冷俯冲带中硬柱石和蓝闪石的晶体优选取向演化机制及其构造意义

针对冷俯冲带硬柱石蓝片岩中硬柱石(lawsonite)与蓝闪石(glaucophane)晶体优选取向(CPO)形成机制不明确的问题，研究人员通过高温高压(1.0–2.5 GPa)和低温(230–400 °C)条件下的剪切应变实验(γ=1.1–4.0)，首次发现硬柱石存在[010]轴平行剪切方向(Type-A)和[100]轴平行剪切方向(Type-B)两类CPO，而蓝闪石仅发育[001]轴平行剪切方向的单一CPO。该研究揭示了刚性旋转主导的CPO形成机制，为理解冷俯冲带地震波各向异性提供了关键实验依据。

　　

在深不可测的俯冲带深处，一种名为硬柱石蓝片岩的特殊岩石正悄然进行着"水的快递"——这种含有约6 wt% H₂
O的岩石通过冷俯冲作用将大量水分输送到地幔深处。然而，科学家们长期被一个谜题困扰：其中的关键矿物硬柱石(lawsonite)和蓝闪石(glaucophane)在变形过程中如何排列？这种被称为晶体优选取向(CPO)的微观结构，直接影响着地震波在俯冲带中的传播特性，是解读地球深部动力学的重要密码。

以往的研究给出了矛盾的线索：天然样品中硬柱石CPO既有[001]轴垂直叶理面的"正常型"，也有平行线理的"异常型"；而实验研究在低温条件下仅获得随机取向，在高温条件(超出硬柱石稳定域)又出现无规律的CPO变化。这种混乱让学界开始质疑：我们是否遗漏了某个关键变量？韩国国立研究基金会支持的研究团队意识到，前人实验的剪切应变(γ≤1.8)可能不足，而自然界俯冲带的应变往往更大。

研究人员选择美国加利福尼亚州帕诺切山口出产的天然硬柱石蓝片岩(含55%蓝闪石、35%硬柱石)作为初始材料，在 Griggs型变形装置中模拟冷俯冲环境(1.0–2.5 GPa，230–400 °C)，将剪切应变提升至γ=4.0。通过电子背散射衍射(EBSD)技术追踪矿物晶格取向，结合显微结构分析，他们捕捉到CPO演化的完整轨迹。

关键实验技术

1. 采用Griggs型变形装置实现高压(1.0–2.5 GPa)低温(230–400 °C)条件下的可控剪切应变(γ=1.1–4.0)
2. 电子背散射衍射(EBSD)技术定量分析硬柱石和蓝闪石的晶体取向
3. 显微结构观察识别颗粒破裂和位错特征
4. 使用天然硬柱石蓝片岩样本(美国加利福尼亚州Diablo Range)作为初始材料

微结构特征
低应变样品(γ≤1.4)显示硬柱石和蓝闪石长轴与剪切面高角度相交，伴随颗粒内破裂；高应变样品(γ≥2.1)则发育明显的叶理结构。值得注意的是，硬柱石和蓝闪石仅显示微弱位错，暗示刚性旋转可能是CPO形成的主控机制。

硬柱石CPO类型演化
当γ=1.1–1.4时，硬柱石发育Type-A CPO：[010]轴近平行剪切方向，[001]轴垂直剪切面；当γ增至2.1–4.0时，转变为Type-B CPO：[100]轴平行剪切方向，[001]轴仍保持垂直剪切面。这两种类型均属于"正常型"CPO，与全球多个俯冲带(如日本Kurosegawa带、土耳其Sivrihisar地块)的天然样品一致。

蓝闪石CPO的稳定性
不同于硬柱石，蓝闪石在所有应变条件下均保持单一CPO模式：[001]轴平行剪切方向，[100]轴垂直剪切面。这种取向与多数天然样品和前人实验结果吻合，表明其CPO形成机制具有更强的普适性。

讨论与意义
这项发表在《Journal of Structural Geology》的研究首次系统揭示了剪切应变对硬柱石CPO类型的控制作用：低应变促进[010]轴定向(Type-A)，高应变驱动[100]轴定向(Type-B)。这种应变依赖性解释了天然样品中CPO类型的区域性差异。更重要的是，显微结构证据支持"刚性旋转为主、位错活动为辅"的CPO形成模型，挑战了传统认为的位错蠕变主导机制。

从地球物理视角看，硬柱石Type-B CPO会导致Vp(纵波)和Vs1(快横波)显著各向异性，而蓝闪石的稳定CPO模式可能成为识别冷俯冲带的"地震指纹"。这项成果为解码俯冲带地震波各向异性提供了矿物物理基础，同时深化了对地球深部水循环过程的理解。正如通讯作者Haemyeong Jung强调的："我们首次在实验条件下复现了天然硬柱石的全部CPO类型，这为利用地震波探测俯冲带流体运移开辟了新途径。"