水对名义无水矿物变形的影响.pdf

卷 V o l u m e 3 7 ，期 N u m b e r 1 ，总 S U M 1 3 6 页 P a g e s 1 3 8 1 6 3 ，2 0 1 3 ，2 F e b r u a r y ，2 0 1 3 大地构造与成矿学 G e o t e c t o n i c ae tM e t a l l o g e n i a 水对名义无水矿物变形的影响 邵同宾1 ’2 ，宋茂双1 ，嵇少丞3 ，李建峰1 ，王茜1 1 ．中国科学院广州地球化学研究所，同位素地球化学国家重点实验室，广东广州5 1 0 6 4 0 ；2 ．中国科学院 大学，北京1 0 0 0 4 9 ；3 ．加拿大蒙特利尔大学工学院民用、地质与采矿工程系，蒙特利尔H 3 C3 A 7 摘要在固体地球中，水虽微量，但对众多地质过程 例如，岩石部分熔融与火山喷发、地震活动等 和岩石的物理 化学性质 例如，电导率、滞弹性、地震波性质、相变动力学等 影响重大。更为重要的是，水能通过影响矿物的变形 机制来控制岩石的流变强度，进而制约着地球动力学的过程。名义无水矿物 N A M s N o m i n a la n h y d r o u sm i n e r a l s 即为分子式中不含氢的矿物，其晶格的容水量远小于正常含水矿物 如，角闪石，蛇纹石等 的容水量，但由于 N A M s 在固体地球中体积比例甚大，仅上地幔的橄榄石中所能溶解的水可能比全部地表水还多。因此了解水对 N A M s 尤其是分别作为地壳和上地幔主要组成矿物的石英和橄榄石 变形的影响对于精确地构建岩石圈强度剖面 和深刻理解构造地质学与地球动力学过程至关重要。本文将系统地回顾水对N A M s 变形的影响，首先通过回顾水 在固体地球内部的存在形式提出了N A M s 是固体地球中的重要水库，接着阐述了N A M s 中水的存在形式、溶解机 制、溶解度影响因素及扩散动力学，最后着重论证了水致弱化在石英和富镁石榴石中最强，然后依次是单斜辉石、 长石、橄榄石，瓦德利石和林伍德石。 关键词水；名义无水矿物；水致弱化；流变学；构造地质学；地球动力学 中图分类号P 3 1 3 ；P 5 4 2文献标志码A文章编号1 0 0 1 1 5 5 2 2 0 1 3 0 1 - 0 1 3 8 - 0 2 6 0 引言 在固体地球中，水虽微量，但它不仅能影响火山 作用 V a nK e k e ne ta 1 ．，2 0 0 2 和地震 M e a d ea n d J e a n l o z ，1 9 9 1 ；Z h a oe ta 1 ．，2 0 0 2 ；Z h o ue ta l 。， 2 0 0 8 等许多地质过程，而且对地壳和上地幔的许 多物理性质如熔融温度 K u s h i r o ，1 9 7 2 ；H o l l o w a y ， 1 9 7 3 ；M y s e na n dB o e t t c h e r ，1 9 7 5 、电导率 K a r a t o ， 1 9 9 0 ；H u a n ge ta 1 ．，2 0 0 5 ；K a r a t o ，2 0 0 6 a 、地震波 性质 K a r a t o ，1 9 9 5 ；I n o u ee ta 1 ．，1 9 9 8 ；K a v n e r ， 2 0 0 3 ；W a n ge ta 1 ．，2 0 0 3 ；J a c o b s e ne ta 1 ．，2 0 0 4 、滞 弹性 K a r a t o ，1 9 9 5 、流变性 G r i g g s ，1 9 6 7 ；C h o p r a a n dP a t e r s o n ，1 9 8 4 ；M a c k w e l le ta 1 ．，1 9 8 5 ；K a r a t oe t a 1 ．，1 9 8 6 ；H i r t ha n dK o h l s t e d t 。1 9 9 6 ；J u n ga n d K a r a t o ，2 0 0 1 ；K a r a t o ，2 0 0 6 a 和相变动力学 K u b o e ta 1 ．，1 9 9 8 ；O h t a n ia n dL i t a s o v ，2 0 0 6 ；I n o u ee ta 1 ．， 2 0 1 0 等亦具有十分重要的影响。特别是，水通过 改变矿物变形机制降低岩石流变强度 K a v n e r ， 2 0 0 3 ；K a r a t o ，1 9 9 8 ；M e ia n dK o h l s t e d t ，2 0 0 0 a ，b ， 进而控制地球上的构造地质与地球动力学过程。水 在地球内部的存在形式与深度 压力和温度 有关， 在地球浅部水主要赋存于各种含水矿物 如角闪 石、蛇纹石等 中，而在深部水主要以结构水的形式 赋存于名义无水矿物 N A M s N o m i n a la n h y d r o u s m i n e r a l s 之中。 N A M s 是指那些分子式中不含氢的矿物。首先 收稿日期2 0 1 2 0 5 3 1 ；改回日期2 0 1 2 1 1 1 4 项目资助国家自然科学基金项目 批准号4 1 1 7 4 0 7 2 ，4 1 0 9 0 3 7 3 ，4 0 7 7 2 0 2 9 ，4 1 1 0 2 1 3 9 、中国科学院知识创新工程重要方向项目 编号 K Z C X 2 Y w - q 0 8 - 0 3 - 4 、中国科学院“百人计划”项目 编号K Z C X - 0 7 3 3 2 2 1 A 0 7 、青藏高原东部和东南部岩石圈流变学及地球物理 性质研究项目 编号1 2 1 2 0 1 1 1 2 1 2 7 4 联合资助。 第一作者简介邵同宾 1 9 8 8 一 ，硕士，主要从事构造地质学和岩石流变学研究。E m a i l s t b 5 5 8 0 6 9 1 2 6 ．C O B 万方数据 第1 期邵同宾等水对名义无水矿物变形的影响 1 3 9 发现N A M s 及其集合体的水致弱化效应的是美国加 州大学洛杉矶分校的D a v i dTG r i g g s 教授和他的博 士生J a m e sDB l a c i c G r i g g sa n dB l a c i c ，1 9 6 4 ， 1 9 6 5 。最初，他们在G r i g g s 装置中使用滑石作为 围压介质材料对石英进行了高温高压变形实验，滑 石在高温时脱水，释放出的水沿着微裂隙渗透扩散 到石英晶体之中，力学数据表明含水的石英比不含 水的石英流动强度低近乎1 0 倍。G r i g g s 和B l a c i c 1 9 6 5 的这一重大发现解释了长期困惑地质学工 作者的一个悖论在自然界，石英在绿片岩相变质条 件 温度 5 7 3K 时 下便可发生韧性变形，且强度 不超过～2 0 0M P a ；但在实验室中，从天然岩石露头 采回来的石英岩样品需在1 0 7 3K 以上甚至高达 1 2 7 3K 的条件下才能发生塑性屈服，其流动强度还 高达2 3G P a G r i g g sa n dB l a c i c ，1 9 6 4 ；G r i g g s ， 1 9 6 7 ；B l a c i c ，1 9 7 5 。在1 9 6 4 年的美国地球物理年 会上，G r i g g s 将水能有效降低矿物流变强度的现象 正式命名为水致弱化 H y d r o l y t i cw e a k e n i n g 。随 后，澳大利亚国立大学M e r v y nSP a t e r s o n 教授领导 的研究组 K e k u l a w a l ae ta 1 ．，1 9 7 8 ；K a r a t oe ta 1 ．， 1 9 8 6 ；K a r a t o ，1 9 8 9 ；P a t e r s o n ，1 9 8 9 围绕水致弱化 这个课题进一步开展了一系列详细的实验研究。之 后，世界上其他实验室也就此开展了大量的研究，加 深了人们对氢在橄榄石和其他硅酸盐矿物中溶解性 质及其对岩石流变性质影响的认识 H i r t ha n dK o h l - s t e d t ，1 9 9 6 ；K o h l s t e d te ta 1 ．，1 9 9 6 ；M e ia n dK o h l s t - e d t ，2 0 0 0 a ，b ；K a r a t oa n dJ u n g ，2 0 0 3 ；Z h a oe ta 1 ．， 2 0 0 1 ，2 0 0 4 。上述的研究表明，N A M s 及其组成的 岩石的强度随着氢浓度的增加而系统地减小 K o h l ． s t e d te ta 1 ．，1 9 9 5 ；P o s te ta 1 ．，1 9 9 6 ；M e ia n dK o h l s t e d t ，2 0 0 0 a ，b ；K a r a t oa n dJ u n g ，2 0 0 3 。 本文首先通过回顾水在固体地球内部的存在形 式提出了N A M s 是固体地球中的重要水库，接着阐 述了N A M s 中水的存在形式、溶解机制、溶解度影响 因素及扩散动力学，最后着重论证了水致弱化在石 英和富镁石榴石中最强，然后依次是单斜辉石、长 石、橄榄石，瓦德利石和林伍德石。 1 N A M s 地球内部的重要水库 理论计算表明，每年约有8 ．7 1 0 1 1k g 的水通 过沉积物和俯冲板块运移至地球深部，但是被岛弧 和洋中脊的岩浆喷发带回地表的水每年仅有 ～2 ．0 1 0 1 1k g P e a c o c ke ta 1 ．，1 9 9 0 ，这就说明还 有许多水残留在地球内部。 水在地球内部的存在形式一般与深度有关。在 中地壳环境中，长英质岩石中的水主要以结合水的 形式存在于含水矿物 如角闪石和云母 中，少量以 结构水的形式存在于如石英、长石和辉石这样的名 义无水矿物之中 Z h o ue ta 1 ．，2 0 0 8 。在大洋俯冲 带内，水主要赋存于蛇纹石这样的含水矿物中，随着 板块俯冲至地球深部，这些含水矿物依次发生脱水， 分子水在地球深部难以稳定存在，因而在地球深部 水主要以结构水的形式赋存于N A M s 如橄榄石、斜 方辉石、单斜辉石、石榴子石等 和少量致密含水镁 硅酸盐 D H M S d e n s eh y d r o u sm a g n e s i u ms i l i c a t e s 中。虽然早在2 0 世纪6 0 年代，G r i g g s 和其博士生 B l a c i c 就已经指出N A M s 如石英和橄榄石 能够溶 解一定量的水 G r i g g sa n dB l a c i c ，1 9 6 5 ，但当时人 们主要还是关注含水矿物 如金云母、蛇纹石等 对 固体地球中水或氢平衡的贡献。2 0 世纪7 0 年代 初，M a r t i na n dD o n n a y 1 9 7 2 提出N A M s 是地球内 部重要水库的概念。然而，直到加州理工学院 G e o r g eRR o s s m a n 教授及其团队于2 0 世纪八九十 年代加大对N A M s 尤其是上地幔矿物 中氢研究的 力度之后，N A M s 才真正受到整个学界的特别关注， 从此该研究进入了从半定量到定量化的新阶段。 R o s s m a n 教授的博士生J o h n s o n 对名义无水地 壳矿物中的氢进行了比较系统的定量研究 详见 J o h n s o n ，2 0 0 3 。名义无水地壳矿物中的结构水虽 然对全球的水平衡没有太大的贡献，但长石中亚微 米尺度的流体包裹体和石英中的流体包裹体还是非 常重要的，因为这些流体包裹体在石英与长石中含 量较高且由这两种矿物组成的岩石 例如，花岗岩、 闪长岩、辉长岩等 在大陆壳最为丰富。地壳中长 石的含量高达～5 8 ％ 王德滋和谢磊，2 0 0 8 ，如果 长石中流体包裹体的平均水含量为2 0 0 0H ／1 0 6 S i J o h n s o na n dR o s s m a n ，2 0 0 4 ，那么地壳中长石包 裹体中水的总量约为一1 ．9 1 0 ”k g 。如果将地壳 中～1 1 ％的石英 王德滋和谢磊，2 0 0 8 也考虑进 去，并假定石英中流体包裹体的平均水含量也为 2 0 0 0H ／1 0 0 S i ，那么整个地壳N A M s 中水的总量为 ～2 ．3 1 0 ”k g ，这大约为储存在地壳含水矿物中 水的总量 6 1 0 1 9k g 的～3 8 ％。如果再将其他名 义无水地壳矿物 如辉石、石榴石、矽线石、金红石 等 中的水含量也考虑进去，那么这一比例就会大 于～3 8 ％。此外，主要由麻粒岩相变质岩组成的大 陆下地壳对于地球深部壳幔之间的耦合作用至关重 万方数据 知斟随二袱第3 7 卷 要，其中水的影响被认为是异常复杂的难题。对此， 我国学者夏群科教授及其课题组对河北汉诺坝和安 徽女山地区的下地壳麻粒岩中的主要组成矿物进行 了结构水含量的分析研究 X i ae ta 1 ．，2 0 0 6 。他们 得出单斜辉石、斜方辉石、斜长石和石榴石的结构水 含量分别可以高达2 3 0 0H ／1 0 6S i 、1 8 0 0H ／1 0 6 S i 、 1 0 0 0H ／1 0 6 S i 和1 1 0 0H ／1 0 6 S i ，且全岩水含量高达 1 0 0 0H ／1 0 6 S i 夏群科等，2 0 0 7 。 前人对上地幔最重要的几种矿物如橄榄石 M a r t i na n dD o n n a y ，1 9 7 2 ；B a ia n dK o h l s t e d t ，1 9 9 2 ； K o h l s t e d te ta 1 ．，1 9 9 6 、单斜辉石 S m y t he t a 1 ．， 1 9 9 1 ；I n g r i ne ta 1 ．，1 9 9 5 ，斜方辉石 M a c k w e l l ， 1 9 9 4 ；D o b s o ne ta 1 ．，1 9 9 5 和石榴石 B e l la n dR o s s m a n ，1 9 9 2 a ；W a n ge ta 1 ．，1 9 9 6 中的氢进行了大量 的测定。在地幔捕掳体样品中，橄榄石、斜方辉石和 石榴石的氢浓度分别大约为0 1 4 0H ／1 0 6 S i 、6 0 ～ 6 5 0H ／1 0 6 S i 和1 ～2 0 0H ／1 0 0 S i I n g r i na n dS k o g b y ， 2 0 0 0 。而单斜辉石在橄榄岩捕掳体和榴辉岩捕掳 体中的氢浓度分别为1 0 0 4 0 0H ／1 0 6 S i 和 3 G P a 时，水逸度随压力增大几乎呈指数级增 加 K a r a t oa n dW e i d n e r ，2 0 0 8 。例如，R a u c ha n d K e p p l e r 2 0 0 2 的实验就发现了斜方辉石的氢含量 随压力的升高而增加。根据水逸度对压力的依赖关 系，K a r a t o 2 0 0 6 a 估算出瓦德利石的比为 1 1 ～ 1 3 1 0 “m 3 ／t o o l 且与溶解机制 2 中M g O 的体积 近似一致。D e m o u c h ye ta 1 ． 2 0 0 5 在研究氢在瓦 德利石中的溶解度时发现，氢的溶解度对压力并不 太敏感，由于没有考虑到压力对水逸度的影响，因此 他们推测y 。几乎为零，这与机制 2 不相吻合，故 其推断是错误的。相比之下，L i t a s o va n dO h t a n i 2 0 0 3 实验发现在1 8 7 3K 时随着压力从1 5G P a 升 高至1 6G P a ，溶解度从0 ．5 ％减小为0 ．3 ％，这说明 高压下压力对氢溶解的抑制作用越发明显。 3 ．2 温度 由式 5 ～ 8 可见，温度对氢的溶解度也具有 重要影响。氢在斜方辉石和橄榄石中的溶解度随温 度升高而增加 M i e r d e la n dK e p p l e r ，2 0 0 4 ；Z h a oe t a 1 ．，2 0 0 4 ，而在林伍德石和瓦德利石中则随温度 升高而减少 O h t a n ie ta 1 ．，2 0 0 0 ；W i l l i a m sa n dH e m ． 1 e y ，2 0 0 1 ；D e m o u c h ye ta 1 ．，2 0 0 5 。 根据水逸度对温度的依赖关系，K a r a t o 2 0 0 6 a 估算出瓦德利石的E 。为一 5 0 ～8 0 k J ／m o l 。同分 析压力对氢的溶解度影响一样，在估计E 。的时候 也必须要考虑温度对水逸度的影响。而对于林伍德 石，虽然压力对其中水溶解的影响很小，但受温度的 影响同瓦德利石一样 L i t a s o va n dO h t a n i ，2 0 0 3 ， 在正常低温梯度下，过渡带的这两种矿物中水的溶 解度一般可达0 ．5 ％～I ．0 ％，由此计算该水含量相 当于地表海水总量的2 ～3 倍。 万方数据 第1 期邵同宾等水对名义无水矿物变形的影响 1 4 3 3 ．3 溶剂的化学成分 当溶入到矿物中的水 或氢 能够与该矿物中 的其他相 1 结合时，那么该矿物中水或氢的浓度 不仅取决于水逸度而且还受1 相活度的影响。例 如，水在斜方辉石中的溶解度与A 1 3 的浓度有关 R a u c ha n dK e p p l e r ，2 0 0 2 。R a u c ha n dK e p p l e r 2 0 0 2 发现斜方辉石的水含量在1 0G P a 和1 3 7 3K 时高达1 0 0 0H ／1 0 6 S i ，而在1 ．5G P a 时含有～1 ％的 A 1 0 ，时其水含量竟高达l1 0 0H ／1 0 6 S i 。此外，其他 三价阳离子 如F e ”和C r ” 的加入也会促进水在 斜方辉石中的溶解 S t a l d e r ，2 0 0 4 。由于A l 等三 价阳离子的扩散比H 和阳离子空位或电子空穴的 扩散要慢些，因此在这些矿物中的氢含量可能比在 橄榄石 或瓦德利石 中大。另外，在对橄榄石和石 榴石的水致弱化效应的研究过程中，K a t a y a m aa n d K a r a t o 2 0 0 8 a 发现水致弱化效应从大到小依次 为富镁石榴石 橄榄石 富铁石榴石，因此我们推 测类质同象中阳离子的替代也会影响水在矿物中的 溶解性质。 4 水在N A M s 中的扩散动力学 前人的研究表明，H 在晶体中的扩散行为遵循 如下方程 t d 2 ／7 r 2 D 9 其中，d 是H 的扩散距离，D 是H 的扩散系数，t 为 扩散所需时间。一旦平衡条件被打破，溶解在矿物 晶体内部的H 就要发生扩散逃逸。无论在实验室 还是在自然界，只要发生降温和减压，氢在矿物晶格 中的溶解度不可避免地会减小，多余的氢或作为流 体包裹体沉淀于晶体内部，或从名义无水矿物晶格 中逃逸到颗粒边界。H 的扩散逃逸程度与试样尺 寸和温度有关，一般都非常慢，且在大多数情况下会 发生沉淀 K a r a t o ，2 0 0 6 a 。通常多顶砧实验的淬 火时间为一1S ，如果氢的扩散系数为～1 0 “om 2 ／s ， 据公式 9 计算得到的逃逸距离仅为～3 0 汕m 。这 样的距离一般远小于试样的尺度，所以绝大部分富 水流体不可能逃出试样，不可避免会在晶体内部发 生沉淀。其实，早在2 0 世纪8 0 年代中叶M a c k w e l l e ta 1 ． 1 9 8 5 就已经发现，即使把淬火时间延长至 1 0m i n ，实验样品中仍然会有流体包裹体存在。在 某些特殊的情况下，如果试样在低温下保持一段较 长的时间，沉淀作用就可能形成含水矿物包裹体。 这样的现象同样可能出现在地球内部岩石缓慢折返 过程之中 K i t a m u r ae ta 1 ．，1 9 8 7 。事实上，研究发 现氢在体积较大的捕掳体中往往能得以保存，但在 小的捕掳体中则会丢失 如D e m o u c h ye ta 1 ．， 2 0 0 6 。 淬火样品中氢的晶格占位是通过红外光谱技术 测定的 B a ia n dK o h l s t e d t ，1 9 9 3 ；K r o n e n b e r g ，1 9 9 4 ； L i b o w i t z k ya n dB e r a n ，1 9 9 5 ，其结果能否代表高温 高压时试样的状态尚还存疑。现有的实验程序还无 法保证H 晶格占位在淬火过程中保持不变。如果 d 1n m ，D 1 0 。1 0m 2 ／s M a c k w e l la n dK o h l s t e d t ， 1 9 9 0 ；K o h l s t e d ta n dM a c k w e l l ，1 9 9 8 ，据公式 9 计 算得出的改变H 晶格占位的特征时间 下 约为 1 0 一S 。如果d 1m m ，则r 一1 0 3S 图1 虚线所 示 。所以，淬火前后氢的溶解总量可能变化不大， 但是淬火样品中H 的晶格占位却很可能已经发生 了改变 K a r a t o ，2 0 0 8 。 氢的原子半径最小，特别容易扩散，因此在岩石 运移过程中，系统内部的氢不可避免要与其周围环 境通过扩散作用发生交换。例如，岩石在其上升期 间可能会丢失部分氢。同时矿物中过饱和的氢原子 可能会在晶体中沉淀形成流体包裹体或显微尺度的 含水矿物。 6 4 2 0 E o 飞 孟一2 三 - 4 6 8 一1 0 05l O l o g 。r S 图1 与氢有关的缺陷在平衡时的特征距离 d 与时间 尺度 r 示意图 据K a r a t o ，2 0 0 6 a F i g ．1 C h a r a c t e r i s t i cd i s t a n c e d a n dt i m e - s c a l e r d i a g r a mf o rt h ee q u i l i b r a t i o no fh y d r o g e n r e l a t - e dd e f e c t s f r o mK a r a t o ，2 0 0 6 a 万方数据 1 4 4知斟挝二揪 第3 7 卷 5 N A M s 的水致弱化 虽然与正常含水矿物的含水量相比，大多数 N A M s 的含水量要小得多，但是含水条件下这些矿 物中点缺陷的浓度要比在无水条件下的大得多。例 如，在地幔的温压条件下，无水时橄榄石中的点缺陷 浓度只有 1 ～1 0 H ／1 0 6 S i ，而含水时其浓度可达 到 1 0 0 ～1 0 0 0 H ／I O o S i 唐户俊一郎，2 0 0 5 。并 且与氢有关的缺陷能够影响矿物或岩石的塑性流 动，因此，在地球深部岩石中由流体增强的变形或重 结晶机制引起的水致弱化是不可能在点缺陷浓度非 常低的干岩石中发生的。 水致弱化在控制地壳和地幔岩石的韧性变形行 为方面起着重要的作用。韧性岩石材料的水致弱化 通常与下列过程有关①增强位错滑移或晶格扩散 等晶内变形机制；②增强晶间变形机制，如颗粒边界 扩散与滑移或溶解一沉淀作用 C a r t e re ta 1 ．， 1 9 9 0 。据U r a i 1 9 8 3 和U r a ie ta 1 ． 1 9 8 6 ，溶解 一沉淀蠕变 S P C s o l u t i o n p r e c i p i t a t i o nc r e e p 或颗 粒边界迁移机制是岩盐和其他盐矿物 如，水氯镁 石和光氯石 发生水致弱化的主要原因。其实，S P C 也可能是含水石英发生水致弱化的原因 如d e n B r o k ，1 9 9 2 。石英和橄榄石分别作为地壳和上地 幔的代表性矿物，因而迄今关于水对N A M s 影响的 研究主要集中于石英和橄榄石，最近十来年一些研 究者对其他矿物如长石、辉石、石榴石等也进行了一 些零散的工作 表2 。下面我们就水对几种常见的 N A M s 变形的影响做一系统的总结，并对比它们在 干湿条件下的实验流动律参数 表2 、变形机制 图 2 和流变学行为。 5 ．1 石英 天然石英岩通常内含大量的水，具体表现为存 表2单相矿物集合体或岩石在干湿条件下的实验流动律参数 T a b l e2 E x p e r i m e n t a lf l o wl a wp a r a m e t e r sf o rm o n o p h a s em i n e r a la g g r e g a t e so rr o c k su n d e rd r ya n dw e tc o n d i t i o n s 矿物l o s A M P a ”／s n Q k J ／m 0 1 m 变形机制参考文献 万方数据 第1 期邵同宾等水对名义无水矿物变形的影响 1 4 5 单斜辉石 干 5 ．O 1 ．2 4 ．8 2 3 ．5 0 ．8 1 5 ，l 0 ．7 9 ．8 0 ．5 5 ．33 8 00 位错蠕变K i r b ya n dK r o n e n b e r g ，1 9 8 4 2 ．63 3 50 位错蠕变 S h e h o na n dT u l l i s ，1 9 8 1 6 ．44 4 40 位错蠕变K i r b ya n dK r o n e n b e r g ，1 9 8 4 17 6 0 2 03 扩散蠕变H i e r - M a j u m d e re ta 1 ．，2 0 0 5 b 1 5 6 0 3 03 扩散蠕变B y s t r i e k ya n dM a c k w e l l ．2 0 0 1 4 ．7 0 ．27 6 0 4 00 位错蠕变B y s t f i c k ya n dM a c k w e l l ，2 0 0 1 。一一 坠 竺 篁堕堕銮里 竺 竺1 6 - 1 1 0 13 4 0 3 03 扩散蠕变H i e r M a j u m d e re ta 1 ．。2 0 0 5 b 1 2 ．I 0 ．6 1 0 ．14 6 7 1 63 扩散蠕变R y b a c k ia n dD r e s e n ．2 0 0 0 1 2 11 4 6 03 扩散蠕变R y b a c k ie ta 1 ．，2 0 0 6 1 2 ．7 0 ．8 3 0 ．46 4 8 2 00 位错蠕变R y b a c k ia n dD r e s e n ．2 0 0 0 1 2 - 73 6 4 10 位错蠕变 R y b a c k ie ta 1 ．．2 0 0 6 钙长石 湿 一1 6 1 ．21 7 02 ．8 扩散蠕变X i a o ，1 9 9 9 1 ．7 0 ．2 l 0 ．11 7 0 63 扩散蠕变R y b a c k ia n dD r e s e n ．2 0 0 0 0 7 I1 5 93 扩散蠕变 R y b a c k ie ta 1 ．．2 0 0 6 2 ．6 0 ．3 3 0 ．23 5 6 90 位错蠕变R y h a c k ia n dD r e s e n ，2 0 0 0 0 2 33 4 50 位错蠕变R y b a c k ie ta 1 ．，2 0 0 6 辉长岩 干1 0 ．3 0 ．44 ．0 0 ．3 6 4 4 7 5 0 位错蠕变 Z h o ue ta 1 ．．2 0 1 2 辉长岩 湿 1 9 ．7 0 ．43 ，0 O ．2 6 8 8 2 50 位错蠕变 Z h o ue ta l T ．2 0 l l 铁铝榴石 2 ．5 3 ．04 1 00 位错蠕变W a n ga n dJ i ，1 9 9 9 铝榴石2 ．43 ．04 4 4 0 位错蠕变W a n ga n dJ i ．1 9 9 9 锰铝榴石 2 ．53 ．03 9 1 0 位错蠕变 W a n ga n dJ i ，1 9 9 9 绿榴石 2 ．6 3 ．04 1 50 位错蠕变W a “ga n dJ i ，1 9 9 9 镁铝榴石一5 ．41 ，13 4 7 2 ．5 扩散蠕变W a n ga n dJ i 。2 0 0 0 铁铝榴石 干3 ．4 0 ．7 77 位错蠕变K a t a y a m aa n dK a r a t o ．2 0 0 8 a 在大量的流体包裹体，红外吸收光谱上亦存在较宽 的羟基带。许多石英岩的含水量为1 0 0 0 ～4 0 0 0 H ／1 0 。S i M a i n p r i c ea n dP a t e r s o n ，1 9 8 4 。人工合 成、快速生长的石英晶体 G r i g g sa n dB l a c i c ，1 9 6 5 ； G r i g g s ，1 9 6 7 ；B l a e i c ，1 9 7 5 、天然紫水晶或乳白色 脉石英 K e k u l a w a l ae ta 1 ．，1 9 7 8 的水含量或许更 高。尽管自然界与实验室的应变速率相差许多个数 量级，但水致弱化却具普适性，含水石英岩的流动强 度 G r i g g s ，1 9 6 7 ；H e a r da n dC a r t e r ，1 9 6 8 P a r r i s he t a 1 ．，1 9 7 6 ；T u l l i se ta 1 ．，1 9 7 9 ；K o c he ta l ，，1 9 8 0 ； J a o u le t a 1 ．，1 9 8 4 ；K r o n e n b e r ga n dT u l l i s ，1 9 8 4 M a i n p r i c ea n dP a t e r s o n ，1 9 8 4 要比那些干的石英单晶 体的流动强度 G r i g g sa n dB l a c i c ，1 9 6 5 ；G r i g g s 。 1 9 6 7 ；H e a r da n dC a r t e r ，1 9 6 8 ；K e k u l a w a l ae ta 1 ．． 1 9 7 8 ；B l a c i ca n dC h r i s t i e ，1 9 8 4 ；O r da n dH o b b s 。 1 9 8 6 低得多。石英水致弱化效应之强在M a n c k t e l o w 万方数据 1 4 6 舞棚薛劬毫二揪 第3 7 卷 含水石英 b 含水橄榄石 含水辉石 d 含水斜长石 a 石英 R u t t e ra n dB r o d i e ，2 0 0 4 a ，b ； b 橄榄石 H i r t ha n dK o h l s t e d t ，2 0 0 3 ； C 辉石 含水D i m a n o va n dD r e s e n ，2 0 0 5 ；无水B y s t r i e k y a n dM a c k w e l l ，2 0 0 1 ； d 长石 R y b a c k ie ta 1 ．，2 0 0 6 。 图2 几种名义无水矿物在潮湿条件下的变形机制图 假定应变速率为1 0 。2s ～，流变参数详见表2 F i g ．2 D e f o r m a t i o nm e c h a n i s mm a p sf o rw e tr h e o l o g i e so f a q u a r t z R u t t e ra n dB r o d i e ，2 0 0 4 a ，b ， b o l i v i n e H i a h a n dK o h l s t e d t ，2 0 0 3 ， e p y r o x e n e w e t D i m a n o va n dD r e s e n ，2 0 0 5 ；d r y B y s t r i c k ya n dM a c k w e l l ，2 0 0 1 a n d d f e l d s p a r R y b a c k ie ta 1 ．，2 0 0 6 f o rc o n s t r u c t i o no ft h em a p s ，as t r a i nr a t eo f1 0 “2s ～w a sa s s u m e d ．R h e o l o g i c a lp a r a m e t e r su s e df o rc o n s t r u c t i o no ft h em a p ss e et a b l e2 a n dP e n n a c c h i o n i 2 0 1 0 对阿尔卑斯山东部的 N e v e s 地区的野外研究中得到了很好的例证，他们 发现在含水角闪岩相条件下石英以基质的形式围绕 在方解石碎斑的周围。 5 ．1 ．1 石英水致弱化的影响因素 由于非晶态二氧化硅 a m o r p h o u ss i l i c a 包含大 量的生长水，用此作为原材料热压合成出来的多晶 集合体要比由天然石英 石英砂 制备的样品的流 动强度低得多 图3 ，P a t e r s o na n dL u a n ，1 9 9 0 。此 外，P a t e r s o na n dL u a n 1 9 9 0 发现由石英砂制备的样 品通常会在大应变时发育一条剪切微破裂，这与在 1 ．5G P a 围压下对天然干石英变形得到的结果类似 如B l a c i ca n dC h r i s t i e ，1 9 8 4 ；O r da n dH o b b s ， 1 9 8 6 ，在这些试样中都很少发生晶内变形；而由非 晶态二氧化硅合成的样品几乎全部发生均匀变形并 常常可以看到显著的波状消光和压扁的颗粒形状， 以及大量颗粒边界迁移的显微构造证据 即