石英道芬雙晶對(duì)晶格優(yōu)選取向及變形機(jī)制的貢獻(xiàn)和意義
2022-12-04 12:17:48占樂凡曹淑云
巖石礦物學(xué)雜志 2022年6期
關(guān)鍵詞：變形
占樂凡，曹淑云
(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球科學(xué)學(xué)院 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430074)
石英是大陸地殼中主要的組成礦物之一， 也是最常見的造巖礦物， 對(duì)其變形行為與機(jī)制的研究， 是深入理解地殼強(qiáng)度和流變學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵 (Kohlstedtetal., 1995; Stippetal., 2002; Passchier and Trouw, 2005; Stipp and Kunze, 2008; 張進(jìn)江等， 2019)。純的石英無色、透明， 希臘人稱為“Krystallos”， 意思是“潔白的冰”。由于石英具有較為簡單的化學(xué)成分和特殊的晶體結(jié)構(gòu)， 其塑性變形行為、組構(gòu)特征及變形溫度-壓力之間的關(guān)系得到了前人的廣泛研究(Stippetal., 2002; Lloyd, 2004; Caoetal., 2013a, 2013b; Ceccatoetal., 2017; McGinnetal., 2020)。
自然界中，盡管雙晶在大多數(shù)種類的礦物晶體中不出現(xiàn)或少見，但是在少數(shù)的礦物如方解石﹑石英、斜長石、角閃石、錫石﹑十字石等晶體中常常發(fā)育雙晶。研究表明，一些礦物變形過程中伴隨有不同程度的雙晶發(fā)育。 長石和方解石的雙晶非常發(fā)育，且在顯微鏡下常?？梢?。石英也發(fā)育雙晶，然而，由于其雙晶單體的光率體大致相同，因此，在顯微鏡下比較難以直接觀測(cè)到。自1933年Zinserling和 Schubnikov首次在石英單晶中發(fā)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)下能夠形成道芬雙晶(圖1)，之后許多學(xué)者相繼開展了顯微構(gòu)造和巖石組構(gòu)研究，來探究道芬雙晶的作用及意義 (Wooster and Wooster, 1946; Tullis, 1970; Tullis and Tullis, 1972; Markgraaff, 1986; Lloyd, 2004; Pehl and Wenk, 2005; Wenketal., 2005; Mengonetal., 2011; Zhangetal., 2012; Rahletal., 2018; McGinnetal., 2020; Bidgoodetal., 2021)。早期的研究認(rèn)為道芬雙晶形成于低溫α-石英和高溫β-石英的相變過程中，隨著先進(jìn)的電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力誘發(fā)的道芬雙晶對(duì)溫度和應(yīng)力具有一定的依賴性 (Lloyd, 2004; Pehl and Wenk, 2005; Wenketal., 2005, 2006, 2007; Mengonetal., 2011; McGinnetal., 2020)，也意識(shí)到在不同地質(zhì)條件下道芬雙晶的發(fā)育或存在可能對(duì)石英晶體塑性變形具有重要影響，并對(duì)其成因機(jī)制以及形成條件等進(jìn)行了探討(Piazoloetal., 2005; Wenketal., 2009; Mengonetal., 2011; Rahletal., 2018 )。然而，到目前為止，天然巖石變形過程中，石英道芬雙晶的存在對(duì)變形行為及機(jī)制的影響方面的研究仍然很少，制約了對(duì)地殼流變學(xué)性質(zhì)的全面理解。
云南高黎貢剪切帶出露有同構(gòu)造變形的石英脈， 石英表現(xiàn)出典型的脆-韌性轉(zhuǎn)換域下的變形特征(Dongetal., 2019)， 其中的粗顆粒石英殘斑大多發(fā)育道芬雙晶， 晶內(nèi)發(fā)育有細(xì)?；闹亟Y(jié)晶集合體條帶。本文在前人對(duì)道芬雙晶的研究基礎(chǔ)上， 對(duì)高黎貢剪切帶內(nèi)石英脈中的石英開展了精細(xì)EBSD晶格優(yōu)選取向研究， 分析和總結(jié)了道芬雙晶的結(jié)晶學(xué)特征及形成條件， 并進(jìn)一步探討了道芬雙晶對(duì)石英變形行為及機(jī)制的貢獻(xiàn)和意義。
高黎貢剪切帶石英脈平行糜棱葉理方向產(chǎn)出。本文石英脈樣品來自于高黎貢剪切帶邊界處， 按照平行礦物拉伸線理和垂直糜棱面理的XZ面切制了定向薄片。樣品EBSD測(cè)試在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成， 使用儀器型號(hào)為蔡司Sigma 300VP 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡， 搭載有牛津EBSD探頭。樣品在精細(xì)拋光后在低真空下完成測(cè)試， 加速電壓為20 kV， 束流工作距離為16 mm， 步長為1 μm， 收集點(diǎn)至少匹配8個(gè)衍射帶以被完整接收。后續(xù)處理軟件為Channel 5和Aztec crystal軟件。文中所展示的IPF面分布圖是以應(yīng)變橢球中Z方向?yàn)榛鶞?zhǔn)進(jìn)行的編碼。顆粒邊界跡線分析是一種通過EBSD數(shù)據(jù)來確定晶體活動(dòng)滑移系的較為可靠的方法， 其原理為利用EBSD數(shù)據(jù)來確定晶體可能的旋轉(zhuǎn)軸， 接著在理想的傾斜或扭曲邊界根據(jù)模型與旋轉(zhuǎn)軸間的關(guān)系來確定出顆粒所發(fā)育的活動(dòng)滑移系， 具體方法可參考Lloyd(2004)。
1 道芬雙晶的結(jié)晶學(xué)特征及形成影響因素
圖1 三方晶系α-石英單晶(a)和道芬雙晶(b)宏觀示意圖
早期的實(shí)驗(yàn)研究表明， 受到高應(yīng)力的石英晶體會(huì)發(fā)生道芬雙晶化(Zinserling and Schubnikov, 1933; Woosteretal., 1947; Thomas and Wooster, 1951)。之后通過對(duì)石英的單晶壓縮實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)在1～2 GPa的差應(yīng)力下， 石英晶體即發(fā)育道芬雙晶(Tullis and Tullis, 1972)； 進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在20 GPa的沖擊波下石英也能形成道芬雙晶的形成 (Wenketal., 2005)。最近越來越多研究者注意到沉積巖(Zhangetal., 2012; Olierooketal., 2014)、糜棱巖(Lloyd, 2004; Pehl and Wenk, 2005; Menegonetal., 2011; McGinnetal., 2020)、混合巖(Levineetal., 2016) 在經(jīng)歷構(gòu)造變形過程中形成了道芬雙晶， 甚至還發(fā)現(xiàn)隕石在撞擊變形過程中也可形成石英道芬雙晶(Wenketal., 2005)， 導(dǎo)致研究者開始思考外部條件對(duì)雙晶活動(dòng)的影響及其意義。
道芬雙晶的形成過程與溫度和差應(yīng)力之間存在一定的耦合關(guān)系， 即當(dāng)溫度較高時(shí)， 只需要較低的差應(yīng)力就能誘發(fā)道芬雙晶(Thomas and Wooster, 1951; Tullis, 1970; Tullis and Tullis, 1972; Wenketal., 2006)。受制于相變后道芬雙晶消失的影響， 溫度影響的上限不會(huì)超過相變溫度(約570～600℃)。通過對(duì)未變形多晶石英的壓縮實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)， 在約300 MPa的圍壓、100 MPa的差異應(yīng)力和300～400℃條件下， 石英會(huì)出現(xiàn)道芬雙晶； 在500℃ 時(shí)， 道芬雙晶發(fā)育約需50 MPa的差異應(yīng)力； 在600℃(接近相變過程溫度)的溫度下低于50 MPa的差應(yīng)力就可誘發(fā)道芬雙晶的形成(Wenketal., 2006, 2007)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 差應(yīng)力較低時(shí)， 溫度越高， 越容易誘發(fā)道芬雙晶。最近， Rahl 等 (2018) 報(bào)道了石英道芬雙晶出現(xiàn)在未面理化的天然低級(jí)變質(zhì)石英巖中， 變質(zhì)溫度在300～450℃左右， 同樣也說明了道芬雙晶只需要較低的差應(yīng)力就能被誘發(fā)形成。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還進(jìn)一步表明， 由于顆粒初始取向的限定， 一個(gè)多晶樣品中機(jī)械應(yīng)力誘發(fā)的道芬雙晶化的程度存在一個(gè)上限， 在500℃下， 多晶石英巖的組構(gòu)在450 MPa下達(dá)到飽和， 將差應(yīng)力增加到600 MPa并不能激活取向較差的晶粒形成雙晶(圖2c)(Wenketal., 2006)。而在600℃下， 多晶石英巖的組構(gòu)在300 MPa下就達(dá)到了飽和。因此， 可以得出溫度的升高能夠有效降低道芬雙晶被激活的難度， 如從動(dòng)力學(xué)角度來解釋， 即溫度的升高能夠有效升高雙晶化的勢(shì)壘， 從而降低雙晶化的活化能， 促進(jìn)道芬雙晶的形成。
另外， 時(shí)間因素對(duì)于道芬雙晶化過程也是一個(gè)重要的影響因素。早期有實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為， 單晶中道芬雙晶化是一個(gè)極短的過程， 幾乎是一瞬間(Schubnikov and Zinserling, 1932; Wooster and Wooster, 1946)， 例如天然多晶石英巖樣品在隕石撞擊過程中形成的道芬雙晶同樣被認(rèn)為是短時(shí)間內(nèi)迅速形成的(Trepmann and Spray， 2005; Wenketal.， 2005)。雖然目前實(shí)驗(yàn)條件下還沒有驗(yàn)證道芬雙晶的短時(shí)效應(yīng)， 但是Wenk 等 (2006)對(duì)比了500℃下2 h和31 h的應(yīng)力作用所產(chǎn)生的組構(gòu)強(qiáng)度類似， 說明道芬雙晶至少在2 h時(shí)已經(jīng)達(dá)到了飽和。來自于鈦鐵礦的機(jī)械雙晶的形成類似于道芬雙晶， 同樣僅發(fā)生了輕微的原子位移重排， 且已經(jīng)被證明發(fā)生在微秒的尺度上相關(guān) (Harrisonetal., 2003)。與之類比， 道芬雙晶很可能同樣僅發(fā)生在微秒尺度， 遺憾地是目前還沒有研究能夠證明。
2 石英的菱面擇優(yōu)取向及微觀機(jī)理
天然變形或?qū)嶒?yàn)條件下， 變形巖石中的石英集合體在一定溫度壓力下常常會(huì)形成
圖2 弱變形含石英巖石的石英組構(gòu)特征
對(duì)這種在菱面{r}上發(fā)育的特殊組構(gòu)類型， 最早Tullis (1968)通過石英塑性變形中菱面滑移過程來解釋。然而， 這種觀點(diǎn)被實(shí)驗(yàn)結(jié)果所質(zhì)疑(Tullis, 1970)。塑性變形中滑移系啟動(dòng)的決定性因素在于變形應(yīng)力是否達(dá)到了臨界分切應(yīng)力值。如果是滑移導(dǎo)致的優(yōu)選定向， 那么菱面上
圖3 剪切誘導(dǎo)形成的道芬雙晶結(jié)構(gòu)模型
圖4 石英不同晶體方向上的反極圖(改自Tullis, 1970)
圖5 石英單晶軸向壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖
3 道芬雙晶對(duì)天然石英塑性變形行為的制約作用
由于之前研究的道芬雙晶并不涉及塑性變形， 也就是說并不能容納永久應(yīng)變， 因此很少有研究注意到道芬雙晶對(duì)塑性域下含石英巖石顯微構(gòu)造演化和變形行為上的貢獻(xiàn)。然而， 隨著近年來技術(shù)的發(fā)展， 越來越多的研究注意到， 道芬雙晶對(duì)天然樣品中石英晶內(nèi)塑性變形的分布、不同滑移系的激活、動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的位置具有重要影響 (Stipp and Kunze, 2008; Mengonetal., 2011; McGinnetal., 2020)。
高黎貢剪切帶同構(gòu)造變形的石英脈中石英具有典型的脆-韌性轉(zhuǎn)換域下的變形特征(圖6， 圖示結(jié)果來自于對(duì)高黎貢剪切帶中石英脈薄片的EBSD面掃描)， 其運(yùn)動(dòng)學(xué)方向與高黎貢剪切帶主體保持一致(Dongetal., 2019)。 圖6a和6b是石英脈的正交偏光顯微照片， 圖6a中石英殘斑指示剪切方向?yàn)橛倚校?與區(qū)域剪切方向一致； 圖6c左圖為ipf面分布圖， 黑框代表圖7面分布圖區(qū)域， 右圖為顆粒邊界跡線分析結(jié)果， BT代表邊界跡線， Rot.axis代表旋轉(zhuǎn)軸方向， 極點(diǎn)圖右下角數(shù)字代表邊界的取向差角度。由圖6可見， 其中的粗顆粒石英殘斑大多發(fā)育道芬雙晶， 并且晶內(nèi)發(fā)育有細(xì)粒化的重結(jié)晶集合體條帶(圖6b)。為了方便后續(xù)討論， 我們將道芬雙晶中菱面{z}垂直于主應(yīng)力的部分稱為z-雙晶， 菱面{r}垂直于主應(yīng)力的部分稱為r-雙晶。通過對(duì)高黎貢剪切帶內(nèi)變形石英脈的精細(xì)分析發(fā)現(xiàn)， 石英的道芬雙晶中r-雙晶和z-雙晶都疊加明顯的晶體塑性變形。其中r-雙晶中的小角度邊界(<10°) 密度明顯大于z-雙晶的小角度邊界密度， 因此，r-雙晶明顯比z-雙晶能容納更多的塑性應(yīng)變(圖6c)。這也與Mengon 等 (2011) 的研究有相似性， 即r-雙晶顯示的小角度邊界密度是z-雙晶的兩倍， 因?yàn)閞-雙晶相比z-雙晶具有更高的彈性應(yīng)變能。在材料學(xué)中， 只有外部應(yīng)力達(dá)到彈性極限之上， 才可以看到塑性流動(dòng)引起的材料永久變形。與z-雙晶相比，r-雙晶中的塑性應(yīng)變反映了儲(chǔ)存在r-雙晶中的更大的彈性應(yīng)變能及較低的差應(yīng)力下發(fā)生的塑性屈服， 所以r-雙晶中容納了更多的塑性應(yīng)變。
通過對(duì)高黎貢剪切帶內(nèi)石英脈中石英的進(jìn)一步精細(xì)的 EBSD面掃描分析， 發(fā)現(xiàn)變形石英中發(fā)育道芬雙晶化的同時(shí)， 在塑性域下還主要激活了{(lán)π}和{π’}滑移系(圖6c右圖)。有研究同樣發(fā)現(xiàn)道芬雙晶化的石英晶體在綠片巖相的變質(zhì)條件下會(huì)激活{π}和{π’}滑移系(Mengonetal., 2011)。然而， 在綠片巖相下{c}滑移系是石英中最常見的(Schmid and Casey, 1986; Stippetal., 2002; Caoetal., 2013a)， 因此， 道芬雙晶很有可能可以控制石英塑性變形過程中主體滑移系的激活。在變形初期， 石英晶體受{c}滑移系控制， 由于道芬雙晶的影響，r-雙晶中相比z-雙晶容納了更多的塑性應(yīng)變， 導(dǎo)致r-雙晶的晶格畸變大于z-雙晶的， 這就導(dǎo)致了雙晶界的錯(cuò)位偏移， 原本60°的雙晶界變成一般的高角度晶界， 并且位錯(cuò)也更容易在此堆積導(dǎo)致角度偏移更大(Mengonetal., 2011)。石英晶體在幾何上發(fā)生了一定的旋轉(zhuǎn)， 原來的底面方向可能不能滿足臨界剪切應(yīng)力條件， {c}滑移系難以激活， 而導(dǎo)致其他定向良好的滑移系在石英晶體內(nèi)被激活， 如{r}和{π}等。當(dāng)然， 這種情況對(duì)取向有一定要求， 可能只適用于菱面垂直于應(yīng)力方向的石英晶體。此外， Barrie 等(2008) 在黃鐵礦單晶中同樣發(fā)現(xiàn)了類似的滑移系轉(zhuǎn)換。
圖6 高黎貢剪切帶內(nèi)石英脈的變形特征
綜上所述， 可以認(rèn)為道芬雙晶導(dǎo)致石英發(fā)生塑性變形時(shí)晶格的應(yīng)變優(yōu)先集中在r-雙晶中， 并且在遞進(jìn)變形中由于r-雙晶和z-雙晶的力學(xué)差異導(dǎo)致晶界旋轉(zhuǎn)， 最終影響主導(dǎo)滑移系的選擇。
此外， 在本文研究樣品中還發(fā)現(xiàn)一個(gè)有意思的現(xiàn)象， 道芬雙晶化的石英動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用多發(fā)生在r-雙晶中及雙晶界上， 而在z-雙晶中幾乎沒有發(fā)現(xiàn)(圖6a、圖7a)， 這很有可能說明道芬雙晶的發(fā)育制約動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用出現(xiàn)的位置(Stipp and Kunze, 2008; Mengonetal., 2011; McGinnetal., 2020)。由于塑性變形中r-雙晶積累了更高的晶格畸變， 某些區(qū)域由于位錯(cuò)堆疊而變成了晶體內(nèi)的薄弱位置， 由于“前兆效應(yīng)”的影響， 發(fā)生了應(yīng)變局部化(Pennacchioni and Mancktelow, 2018)， 并通過動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用來容納在此聚集的剪切應(yīng)變量。許多研究展示了在綠片巖相-低角閃巖相下亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶作用對(duì)石英晶體在應(yīng)變?nèi)趸矫娴挠绊懀?并且將之應(yīng)用于應(yīng)力計(jì)算中(王新社等， 2001; Stippetal., 2002; Stipp and Tullis, 2003; Lloyd, 2004; Stipp and Kunze, 2008; Kilianetal., 2011; Caoetal., 2013a,2013b; Ceccato, 2017; Dongetal., 2019)。
圖7 高黎貢剪切帶石英脈中重結(jié)晶晶粒的ipf面分布和顆粒邊界取向差面分布圖(a)及取向差剖面圖(b)
研究樣品中發(fā)育道芬雙晶化的石英顆粒， 重結(jié)晶晶粒的顆粒取向和r-雙晶的取向有緊密的聯(lián)系， 此外， 重結(jié)晶晶粒大小也與r-雙晶中亞顆粒的大小保持大致類似(圖7a)， 這說明亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶在動(dòng)態(tài)重結(jié)晶過程中起到了主導(dǎo)的地位。根據(jù)Stipp 和Kunze (2008) 的定義， 膨凸成核重結(jié)晶是一種綜合的重結(jié)晶機(jī)制， 包括局部緩慢的晶界遷移和亞顆粒的旋轉(zhuǎn)。在局部區(qū)域，r-雙晶晶界的凸起支持了這一模型(圖7a)。然而， 樣品中重結(jié)晶晶粒為高角度晶界(>60°)(圖7b)， 僅通過晶內(nèi)滑移或是亞顆粒旋轉(zhuǎn)重結(jié)晶作用很難達(dá)到， 需要一個(gè)新的機(jī)制來協(xié)調(diào)其變形。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)或天然樣品研究發(fā)現(xiàn)， 晶界滑移可促進(jìn)晶粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)， 并導(dǎo)致高角度的重結(jié)晶顆粒邊界來承擔(dān)應(yīng)變局部化過程中的大部分應(yīng)變量(Bons and den Brok, 2000; Jiangetal., 2000; Bestmann and Prior, 2003; Passchier and Trouw, 2005; Kilianetal., 2011; Platt, 2015; Mansardetal., 2018)。此外， 晶界滑移還能抑制重結(jié)晶晶粒的再生長， 反而會(huì)保持相對(duì)均勻的粒徑通過晶界滑移機(jī)制來協(xié)調(diào)應(yīng)變局部化過程， 這與樣品中較為均勻的重結(jié)晶晶粒粒徑現(xiàn)象相一致(圖7a)。
4 討論
4.1 道芬雙晶的力學(xué)性質(zhì)與弱化機(jī)制
結(jié)晶學(xué)中， 根據(jù)雙晶形成機(jī)理可分為生長雙晶、轉(zhuǎn)變雙晶、機(jī)械雙晶等(Okrusch and Frimmel, 2020)。生長雙晶形成于晶體成核或晶體生長階段， 而轉(zhuǎn)變雙晶多發(fā)生于同質(zhì)多像體間對(duì)稱程度較高的變體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱程度較低的變體階段， 在外部機(jī)械應(yīng)力作用下受塑性滑移機(jī)制控制可以形成機(jī)械雙晶。然而， 對(duì)于道芬雙晶， 很難用一種類型來概括它的性質(zhì)與特征， 因?yàn)榈婪译p晶可形成于相變過程中以及外界機(jī)械應(yīng)力的作用下， 且誘發(fā)機(jī)理與一般認(rèn)識(shí)上的機(jī)械雙晶等有所區(qū)別。此外， 過去有研究認(rèn)為道芬雙晶也可以被認(rèn)為是生長雙晶(Frondel, 1945; Barton and Wenk, 2007)， 然而依筆者理解， 生長雙晶主要形成于晶體生長過程中， 而道芬雙晶只能形成于α-石英域， 并達(dá)不到石英結(jié)晶的環(huán)境條件，因此， 雖然塑性域下重結(jié)晶過程能誘發(fā)道芬雙晶形成， 但并不能認(rèn)為道芬雙晶為生長雙晶。
對(duì)于石英的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析表明， 道芬雙晶的形成是為了晶體最大化彈性應(yīng)變能， 這是熱力學(xué)平衡的必需條件(Tullis, 1970; Tullis and Tullis, 1972; Barton and Wenk, 2007)。正如前面提到的， 道芬雙晶的形成是為了降低晶體硬度使之弱化。機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)激活道芬雙晶取決于外加應(yīng)力的方向， 道芬雙晶能使晶體向柔度更高更具有順應(yīng)性的方向排列(Tullis, 1970)。與方解石中的e-雙晶律相比， 道芬雙晶并不能算是機(jī)械雙晶， 因?yàn)榈婪译p晶并不會(huì)發(fā)生晶格永久性的破壞， 也就是說道芬雙晶并不能產(chǎn)生永久應(yīng)變。但并不是說道芬雙晶會(huì)像彈簧一樣發(fā)生彈性變形， 撤去外部應(yīng)力就會(huì)復(fù)原， 相反撤去外部應(yīng)力， 只要在穩(wěn)定的外部條件下道芬雙晶能保存數(shù)億年之久(Wenketal., 2005)。道芬雙晶在晶格尺度下僅發(fā)生輕微的原子重排。
Wenk等(2006, 2007)的實(shí)驗(yàn)研究表明， 將在α-石英域中取向隨機(jī)分布的多晶石英， 通過壓縮實(shí)驗(yàn)誘發(fā)形成道芬雙晶后， 如果將其進(jìn)一步升溫至β-石英域， 道芬雙晶會(huì)消失； 如果再次降溫至α-石英域中時(shí)， 道芬雙晶現(xiàn)象不會(huì)出現(xiàn)， 晶粒取向趨于最初的隨機(jī)分布狀態(tài)。此外， 在對(duì)多晶石英巖的原位壓縮實(shí)驗(yàn)里， 實(shí)驗(yàn)誘導(dǎo)形成的道芬雙晶在卸載過程中會(huì)發(fā)生部分反轉(zhuǎn)， 少部分道芬雙晶化的晶體會(huì)恢復(fù)原始取向， 即表現(xiàn)出部分彈性變形特征(Wenketal., 2007)。因此， 很難用彈性變形機(jī)制或塑性變形機(jī)制去形容道芬雙晶， 雖然道芬雙晶引入了晶格應(yīng)變， 但是這是可恢復(fù)的， 也就是說， 道芬雙晶不能完全被認(rèn)為是一種應(yīng)變調(diào)節(jié)機(jī)制， 其更像是晶體適應(yīng)應(yīng)力作用的流變?nèi)趸瘷C(jī)制。
4.2 潛在性的地質(zhì)應(yīng)力計(jì)
方解石中的機(jī)械雙晶常常被用作古應(yīng)力計(jì)來求解地質(zhì)歷史過程中古應(yīng)力方向和大小。這是因?yàn)闄C(jī)械e-雙晶是方解石在低溫低壓下主要的晶體塑性變形特征， 且主應(yīng)力軸與雙晶面成固定角度。Tullis (1970)最早發(fā)現(xiàn)并探討了石英道芬雙晶引起的菱面上的擇優(yōu)取向， 同時(shí)發(fā)現(xiàn)了雙晶形成模式與外加應(yīng)力方向上的關(guān)聯(lián)性，之后進(jìn)一步對(duì)道芬雙晶的形成過程進(jìn)行了熱力學(xué)分析， 思考道芬雙晶作為古應(yīng)力計(jì)的可能性(Tullis and Tullis， 1972)。石英在機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)下發(fā)育道芬雙晶， 引起晶體變形并儲(chǔ)存一定的彈性應(yīng)變能， 因此， 認(rèn)為道芬雙晶可潛在性地作為古應(yīng)力計(jì)。然而， 這些早期的研究僅僅提供了一個(gè)猜想， 并沒有進(jìn)行實(shí)際的案例應(yīng)用。
隨著研究的深入， 人們重新評(píng)估了在天然構(gòu)造巖中將道芬雙晶作為變形條件信息來源的可能性。 Pehl 和Wenk (2005)對(duì)天然剪切帶中的花崗質(zhì)糜棱巖樣品的分析進(jìn)一步認(rèn)為道芬雙晶可以作為含石英巖石的古應(yīng)力計(jì)， 并且認(rèn)為， 道芬雙晶可發(fā)生在構(gòu)造變形的任何時(shí)期， 但是如果在早期形成， 有可能被后期形成的構(gòu)造特征所覆蓋。Wenk 等 (2006) 在對(duì)細(xì)粒石英巖在不同溫度和不同應(yīng)力下進(jìn)行了一系列變形實(shí)驗(yàn)后， 建立了道芬雙晶對(duì)應(yīng)力和溫度的耦合關(guān)系。Mengon等 (2011)根據(jù)Wenk等(2006)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將之應(yīng)用在綠片巖相下形成的花崗糜棱巖中， 以此來證明道芬雙晶作為古應(yīng)力計(jì)的可能，并認(rèn)為道芬雙晶的形成階段稍早于綠片巖相下的糜棱巖化作用， 但大致同步， 即構(gòu)造變形條件相同。在綠片巖相(300～400℃)下， 道芬雙晶形成于大約100 MPa下， 而通過動(dòng)態(tài)重結(jié)晶晶粒粒度應(yīng)力計(jì)測(cè)出的差應(yīng)力為100 MPa， 因此可以認(rèn)為它確實(shí)代表了一種潛在的應(yīng)力計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明(Wenketal., 2006)， 在一定條件下增大應(yīng)力會(huì)促進(jìn)更多晶粒形成道芬雙晶， 100 MPa可能只能作為應(yīng)力估算的下限。此外， Wenk等(2007)對(duì)細(xì)粒石英巖的原位變形實(shí)驗(yàn)表明， 道芬雙晶在外部應(yīng)力撤去后會(huì)發(fā)生部分反轉(zhuǎn)， 目前的研究并不能確定反轉(zhuǎn)量， 很難通過樣品中的道芬雙晶現(xiàn)象去還原變形歷史過程中準(zhǔn)確的應(yīng)力大小。因此， 雖然道芬雙晶的形成表現(xiàn)出一定的應(yīng)力相關(guān)性， 但是目前的研究在相對(duì)簡單、干擾較少的實(shí)驗(yàn)室條件下都還無法做到對(duì)變形過程應(yīng)力大小的反演。要做到將道芬雙晶作為應(yīng)力計(jì)外推至復(fù)雜的天然構(gòu)造變形過程， 還需要更準(zhǔn)確更科學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)， 也需要對(duì)樣品進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)背景調(diào)查和多尺度的綜合分析。
4.3 道芬雙晶對(duì)地殼巖石塑性變形及流變?nèi)趸挠绊?/h3>
道芬雙晶的存在對(duì)塑性變形過程中塑性應(yīng)變的分配和局部化過程以及主要滑移系的選擇具有深遠(yuǎn)的影響。過去的研究常常認(rèn)為石英的變形在地殼層次從淺至深分別被脆性的破裂過程和塑性的位錯(cuò)滑移過程所控制， 但是我們的研究結(jié)果顯示道芬雙晶在地殼變形過程中同樣有著不可忽視的作用。石英的道芬雙晶普遍發(fā)育于弱變形樣品中， 是礦物晶體適應(yīng)應(yīng)力作用的弱化機(jī)制。機(jī)械應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的道芬雙晶使得柔度更大的菱面r方向與最大主應(yīng)力方向?qū)R， 雙晶化過程有效地重組了石英晶體的大部分， 并將石英晶體從“僵硬的”和隨機(jī)分布的初始取向解放出來， 轉(zhuǎn)變?yōu)楦叭彳浀摹钡娜∠蚍较颍?因此， 大大軟化了石英的晶體結(jié)構(gòu)， 并在后續(xù)的漸進(jìn)變形過程中具有重要意義。雙晶化的石英晶體的大部分塑性應(yīng)變集中在r-雙晶中， 這是由于更軟的r-雙晶儲(chǔ)存了較高的應(yīng)變能。r-雙晶中逐漸增大的晶格變形將雙晶界的部分修改為一般的高角度邊界， 由此底面方向在這些邊界上發(fā)生錯(cuò)位。晶體錯(cuò)位可能導(dǎo)致了主要滑移系的轉(zhuǎn)變， 由于“前兆效應(yīng)”的影響， 應(yīng)變局部化過程更容易在晶體薄弱位置就位(Pennacchioni and Mancktelow, 2018)。道芬雙晶化的石英晶體在后續(xù)塑性變形過程中，r-雙晶容納了更高的晶格畸變， 雙晶界也變?yōu)楦醯母呓嵌染Ы纾?因此動(dòng)態(tài)重結(jié)晶主要在這兩個(gè)區(qū)域發(fā)生局部化。
綜上所述， 研究認(rèn)為在地殼變形過程中道芬雙晶容納了相當(dāng)?shù)木Ц駪?yīng)變， 這對(duì)于解釋地殼石英的變形行為非常重要， 并且表明道芬雙晶可能會(huì)成為一種新的古應(yīng)力工具。然而， 其中還存在著相當(dāng)多的問題， 最重要的是如何確定晶體的初始取向和道芬雙晶化后取向與最大主應(yīng)力方向的相關(guān)性， 這對(duì)于確定樣品道芬雙晶化程度以及所容納的應(yīng)變大小來說至關(guān)重要。另外， 地殼的不同深度下道芬雙晶的敏感性以及前述提到的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象都是值得深入討論的問題。盡管還有諸多的問題亟待深入分析， 但是道芬雙晶顯然是地殼中低級(jí)變質(zhì)巖或者較低程度變形的含石英巖石對(duì)應(yīng)力作用的常見反應(yīng)和重要弱化機(jī)制， 未來相關(guān)研究可能對(duì)解釋淺層地殼變形過程具有重要的潛在性意義。
5 結(jié)論
(1) 石英道芬雙晶形成的重要驅(qū)動(dòng)機(jī)制來自晶體的彈性各向異性， 在天然變形巖石中， 在菱面{r}和{z}上發(fā)育擇優(yōu)取向。
(2) 道芬雙晶的形成機(jī)制是一個(gè)石英塑性變形的特殊的流變?nèi)趸瘷C(jī)制， 其通過
(3) 道芬雙晶的發(fā)育導(dǎo)致石英發(fā)生塑性變形時(shí)晶格應(yīng)變優(yōu)先集中在r-雙晶中， 在遞進(jìn)變形中r-雙晶和z-雙晶的力學(xué)差異導(dǎo)致晶界旋轉(zhuǎn)， 最終影響主導(dǎo)滑移系的選擇和應(yīng)變局部化過程的就位， 因此， 對(duì)礦物晶體內(nèi)的應(yīng)變局部化過程具有重要的貢獻(xiàn)和意義。
(4) 鑒于地殼中廣泛存在含石英巖石， 道芬雙晶作為一種有潛在可能性的古應(yīng)力計(jì)， 在古應(yīng)力場(chǎng)的恢復(fù)和重建中可能會(huì)發(fā)揮重要作用。
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