湿条件下单斜辉石-斜长石集合体的高温变形行为及其对大陆下地壳流变学的启示

本研究针对大陆下地壳(CLC)流变学性质受水含量影响的关键科学问题，通过Paterson气体介质装置对"原始"和"水添加"单斜辉石-斜长石集合体开展高温变形实验（300 MPa围压，1,173-1,423 K，应变率6×10?6-2×10?4 s?1），获得应力指数n=3.6±0.6/3.7±1.4和活化能Q=504±85/347±48 kJ/mol，揭示位错蠕变主导、溶解-沉淀蠕变辅助的复合变形机制，证实下地壳强度低于上地壳和岩石圈地幔的"果冻三明治"模型。

　　

大陆下地壳作为连接长英质上地壳和超镁铁质上地幔的关键层位，其流变特性直接影响岩石圈演化、壳幔耦合、通道流等地质过程。然而，关于其强度存在"强下地壳"与"弱下地壳"的长期争议，核心问题在于水含量对多矿物集合体变形机制的调控作用尚未明确。前人研究多集中于单矿物或天然粗粒岩石，但单矿物实验无法反映多相体系的复杂相互作用，而天然样品又存在水含量不可控、变形机制混杂等问题。中国科学院广州地球化学研究所的研究团队选择单斜辉石(40%)-斜长石(52%)这一典型下地壳矿物组合，通过精密设计的实验揭示了水对大陆下地壳流变学的定量影响，相关成果发表于《Journal of Structural Geology》。

研究采用Paterson气体介质变形装置，关键技术包括：(1)从河北怀安天然麻粒岩中分离提纯矿物并控制粒径；(2)分"原始水含量"和"水添加"两组进行热压烧结；(3)在300 MPa围压、1,173-1,423 K温度范围和6×10^?6-2×10^?4 s^?1应变率下开展三轴压缩实验；(4)结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)、电子背散射衍射(EBSD)等技术分析显微结构与水含量。

【起始材料】
源自河北怀安天然麻粒岩(52%Pl+40%Cpx+3%Qtz+5%Mag)，经破碎、重液分离获得高纯度单斜辉石和斜长石粉末，确保起始材料成分均一且粒径可控。

【力学数据】
实验获得15-464 MPa轴向应力和12%-20%总应变。流变律分析显示，"原始"样品应力指数n=3.6±0.6、活化能Q=504±85 kJ/mol；水添加组n=3.7±1.4、Q=347±48 kJ/mol，表明水显著降低变形活化能。

【变形机制与流变参数】

1. 不同水含量下的变形机制：EBSD分析显示所有样品均发育形状优选定向(SPO)和晶格优选定向(CPO)，粗粒区域(约80 vol%)存在亚晶界，证实位错蠕变为主导机制。熔体、新相(橄榄石+斜方辉石)及<10 μm细粒的出现，表明高温高水条件下溶解-沉淀蠕变起辅助作用。
2. 流变参数对比：获得的n值与单矿物实验(斜长石n=3.0-3.3，辉石n=3.5-4.5)相当，但活化能低于干燥单斜辉石(700-760 kJ/mol)，证实水弱化效应。

【结论】
研究首次定量揭示水对单斜辉石-斜长石集合体流变行为的调控：(1)位错蠕变主导但伴随显著水辅助的溶解-沉淀蠕变；(2)水添加使活化能降低31%，导致强度对温度敏感性增强；(3)细粒化引发颗粒边界滑动，使变形转入粒度敏感蠕变区。这些发现支持大陆岩石圈的"果冻三明治"强度模型，即下地壳作为相对软弱层分隔强硬的上地壳和上地幔，为理解大陆造山带演化、地震深度分布等地质现象提供了实验约束。显微结构证据显示的多机制耦合变形，也启示未来研究需关注多相体系中变形机制的协同竞争关系。