石英道芬双晶对晶格优选取向及变形机制的贡献和意义
2022-12-04占乐凡曹淑云
占乐凡，曹淑云
(中国地质大学(武汉) 地球科学学院 地质过程与矿产资源国家重点实验室， 湖北 武汉 430074)
石英是大陆地壳中主要的组成矿物之一， 也是最常见的造岩矿物， 对其变形行为与机制的研究， 是深入理解地壳强度和流变学性质的关键 (Kohlstedtetal., 1995; Stippetal., 2002; Passchier and Trouw, 2005; Stipp and Kunze, 2008; 张进江等， 2019)。纯的石英无色、透明， 希腊人称为“Krystallos”， 意思是“洁白的冰”。由于石英具有较为简单的化学成分和特殊的晶体结构， 其塑性变形行为、组构特征及变形温度-压力之间的关系得到了前人的广泛研究(Stippetal., 2002; Lloyd, 2004; Caoetal., 2013a, 2013b; Ceccatoetal., 2017; McGinnetal., 2020)。
自然界中，尽管双晶在大多数种类的矿物晶体中不出现或少见，但是在少数的矿物如方解石﹑石英、斜长石、角闪石、锡石﹑十字石等晶体中常常发育双晶。研究表明，一些矿物变形过程中伴随有不同程度的双晶发育。 长石和方解石的双晶非常发育，且在显微镜下常常可见。石英也发育双晶，然而，由于其双晶单体的光率体大致相同，因此，在显微镜下比较难以直接观测到。自1933年Zinserling和 Schubnikov首次在石英单晶中发现机械应力诱导下能够形成道芬双晶(图1)，之后许多学者相继开展了显微构造和岩石组构研究，来探究道芬双晶的作用及意义 (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)。早期的研究认为道芬双晶形成于低温α-石英和高温β-石英的相变过程中，随着先进的电子背散射衍射(EBSD)技术的广泛应用，发现机械应力诱发的道芬双晶对温度和应力具有一定的依赖性 (Lloyd, 2004; Pehl and Wenk, 2005; Wenketal., 2005, 2006, 2007; Mengonetal., 2011; McGinnetal., 2020)，也意识到在不同地质条件下道芬双晶的发育或存在可能对石英晶体塑性变形具有重要影响，并对其成因机制以及形成条件等进行了探讨(Piazoloetal., 2005; Wenketal., 2009; Mengonetal., 2011; Rahletal., 2018 )。然而，到目前为止，天然岩石变形过程中，石英道芬双晶的存在对变形行为及机制的影响方面的研究仍然很少，制约了对地壳流变学性质的全面理解。
云南高黎贡剪切带出露有同构造变形的石英脉， 石英表现出典型的脆-韧性转换域下的变形特征(Dongetal., 2019)， 其中的粗颗粒石英残斑大多发育道芬双晶， 晶内发育有细粒化的重结晶集合体条带。本文在前人对道芬双晶的研究基础上， 对高黎贡剪切带内石英脉中的石英开展了精细EBSD晶格优选取向研究， 分析和总结了道芬双晶的结晶学特征及形成条件， 并进一步探讨了道芬双晶对石英变形行为及机制的贡献和意义。
高黎贡剪切带石英脉平行糜棱叶理方向产出。本文石英脉样品来自于高黎贡剪切带边界处， 按照平行矿物拉伸线理和垂直糜棱面理的XZ面切制了定向薄片。样品EBSD测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成， 使用仪器型号为蔡司Sigma 300VP 场发射扫描电镜， 搭载有牛津EBSD探头。样品在精细抛光后在低真空下完成测试， 加速电压为20 kV， 束流工作距离为16 mm， 步长为1 μm， 收集点至少匹配8个衍射带以被完整接收。后续处理软件为Channel 5和Aztec crystal软件。文中所展示的IPF面分布图是以应变椭球中Z方向为基准进行的编码。颗粒边界迹线分析是一种通过EBSD数据来确定晶体活动滑移系的较为可靠的方法， 其原理为利用EBSD数据来确定晶体可能的旋转轴， 接着在理想的倾斜或扭曲边界根据模型与旋转轴间的关系来确定出颗粒所发育的活动滑移系， 具体方法可参考Lloyd(2004)。
1 道芬双晶的结晶学特征及形成影响因素
图1 三方晶系α-石英单晶(a)和道芬双晶(b)宏观示意图
早期的实验研究表明， 受到高应力的石英晶体会发生道芬双晶化(Zinserling and Schubnikov, 1933; Woosteretal., 1947; Thomas and Wooster, 1951)。之后通过对石英的单晶压缩实验， 发现在1～2 GPa的差应力下， 石英晶体即发育道芬双晶(Tullis and Tullis, 1972)； 进一步的实验研究发现在20 GPa的冲击波下石英也能形成道芬双晶的形成 (Wenketal., 2005)。最近越来越多研究者注意到沉积岩(Zhangetal., 2012; Olierooketal., 2014)、糜棱岩(Lloyd, 2004; Pehl and Wenk, 2005; Menegonetal., 2011; McGinnetal., 2020)、混合岩(Levineetal., 2016) 在经历构造变形过程中形成了道芬双晶， 甚至还发现陨石在撞击变形过程中也可形成石英道芬双晶(Wenketal., 2005)， 导致研究者开始思考外部条件对双晶活动的影响及其意义。
道芬双晶的形成过程与温度和差应力之间存在一定的耦合关系， 即当温度较高时， 只需要较低的差应力就能诱发道芬双晶(Thomas and Wooster, 1951; Tullis, 1970; Tullis and Tullis, 1972; Wenketal., 2006)。受制于相变后道芬双晶消失的影响， 温度影响的上限不会超过相变温度(约570～600℃)。通过对未变形多晶石英的压缩实验研究发现， 在约300 MPa的围压、100 MPa的差异应力和300～400℃条件下， 石英会出现道芬双晶； 在500℃ 时， 道芬双晶发育约需50 MPa的差异应力； 在600℃(接近相变过程温度)的温度下低于50 MPa的差应力就可诱发道芬双晶的形成(Wenketal., 2006, 2007)。实验结果表明， 差应力较低时， 温度越高， 越容易诱发道芬双晶。最近， Rahl 等 (2018) 报道了石英道芬双晶出现在未面理化的天然低级变质石英岩中， 变质温度在300～450℃左右， 同样也说明了道芬双晶只需要较低的差应力就能被诱发形成。实验数据还进一步表明， 由于颗粒初始取向的限定， 一个多晶样品中机械应力诱发的道芬双晶化的程度存在一个上限， 在500℃下， 多晶石英岩的组构在450 MPa下达到饱和， 将差应力增加到600 MPa并不能激活取向较差的晶粒形成双晶(图2c)(Wenketal., 2006)。而在600℃下， 多晶石英岩的组构在300 MPa下就达到了饱和。因此， 可以得出温度的升高能够有效降低道芬双晶被激活的难度， 如从动力学角度来解释， 即温度的升高能够有效升高双晶化的势垒， 从而降低双晶化的活化能， 促进道芬双晶的形成。
另外， 时间因素对于道芬双晶化过程也是一个重要的影响因素。早期有实验研究认为， 单晶中道芬双晶化是一个极短的过程， 几乎是一瞬间(Schubnikov and Zinserling, 1932; Wooster and Wooster, 1946)， 例如天然多晶石英岩样品在陨石撞击过程中形成的道芬双晶同样被认为是短时间内迅速形成的(Trepmann and Spray， 2005; Wenketal.， 2005)。虽然目前实验条件下还没有验证道芬双晶的短时效应， 但是Wenk 等 (2006)对比了500℃下2 h和31 h的应力作用所产生的组构强度类似， 说明道芬双晶至少在2 h时已经达到了饱和。来自于钛铁矿的机械双晶的形成类似于道芬双晶， 同样仅发生了轻微的原子位移重排， 且已经被证明发生在微秒的尺度上相关 (Harrisonetal., 2003)。与之类比， 道芬双晶很可能同样仅发生在微秒尺度， 遗憾地是目前还没有研究能够证明。
2 石英的菱面择优取向及微观机理
天然变形或实验条件下， 变形岩石中的石英集合体在一定温度压力下常常会形成
图2 弱变形含石英岩石的石英组构特征
对这种在菱面{r}上发育的特殊组构类型， 最早Tullis (1968)通过石英塑性变形中菱面滑移过程来解释。然而， 这种观点被实验结果所质疑(Tullis, 1970)。塑性变形中滑移系启动的决定性因素在于变形应力是否达到了临界分切应力值。如果是滑移导致的优选定向， 那么菱面上
图3 剪切诱导形成的道芬双晶结构模型
图4 石英不同晶体方向上的反极图(改自Tullis, 1970)
图5 石英单晶轴向压缩实验结果示意图
3 道芬双晶对天然石英塑性变形行为的制约作用
由于之前研究的道芬双晶并不涉及塑性变形， 也就是说并不能容纳永久应变， 因此很少有研究注意到道芬双晶对塑性域下含石英岩石显微构造演化和变形行为上的贡献。然而， 随着近年来技术的发展， 越来越多的研究注意到， 道芬双晶对天然样品中石英晶内塑性变形的分布、不同滑移系的激活、动态重结晶的位置具有重要影响 (Stipp and Kunze, 2008; Mengonetal., 2011; McGinnetal., 2020)。
高黎贡剪切带同构造变形的石英脉中石英具有典型的脆-韧性转换域下的变形特征(图6， 图示结果来自于对高黎贡剪切带中石英脉薄片的EBSD面扫描)， 其运动学方向与高黎贡剪切带主体保持一致(Dongetal., 2019)。 图6a和6b是石英脉的正交偏光显微照片， 图6a中石英残斑指示剪切方向为右行， 与区域剪切方向一致； 图6c左图为ipf面分布图， 黑框代表图7面分布图区域， 右图为颗粒边界迹线分析结果， BT代表边界迹线， Rot.axis代表旋转轴方向， 极点图右下角数字代表边界的取向差角度。由图6可见， 其中的粗颗粒石英残斑大多发育道芬双晶， 并且晶内发育有细粒化的重结晶集合体条带(图6b)。为了方便后续讨论， 我们将道芬双晶中菱面{z}垂直于主应力的部分称为z-双晶， 菱面{r}垂直于主应力的部分称为r-双晶。通过对高黎贡剪切带内变形石英脉的精细分析发现， 石英的道芬双晶中r-双晶和z-双晶都叠加明显的晶体塑性变形。其中r-双晶中的小角度边界(<10°) 密度明显大于z-双晶的小角度边界密度， 因此，r-双晶明显比z-双晶能容纳更多的塑性应变(图6c)。这也与Mengon 等 (2011) 的研究有相似性， 即r-双晶显示的小角度边界密度是z-双晶的两倍， 因为r-双晶相比z-双晶具有更高的弹性应变能。在材料学中， 只有外部应力达到弹性极限之上， 才可以看到塑性流动引起的材料永久变形。与z-双晶相比，r-双晶中的塑性应变反映了储存在r-双晶中的更大的弹性应变能及较低的差应力下发生的塑性屈服， 所以r-双晶中容纳了更多的塑性应变。
通过对高黎贡剪切带内石英脉中石英的进一步精细的 EBSD面扫描分析， 发现变形石英中发育道芬双晶化的同时， 在塑性域下还主要激活了{π}和{π’}滑移系(图6c右图)。有研究同样发现道芬双晶化的石英晶体在绿片岩相的变质条件下会激活{π}和{π’}滑移系(Mengonetal., 2011)。然而， 在绿片岩相下{c}滑移系是石英中最常见的(Schmid and Casey, 1986; Stippetal., 2002; Caoetal., 2013a)， 因此， 道芬双晶很有可能可以控制石英塑性变形过程中主体滑移系的激活。在变形初期， 石英晶体受{c}滑移系控制， 由于道芬双晶的影响，r-双晶中相比z-双晶容纳了更多的塑性应变， 导致r-双晶的晶格畸变大于z-双晶的， 这就导致了双晶界的错位偏移， 原本60°的双晶界变成一般的高角度晶界， 并且位错也更容易在此堆积导致角度偏移更大(Mengonetal., 2011)。石英晶体在几何上发生了一定的旋转， 原来的底面方向可能不能满足临界剪切应力条件， {c}滑移系难以激活， 而导致其他定向良好的滑移系在石英晶体内被激活， 如{r}和{π}等。当然， 这种情况对取向有一定要求， 可能只适用于菱面垂直于应力方向的石英晶体。此外， Barrie 等(2008) 在黄铁矿单晶中同样发现了类似的滑移系转换。
图6 高黎贡剪切带内石英脉的变形特征
综上所述， 可以认为道芬双晶导致石英发生塑性变形时晶格的应变优先集中在r-双晶中， 并且在递进变形中由于r-双晶和z-双晶的力学差异导致晶界旋转， 最终影响主导滑移系的选择。
此外， 在本文研究样品中还发现一个有意思的现象， 道芬双晶化的石英动态重结晶作用多发生在r-双晶中及双晶界上， 而在z-双晶中几乎没有发现(图6a、图7a)， 这很有可能说明道芬双晶的发育制约动态重结晶作用出现的位置(Stipp and Kunze, 2008; Mengonetal., 2011; McGinnetal., 2020)。由于塑性变形中r-双晶积累了更高的晶格畸变， 某些区域由于位错堆叠而变成了晶体内的薄弱位置， 由于“前兆效应”的影响， 发生了应变局部化(Pennacchioni and Mancktelow, 2018)， 并通过动态重结晶作用来容纳在此聚集的剪切应变量。许多研究展示了在绿片岩相-低角闪岩相下亚颗粒旋转重结晶作用对石英晶体在应变弱化方面的影响， 并且将之应用于应力计算中(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)。
图7 高黎贡剪切带石英脉中重结晶晶粒的ipf面分布和颗粒边界取向差面分布图(a)及取向差剖面图(b)
研究样品中发育道芬双晶化的石英颗粒， 重结晶晶粒的颗粒取向和r-双晶的取向有紧密的联系， 此外， 重结晶晶粒大小也与r-双晶中亚颗粒的大小保持大致类似(图7a)， 这说明亚颗粒旋转重结晶在动态重结晶过程中起到了主导的地位。根据Stipp 和Kunze (2008) 的定义， 膨凸成核重结晶是一种综合的重结晶机制， 包括局部缓慢的晶界迁移和亚颗粒的旋转。在局部区域，r-双晶晶界的凸起支持了这一模型(图7a)。然而， 样品中重结晶晶粒为高角度晶界(>60°)(图7b)， 仅通过晶内滑移或是亚颗粒旋转重结晶作用很难达到， 需要一个新的机制来协调其变形。数值模拟实验或天然样品研究发现， 晶界滑移可促进晶粒发生旋转， 并导致高角度的重结晶颗粒边界来承担应变局部化过程中的大部分应变量(Bons and den Brok, 2000; Jiangetal., 2000; Bestmann and Prior, 2003; Passchier and Trouw, 2005; Kilianetal., 2011; Platt, 2015; Mansardetal., 2018)。此外， 晶界滑移还能抑制重结晶晶粒的再生长， 反而会保持相对均匀的粒径通过晶界滑移机制来协调应变局部化过程， 这与样品中较为均匀的重结晶晶粒粒径现象相一致(图7a)。
4 讨论
4.1 道芬双晶的力学性质与弱化机制
结晶学中， 根据双晶形成机理可分为生长双晶、转变双晶、机械双晶等(Okrusch and Frimmel, 2020)。生长双晶形成于晶体成核或晶体生长阶段， 而转变双晶多发生于同质多像体间对称程度较高的变体转变为对称程度较低的变体阶段， 在外部机械应力作用下受塑性滑移机制控制可以形成机械双晶。然而， 对于道芬双晶， 很难用一种类型来概括它的性质与特征， 因为道芬双晶可形成于相变过程中以及外界机械应力的作用下， 且诱发机理与一般认识上的机械双晶等有所区别。此外， 过去有研究认为道芬双晶也可以被认为是生长双晶(Frondel, 1945; Barton and Wenk, 2007)， 然而依笔者理解， 生长双晶主要形成于晶体生长过程中， 而道芬双晶只能形成于α-石英域， 并达不到石英结晶的环境条件，因此， 虽然塑性域下重结晶过程能诱发道芬双晶形成， 但并不能认为道芬双晶为生长双晶。
对于石英的热力学与动力学分析表明， 道芬双晶的形成是为了晶体最大化弹性应变能， 这是热力学平衡的必需条件(Tullis, 1970; Tullis and Tullis, 1972; Barton and Wenk, 2007)。正如前面提到的， 道芬双晶的形成是为了降低晶体硬度使之弱化。机械应力诱导激活道芬双晶取决于外加应力的方向， 道芬双晶能使晶体向柔度更高更具有顺应性的方向排列(Tullis, 1970)。与方解石中的e-双晶律相比， 道芬双晶并不能算是机械双晶， 因为道芬双晶并不会发生晶格永久性的破坏， 也就是说道芬双晶并不能产生永久应变。但并不是说道芬双晶会像弹簧一样发生弹性变形， 撤去外部应力就会复原， 相反撤去外部应力， 只要在稳定的外部条件下道芬双晶能保存数亿年之久(Wenketal., 2005)。道芬双晶在晶格尺度下仅发生轻微的原子重排。
Wenk等(2006, 2007)的实验研究表明， 将在α-石英域中取向随机分布的多晶石英， 通过压缩实验诱发形成道芬双晶后， 如果将其进一步升温至β-石英域， 道芬双晶会消失； 如果再次降温至α-石英域中时， 道芬双晶现象不会出现， 晶粒取向趋于最初的随机分布状态。此外， 在对多晶石英岩的原位压缩实验里， 实验诱导形成的道芬双晶在卸载过程中会发生部分反转， 少部分道芬双晶化的晶体会恢复原始取向， 即表现出部分弹性变形特征(Wenketal., 2007)。因此， 很难用弹性变形机制或塑性变形机制去形容道芬双晶， 虽然道芬双晶引入了晶格应变， 但是这是可恢复的， 也就是说， 道芬双晶不能完全被认为是一种应变调节机制， 其更像是晶体适应应力作用的流变弱化机制。
4.2 潜在性的地质应力计
方解石中的机械双晶常常被用作古应力计来求解地质历史过程中古应力方向和大小。这是因为机械e-双晶是方解石在低温低压下主要的晶体塑性变形特征， 且主应力轴与双晶面成固定角度。Tullis (1970)最早发现并探讨了石英道芬双晶引起的菱面上的择优取向， 同时发现了双晶形成模式与外加应力方向上的关联性，之后进一步对道芬双晶的形成过程进行了热力学分析， 思考道芬双晶作为古应力计的可能性(Tullis and Tullis， 1972)。石英在机械应力诱导下发育道芬双晶， 引起晶体变形并储存一定的弹性应变能， 因此， 认为道芬双晶可潜在性地作为古应力计。然而， 这些早期的研究仅仅提供了一个猜想， 并没有进行实际的案例应用。
随着研究的深入， 人们重新评估了在天然构造岩中将道芬双晶作为变形条件信息来源的可能性。 Pehl 和Wenk (2005)对天然剪切带中的花岗质糜棱岩样品的分析进一步认为道芬双晶可以作为含石英岩石的古应力计， 并且认为， 道芬双晶可发生在构造变形的任何时期， 但是如果在早期形成， 有可能被后期形成的构造特征所覆盖。Wenk 等 (2006) 在对细粒石英岩在不同温度和不同应力下进行了一系列变形实验后， 建立了道芬双晶对应力和温度的耦合关系。Mengon等 (2011)根据Wenk等(2006)的实验结果将之应用在绿片岩相下形成的花岗糜棱岩中， 以此来证明道芬双晶作为古应力计的可能，并认为道芬双晶的形成阶段稍早于绿片岩相下的糜棱岩化作用， 但大致同步， 即构造变形条件相同。在绿片岩相(300～400℃)下， 道芬双晶形成于大约100 MPa下， 而通过动态重结晶晶粒粒度应力计测出的差应力为100 MPa， 因此可以认为它确实代表了一种潜在的应力计。实验表明(Wenketal., 2006)， 在一定条件下增大应力会促进更多晶粒形成道芬双晶， 100 MPa可能只能作为应力估算的下限。此外， Wenk等(2007)对细粒石英岩的原位变形实验表明， 道芬双晶在外部应力撤去后会发生部分反转， 目前的研究并不能确定反转量， 很难通过样品中的道芬双晶现象去还原变形历史过程中准确的应力大小。因此， 虽然道芬双晶的形成表现出一定的应力相关性， 但是目前的研究在相对简单、干扰较少的实验室条件下都还无法做到对变形过程应力大小的反演。要做到将道芬双晶作为应力计外推至复杂的天然构造变形过程， 还需要更准确更科学的实验数据来进行经验公式的推导， 也需要对样品进行详细的地质背景调查和多尺度的综合分析。
4.3 道芬双晶对地壳岩石塑性变形及流变弱化的影响
道芬双晶的存在对塑性变形过程中塑性应变的分配和局部化过程以及主要滑移系的选择具有深远的影响。过去的研究常常认为石英的变形在地壳层次从浅至深分别被脆性的破裂过程和塑性的位错滑移过程所控制， 但是我们的研究结果显示道芬双晶在地壳变形过程中同样有着不可忽视的作用。石英的道芬双晶普遍发育于弱变形样品中， 是矿物晶体适应应力作用的弱化机制。机械应力驱动的道芬双晶使得柔度更大的菱面r方向与最大主应力方向对齐， 双晶化过程有效地重组了石英晶体的大部分， 并将石英晶体从“僵硬的”和随机分布的初始取向解放出来， 转变为更“柔软的”的取向方向， 因此， 大大软化了石英的晶体结构， 并在后续的渐进变形过程中具有重要意义。双晶化的石英晶体的大部分塑性应变集中在r-双晶中， 这是由于更软的r-双晶储存了较高的应变能。r-双晶中逐渐增大的晶格变形将双晶界的部分修改为一般的高角度边界， 由此底面方向在这些边界上发生错位。晶体错位可能导致了主要滑移系的转变， 由于“前兆效应”的影响， 应变局部化过程更容易在晶体薄弱位置就位(Pennacchioni and Mancktelow, 2018)。道芬双晶化的石英晶体在后续塑性变形过程中，r-双晶容纳了更高的晶格畸变， 双晶界也变为更弱的高角度晶界， 因此动态重结晶主要在这两个区域发生局部化。
综上所述， 研究认为在地壳变形过程中道芬双晶容纳了相当的晶格应变， 这对于解释地壳石英的变形行为非常重要， 并且表明道芬双晶可能会成为一种新的古应力工具。然而， 其中还存在着相当多的问题， 最重要的是如何确定晶体的初始取向和道芬双晶化后取向与最大主应力方向的相关性， 这对于确定样品道芬双晶化程度以及所容纳的应变大小来说至关重要。另外， 地壳的不同深度下道芬双晶的敏感性以及前述提到的反转现象都是值得深入讨论的问题。尽管还有诸多的问题亟待深入分析， 但是道芬双晶显然是地壳中低级变质岩或者较低程度变形的含石英岩石对应力作用的常见反应和重要弱化机制， 未来相关研究可能对解释浅层地壳变形过程具有重要的潜在性意义。
5 结论
(1) 石英道芬双晶形成的重要驱动机制来自晶体的弹性各向异性， 在天然变形岩石中， 在菱面{r}和{z}上发育择优取向。
(2) 道芬双晶的形成机制是一个石英塑性变形的特殊的流变弱化机制， 其通过
(3) 道芬双晶的发育导致石英发生塑性变形时晶格应变优先集中在r-双晶中， 在递进变形中r-双晶和z-双晶的力学差异导致晶界旋转， 最终影响主导滑移系的选择和应变局部化过程的就位， 因此， 对矿物晶体内的应变局部化过程具有重要的贡献和意义。
(4) 鉴于地壳中广泛存在含石英岩石， 道芬双晶作为一种有潜在可能性的古应力计， 在古应力场的恢复和重建中可能会发挥重要作用。
