grains during initial cataclastic deformation and subsequent deformation by dissolution-precipitation creep in amphibolites from the Ryoke metamorphic belt，SW Japan［J］．Journal of Structural Geology，26：793—805．

Jiang Z，Skrotzki W．1996．Microstructure and texture of hornblende from an amphibolite of the KTB main borehole（NE-Bavaria）［J］．Z Geol Wiss，24：657—669．

Kruse R，Stünitz H．1999．Deformation mechanisms and phase distribution in mafic high-temperature mylonites from the Jotun Nappe，southern Norway［J］．Tectonophysics，33：223—249．

Liu G，Zhou Y，He C，et al．2014．An experimental study on effect of pre-existing fabric to deformation of foliated mylonite under high temperature and pressure［J］．Geological Journal．doi：10．1002／gj．2611．

Nyman M W，Law R D S，Melik E A．1992．Cataclastic deformation for the development of core mantle structures in amphibole［J］．Geology，20：455—458．

Passchier C W，Trouw R A J．2005．Microtectonics（2nd Edition）［M］．Berlin：Springer Verlag．367．

Rooney T P，Gavasci A T，Riecker R E．1974．Mechanical twinning in experimentally and naturally deformed hornblende［J］．Environ Res Pap，484：AFCRL-TR－0361．

Rooney T P，Riecker R E，Gavasci A T．1975．Hornblende deformation features［J］．Geology，3（7）：364—366．

Skr-tzki W．1992．Defect structures and deformation mechanisms in naturally deformed hornblende［J］．Phys Status Solid，131：605—624．

Tullis J．1983．Deformation of feldspars［A］．In：Ribbe P H（ed）．Reviews in Mineralogy-Feldspar Mineralogy．Mineral Soc Amer，2：297—323．

Vauchez A，Tommasi A，Barruol G．1998．Rheological heterogeneity，mechanical anisotropy and deformation of the continental lithosphere［J］．Tectonophysics，296：61—86．

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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：0253－4967（2015）01－0081－13

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．007

宋娟，女，1975年生，2004年在中國(guó)地震局地質(zhì)研究所獲得固體地球物理專業(yè)碩士學(xué)位，講師，主要從事高溫高壓巖石力學(xué)與流變學(xué)及與地震學(xué)相關(guān)的教學(xué)和研究工作，電話：18669880408，E－mail：songjuan95＠126．com。

2013－10－07收稿，2014－12－26改回。

國(guó)家自然科學(xué)基金（41374184）和地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（LED2010B03，LED2013A05）共同資助。

周永勝，男，研究員，E－mail：zhouysh＠ies．a(chǎn)c．cn。