5第五章II 岩石变形的微观机制

破裂流动（Cataclastic flow）—是指岩石和矿物被细微密集的裂隙所 切割，而整体不失去连续性的变形。经破裂流动的岩石，在宏观上保持连续 性，显示塑性变形特征；而在微观上，则见到许多被微裂隙分割的棱角状不 同大小颗粒，其中填充一些细小的颗粒及硅质和碳酸盐物质。变形特征以破 裂，摩擦滑动和刚性旋转为主，显示典型脆性变形特征。常见于断层带，并 具有分形特征。
晶体缺陷（crystal defects）
1．点缺陷（Point defects）—是指晶体中空间点阵各个方向有很小的 缺陷，即空位、填隙原子和不纯交代组分。
空位（Vacancy）—是晶体点阵失去一个原子或离子，因而形成晶格点 陈中的空缺。
填隙（interstitial）—当原子从晶体正常点陈位置转移到点阵间隙位置， 叫Frenkle缺陷。空位和填隙原子的形成和运动会引起点阵畸变，造成原子 迁移，促使金属晶体自扩散和塑性变形。
2.2 扩散蠕变（Diffusion creep）
点缺陷
点缺陷在晶体点阵内的 迁移导致物质扩散和运 动、晶体变形，这个过 程即是扩散蠕变。
iii. 扩散蠕变（Diffusion creep）的分类，扩散蠕变按其 控制因素和作用方式不同可分为二类：
（a）晶内扩散蠕变，即纳巴洛—赫林（Nabbro-Herring creep）：在一定温度和应力作用下空位沿着晶粒内部从高密 度部位向低密度部位扩散而引起岩石或矿物的塑性变形。
位错理论的确定和发展，是与位错观测技术的发展密切相关的。位错 观测技术方法主要有：
（1）早期方法是观察自由长大的螺形式晶体表面，例如验证了弗兰克 关于“位错台阶式”晶体长大方式设想。
（2）化学浸蚀或电解质浸蚀显示晶体表面的位错“露头方法”。由于 位错中心和附近的晶体点阵发生了畸变，因此杂质等溶质原子偏聚在这里， 显示位错蚀抗。
晶体缺陷理论的发展历史
晶体缺陷（defect），最初是人们根据塑性变形理论推断出来的。早 在本世纪三十年代，材料科学家就对晶体的塑性变形进行了大量研究工作， 建立了完整晶体塑性变形的滑移模型，并根据这种模型计算出金属晶体的理 论强度（σc）： c G 2 G 6
σc—晶体临界剪切应力，G—晶体剪切模量。 这个表达式说明：金属晶体临界剪切应力（理论强度值）约为该晶体剪 切模量G的1/6左右。但是人们很快就发现，这种模型计算的金属晶体理论 强度值与实验测定值相差很大，可达到102~104数量级。 这种巨大差异，使人们提出了关于晶体存在缺陷的设想（Talar, 1931 年）。于是有人认为晶体缺陷是造成材料强度弱化、变形和流动的根源，并 开始把晶体缺陷模型引入金属变形及力学性质来，初步形成了晶体缺陷理论。 直到五十年代初，英国科学家Hirch用透射电子显微镜（TEM）直接观察到 晶体缺陷的形态和运动之后，有关晶体缺陷的理论才为实验所证实和被广泛 接受和应用。
.


DLeabharlann L2 R T
1) Stress vs. strain rate is linear.
2) Strain rate is inversely proportional to the second power of grain size.
晶界扩散（Coble creep）
.



2.6×108
900
Al拉丝
2.5×1011
9.9×108
250
软Fe，多晶
7.7×1011
1.5×109
500
碳钢
8×1011
6.5×109
120
Ni-铝钢
8×1011
1.2×1010
65
现在晶体缺陷理论已经成为研究金属晶体、陶瓷、岩石、矿物力学性质和塑 性变形的理论基础，比较成功地解释了材料科学、地球物质科学中一系列重 要问题。
D L3

R T
1) Stress vs. strain rate is linear. 2) Strain rate is inversely proportional to
the third power of grain size.
扩散蠕变的“经验”幂律方程
.


A
n
exp(
§1 岩石变形机制
（Deformation mechanisms of rocks）
• 岩石的变形包括脆性变形和塑性变形。 • 脆性变形机制包括：
微破裂作用、碎裂作用、碎裂流 • 塑性变形机制有：
位错蠕变 扩散蠕变 颗粒边界滑动(GBS) 超塑性变形：扩散调节的GBS
1. 脆性变形
脆性变形（Brittle deformation）或破裂作用（Fracturing）—是指 岩石和矿物在力作用下失去本身完整连续性而产生裂开、扩展及有关破坏作 用过程。破裂作用微观机制是与位错运动有关；当沿滑移面运动的位错受到 晶界、杂质或其它界面的阻碍，就发生塞积、缠结，局部产生应变硬化，使 岩石或矿物强度加大，随着应力的增加，最终发生破裂。破裂作用一般发生 在围压较小的地表浅部。
iii. 扩散蠕变（Diffusion creep）—在高温低应力的变形条件下，通过 矿物中点缺陷（空位和杂质）和质点（原子和离子）沿颗粒内部或颗粒边界 产生物质扩散和运动，而导致蠕变。
2.1 晶体的缺陷（crystal defects）
晶体缺陷－－理想完整晶体中原子往往做周期性规则排列。 而偏离规则排列的晶体，常引起晶体缺陷。晶体缺陷包括点缺 陷、线缺陷和面缺陷。晶体的缺陷对晶体结构性能（强度、塑 性、相变、扩散、重结晶、氧化还原）产生重大影响。
第五章（II）
岩石变形的微观机制
Deformation mechanisms at the microscale
参考书目：朱志澄等《构造地质学》第五章 Fossen H. 《Structural Geology》, Chapters 10 Davis et al., 《Structural Geology of Rocks and Regions》 Part I, Chapters 3, 4, p.121-191
2.3 压溶变形 （pressure solution）
压溶作用是指在应力作用下岩石和矿物中可溶物 质的溶解、迁移和再沉淀的作用过程。压溶作用是物 质形成过程，也是晶界扩散过程。在压溶作用下，矿 物在高应力作用部位（如压缩方向上）溶解，在低应 力作用部位（如拉伸方向上）沉淀，并形成一定形态 的组构。例如在绿片岩相中黄铁矿压力影构造是压溶 作用的典型例子。压溶蠕变实际上是一种低温富流体 条件下的扩散蠕变形式。
（3）缀饰法—溶质（或杂质）原子趋向于偏聚在位错线及其附近。缀 饰法是选择具有一定光学特性的沉淀粒子做溶质，以它缀饰位错，使位错 在光学显微镜被直接观察。橄榄石氧化法就是最典型的例子。
（4）透射电子显微镜分析法（TEM） 电子衍射显微分析法—利用位错对电子入射波的衍射强度不同，直接 观测位错的组态特征和测定位错取向和伯格斯b矢量大小和方法，从而准 确测定矿物塑性变形的滑移体系（即滑移面和滑移方向的指标化）。
碎裂流
脆性变形样品
微破裂
岩石露头
碎裂流 脆性变形样品
电子显微镜
2．塑性变形（Plastic deformation）
i、晶内滑移（Intracrystalline glide） （a）平面滑移（glide）—在外力作用下，晶体的一部分相对另一部分， 沿原子面从一个平衡位置平移到另一个平衡位置，这个过程叫滑移。平面滑 移可以使晶体改变形状，也可以形成矿物集合体形态（SPO）或结晶学优选 方位（LPO）。 （b）双晶滑移（twin glide/twinning）—在外力作用下，晶体的一部分 相对另一部分，沿着一定晶面和一定的晶向发生切变，切变之后两部分晶体 的位向以切变面为镜面，呈对称关系，这种变形方式叫双晶化（或孪生）。 双晶滑移是由于位错在晶内滑动使相对位移两侧相对滑移面（对称面）成镜 象对称，即产生机械双晶，或称变形双晶。
（b）晶粒边界扩散蠕变，柯柏尔蠕变（Coble creep） 在一定温度和应力作用下空位和质点沿着颗粒之间的界面
迁移和运动而引起岩石和矿物塑性变形。
晶内扩散（volume diffusion）和晶界/颗粒边界扩 散（grain boundary creep）
晶内扩散（Nabarro-herring creep）
平面滑移（glide）
The Peierls stress is the stress needed to move a dislocation in a crystal without the help of thermal activation. It is determined by the crystal structure and chemical bonding and hence is intrinsic to a given material. Dislocation motions controlled by the Peierls stress are insensitive to strain magnitude. In most silicate minerals, the Peierls stress is relatively large and the dislocation glide is in general difficult due to large unit cell. Dislocation motions controlled by the Peierls stress is common in metals which have small unit cells.
压溶变形
2.4 位错蠕变（Dislocation creep）
位错类型
刃型位错（edge dislocation） + 螺型位错（screw dislocation） = 混合位错 （mixed）