水对方解石集合体流变强度和显微结构影响的实验模拟——以Carrara大理岩为例

方解石是七大造岩矿物之一，其集合体（灰岩或大理岩）在板块运动和构造造山过程中，往往经历了复杂的构造变形过程，形成了丰富多彩的构造现象（褶皱、断裂、韧性剪切带等等）。探索各种物理因素和化学因素以如何的方式影响影响方解石集合体的变形作用是正确理解这些构造现象和变形过程的基础。本基金拟以研究基础较好的Carrara大理岩为研究对象，采用应力测量精度较高的气体介质Paterson高温高压流变仪，针对无水和含水样品（尤其是含水样品），在一定压力（200~450MPa），温度（700℃~1000℃）范围，展开一系列变形模拟实验。以探索水对方解石集合体塑性变形（位错蠕变和扩散蠕变域内）的影响方式、程度；并对比研究变形过程中含水样品和无水样品显微结构、构造演化的差异。为正确理解大理岩或灰岩中丰富多彩的构造现象提供一些理论和实验依据。

为了研究方解石和白云石多晶集合体的流变性质，本项目以Carrara大理岩和房山汉白玉为研究对象, 在Paterson高温高压气体介质流变仪上完成了一系列轴向压缩实验. 实验条件设定为围压~300MPa, 温度室温 (~27℃) ~900℃, 应变速率10-7s-1~10-3s-1. .实验条件下测得Carrara稳态差应力介于 25.78 MPa~192.38 MPa之间. 应力vs应变曲线表明除了低温 (600℃~700℃) 条件下, Carrara大理岩有轻微应变硬化之外, 高温条件下几乎不发生应变硬化. 显微结构观察表明：低温高应力 (>100MPa) 条件下, 变形样品普遍发育透镜体状变形双晶, 岩石变形主要变形机制为位错滑移, 可以用指数定律流变方程描述此状态下Carrara大理岩流变, 其中：σ0=13.30±2.17, Q=278.82±45.95 kJ/mol, lnA=17.66±4.89；高温低应力 (<100MPa) 条件下, 变形样品以发育亚颗粒、波状消光和扭折剪切带, 大应变量下发生重结晶为特征, 主要变形机制为位错蠕变, 颗粒边界滑移和双晶滑移为辅助变形机制, 岩石流变符合幂指数流变定律, 其中：n=6.33±0.43, Q=335.56±20.10 kJ/mol, lnA=2.60±1.46. .实验条件下房山汉白玉在低温300K(27℃)条件下变形样品发育波状消光和亚颗粒, 应力vs应变曲线显示改变应变速率, 稳态差应力的变化不大, 结合白云石单晶变形机制研究(Barber, 1981)主要变形机制为c≡(0001) 面上的位错滑移；573K(300℃) ~ 773K(500℃)条件下变形样品除了发育波状消光之外, 还发育变形双晶, 尤其是773K(500℃)条件下变形双晶更为发育, 应力 vs 应变曲线表现出更强的应变硬化；>973K (700℃)条件下普遍发育波状消光和亚颗粒, 并沿白云石颗粒边界可见白云石分解现象. .项目获得的Carrara大理岩 (方解石) 的流变状态方程和房山汉白玉的流变特征, 为我们解释碳酸盐岩在造山带、岩石圈中的变形机制提供了可靠的实验依据, 同时为数值模拟岩石圈地壳变形提供了准确可靠的基本参数, 也为研究复杂构造带内的古构造应力提供了实验支持.