Механизмы деформации горных пород

99

не способны передать эти напряжения своим соседям (в соседних зернах отсутствует достаточное количество систем скольжения), то на таких границах за счет проскаль­ зывания зерен друг относительно друга будут возникать пустоты и трещинки, залечи­ вающиеся при диффузионном переносе вещества (при повышенных температурах) или переотложении вещества из порового флюида.

Такой механизм называется межзерновым проскальзыванием. В металлургии этот процесс известен как сверхпластичность применительно к некоторым тонкокристал­ лическим сплавам, способным испытывать очень высокие деформации растяжения без будинажа [Николя, 1992; Passchier, Trouw, 1996]. В геологии термин «<сверхплас­ тичность» используется по отношению к очень тонкозернистым агрегатам изометричных зерен, испытавшим значительные деформации, без строгой морфологической ориентировки зерен и преимущественной ориентировки кристаллических решеток минералов [Rutter et al., 1994].

Показано [Николя, 1992], что скорость деформации при сверхпластичности силь­ но зависит от размера зерен (чем меньше зерна, тем выше скорость деформации). Таким образом, размер зерен можно рассматривать как важный параметр, определя­ ющий механизм пластической деформации (дислокационная ползучесть или диффу­ зионная ползучесть с межзерновым проскальзыванием). Диффузионная ползучесть чувствительна к размеру зерен [Николя, 1992; Ross et al., 1996] и мелкозернистые аг­ регаты (например в высокотемпературных милонитах) могут формироваться именно этим механизмом. Одним из методов, позволяющих отличить структуры диффузион­ ной ползучести от дислокационных структур, является изучение преимущественных ориентировок кристаллических решеток - как правило, при диффузии кристаллог­ рафические оси и плоскости кристаллов менее упорядочены, что хорошо видно на стереографических диаграммах (см. разд. 4.8, оливин) [Mauler et al., 2001; Ross et al., 1996]. Процессы диффузионной ползучести проявляются при высоких температурах, и структуры, сформировавшиеся за счет диффузии, развиты в эклогитах [Mauler et al., 2001; Ross et al., 1996], в милонитовых гнейсах [Garlick, Gromet, 2004]. Широкому развитию таких первично диффузионных структур в породах метаморфических об­ ластей препятствуют процессы рекристаллизации, изменяющие строение породы на ретроградной стадии метаморфизма (см. разд. 4.4).

Проявление сверхпластичности отражает смену механизма деформации при структурной перестройке породы, а именно - существенное уменьшение размеров слагающих породу зерен.

4.4.Рекристаллизация

4.4.1.Уменьшение площади границ зерен

При деформации кристаллических агрегатов уменьшение общей внутренней сво­ бодной энергии приводит к уменьшению поверхностной энергии зерен при сокраще­ нии их площади. Процесс сокращения границ зерен называется рекристаллизацией.

Геометрическая особенность возникновения границ зерен с углами, близкими 120°, в отсутствие внешнего поля напряжений (или, что более правильно, в условиях

100 Глава 4

Свободная энергия на границах зерен. Границы зерен представляют собой узкие зоны ^ шириной в несколько атомов, в пределах которых кристаллическая структура резко искаже­ на по сравнению с внутренними частями зерен.

Наличие энергии на границах зерен качественно можно проиллюстрировать при помо­ щи классических шаростержневых моделей, традиционно использующихся на занятиях по кристаллографии. Каждый атом («шар») внутри кристалла связан с окружающими его со­ седними атомами химическими связями («стержнями»). При отсутствии дефектов кристал­ лической решетки для каждого из атомов задействованы все связи, и потенциальная энергия минимальна. На границе кристалла эти связи как бы «оборваны», не достроены последую­ щими плоскостями кристаллической решетки, и, если использовать аналогию с шаростерж­ невой моделью, представляют собой торчащую «арматуру» этих нереализованных связей, которыми и определяется более высокая потенциальная энергия атомов на границах зерен. Искажения кристаллической решетки в узких зонах на границе контактирующих зерен обусловлены перераспределением этих «оборванных» связей. В то же время, любая грани­ ца зерен представляет собой некоторую упорядоченную совокупность атомов, общую для смежных зерен, в которых некоторые позиции атомов на границе двух решеток совпадают [Вернон, 1980].

Если зерновая кристаллическая структура агрегата унаследована от субзерновой, сфор­ мировавшейся при фрагментации, то высокая энергия границ также может быть унаследо­ ванной (обусловленной высокой плотностью дислокаций на границах новообразованных зерен).

Таким образом, зерновой агрегат всегда обладает некоторой свободной энергией, обус­ ловленной существованием границ зерен (помимо внутренней энергии, см. разд. 4.1.2) и «стремится» к уменьшению числа атомов, находящихся в неустойчивых положениях и об­ ладающих высокой потенциальной энергией. Эта тенденция обычно реализуется за счет уменьшения общей площади границ зерен.

изотропного давления) отражает тенденцию заполнения пространства зернами с на­ именьшей площадью поверхности и формирования агрегатов с межгранными повер­ хностями, обладающими одинаковой свободной энергией [Harker, Parker, 1945] (рис. 4.15, 4.16). Пример простого эксперимента приводит Р. Вернон [Вернон, 1980], пред­ лагая понаблюдать, например, за пивной пеной в горлышке бутылки, после того как из нее выпито пиво - пузыри пены («зерна») формируют «гранобластовый» агрегат с образованием точек тройного сочленения, углы между «гранями» в которых стре­ мятся к 120° (см. рис. 4.15). В этой качественной аналоговой модели роль свободной энергии зерен выполняет сила поверхностного натяжения.

Поверхностная свободная энергия границ зерен зависит также от взаимной ори­ ентировки границы и кристаллической решетки. У слабоанизотропных минералов (кварц, полевые шпаты, кальцит при высоких ступенях метаморфизма) кристаллы в мономинеральных агрегатах при рекристаллизации с уменьшением общей пло­ щади границ зерен приобретают полигональную форму, с некоторыми отклонения­ ми межгранных углов от 120° и локальными искривлениями границ. Наблюдается тенденция разрастания больших многогранных кристаллов, мелкие зерна, наоборот, уменьшаются в размерах (можно легко математически показать, что чем крупнее зер­ на (кристаллы) в агрегате и чем больше в них граней, тем меньше площадь поверх­ ности зерен и следовательно - поверхностная энергия).

У мономинеральных агрегатов анизотропных минералов при рекристаллизации преимущественное развитие получают межгранные поверхности, параллельные

102

Рис. 4.17. В зависимости от энергии границ угол между границами будет варьировать. Если энергия границы В/В больше, чем энергия границА/В,

то тенденция к сокращению грани­ цыВ/В приведет куменьшению угла в {в < 120°, как показано на рисун­

ке). В противном случае сокращать­ ся будут границы А/В, и угол в будет

больше 120°.

Глава 4

Рис. 4.18. Простейший опыт, поясняющий соотношение энергии гра­ ниц и межграннных углов. Три пружины растянуты и удерживаются в центральной точке, так что углы а]/2 = аш = ат =120° (а). Пружина 1

обладает большим модулем Юнга, и при отпускании пружин она сжи­ мается, тогда как пружины 2 и 3 еще более растягиваются (б). Угол а2/3

становится меньше 120°. Потенциальная энергия пружин («границ») приведена к минимуму - пружина («граница») 1 сократилась, 2 и 3 растянулись («разрослись»).

^Типы границ. Границы разделяют области с разными физико-химическими свойствами. ^

Вкристаллических породах выделяют фазовые границы (к ним относят границы двух зерен

различного состава или границу зерна с газово-флюидной фазой) и границы между зернами одного состава. Среди последних различают межзерновые большеугловые и внутризерновые границы [Lloyd et al., 1997].

Межзерновые большеугловые границы, или собственно границы зерен разделяют об­

ласти с одинаковым составом и кристаллической структурой, но с различной кристаллогра­ фической ориентировкой. Такие границы представляют собой двумерный дефект решетки. Межзерновые границы возникают в результате образования породы или в процессе после­ дующей деформации.

Внутризерновая граница разделяет области зерна одного состава и кристаллической

структуры, но характеризующиеся слегка различными свойствами. Различают несколько ти­

пов таких границ. Малоугловые границы, или границы субзерен разделяют области, в кото­

рых разориентировка обычно меньше чем 5-15° в зависимости от материала и типа связей. Двойниковая граница разделяет области, имеющие специфические кристаллографические

соотношения друг с другом, при деформации обычно выражающиеся зеркальным отобра­ жением кристалла по разные стороны от границы. Граница субзерен типа деформационной полоски - достаточно широкий, но резкий переход между областями со слегка различной

кристаллографической ориентировкой, проявляющийся за счет скопления дислокаций в оп­ ределенных зонах. Частным случаем таких структур являются деформационные ламели - уп­ лощенные субзерна шириной около 0.01 мм. Помимо собственно дислокационных дефектов в таких границах могут наблюдаться многие другие дефектные субструкгуры (двойники, стек­ ла, газовожидкие включения [Drury, 1993]). Границы кинкбандов резкие и характеризуются

значительной кристаллографической разориентировкой.

Кристаллографические границы отличаются по степени связности, которая зависит от пропорции общих плоскостей и узлов решетки двух смежных кристаллических областей, которые, в свою очередь, зависят от их относительной разориентировки, ориентировки гра­ ницы, различных соотношений симметрии и кристаллохимии. Выделяют следующие типы границ: связные, или когерентные границы (например двойниковые, в которых граничные атомы принадлежат обеим решеткам), полусвязные (семикогерентные) и несвязные (неко­ герентные). К полусвязным границам относятся границы субзерен, в граничной области ко­ торых часть атомов принадлежат кристаллическим решеткам как одной, так и другой части

зерна. Примером некогерентных границ являются зерновые границы. При возрастании коге-

V____________________________________________________________________ J

				Механизмы деформации горных пород		103
рентности граничная энергия					совмещение узлов
уменьшается, и граница стано­
вится более стабильной.
Количественное описание
когерентности			границ	реали­
зовано в теории совмещения
узлов решетки [Brandon, 1966
и др.].		Степень совмещения,
или	объемное		соотношение
элементарных			ячеек	(также
известное как индекс двойни­
кования,		или	повторяемость
совмещения узлов решетки, S)
обратно		пропорционально ко­
личеству узлов решетки, кото­
рые находятся в совмещении.
Например, при 5 = 1 наблюда­
ется отличное совмещение (на
границе		все атомы являются
общими), при S = 2 только по­
ловина узлов решетки находят­					Рис. 4.19. Неполное совмещение узлов решеток кристаллов на
ся в совмещении и т.д. [Lloyd et					скрученной границе. Только часть узлов находится в совмеще­
al., 1997] (рис. 4.19).					нии, поэтому говорят о полусвязной границе. Можно опреде­
В	последние годы			изуче­	лить степень совмещения S для данной границы (условно, в
ние типов границ и разориенти-					этом двумерном случае): S = 5, так как только пятая часть ато­

мов решеток являются общими для кристаллов 1 и 2.

ровки зерен в горных породах наряду с определением преиму­

щественных ориентировок минералов находит применение при идентификации деформаци­ онных механизмов (см. разд. 4.10).

4.4.2. Миграция границ зерен

Процессы миграции границ зерен происходят на контактах зерен, в различной степени деформированных и следовательно различающихся плотностью дислокаций. Атомы в зерне с большей плотностью дислокаций могут перемещаться, заполняя ва­ кансии в кристалле с низкой плотностью дислокаций. В свою очередь, это приводит к росту менее деформированного зерна и локальному перемещению границы в сторону более деформированного (рис. 4.20). Общая внутренняя энергия кристаллов или их агрегата при этом снижается.

Реже наблюдается образование небольших свободных от дислокаций кристалловзародышей внутри сильно деформированного зерна и их разрастание внутри более деформированного кристалла-«хозяина». Этот процесс называется нуклеацией (рис. 4.21). Процессы миграции границ зерен ведут к перестройке кристаллической струк­ туры и изменению конфигурации границ в кристаллическом агрегате, при которых «старые» зерна с большим количеством дислокаций замещаются новыми - необластами. Нуклеация доминирует при низких температурах и высоких напряжениях, миг­ рация границ зерен проявляется при более высоких температурах.

106

Глава 4

ческой рекристаллизации, проявляются в виде следов внутризерновых деформаций, в преобладающей ориентировке кристаллических решеток зерен, выраженной в шли­ фах погасанием, и относительно выдержанным размером зерен.

При рекристаллизации механизмом миграции границ зерен структурным выраже­ нием являются очень неровные границы. Процессы вращения субзерен реализуются главным образом в постепенных переходах между агрегатами субзерен и новообразо­ ванных зерен, которые имеют сопоставимые размеры и характеризуются большеугло­ выми границами. При этом границы субзерен могут постепенно переходить в грани­ цы между новообразованными зернами.

Основной механизм статической рекристаллизации - разрастание зерен, сопро­ вождающееся уменьшением площади их границ (см. рис. 4.16). Хотя эти процессы могут протекать в ходе деформации, их эффект более очевиден и становится домини­ рующим после деформации, особенно при высоких температурах. При этом умень­ шение внутренней энергии за счет процессов статической рекристаллизации намного меньше, чем при миграции границ или вращении субзерен.

После завершения деформации горная порода не достигает минимума свободной энергии, значительное количество которой «сохраняется» в виде скоплений дислока­ ций в кристаллах, на неровных границах зерен, градиентов концентраций вакансий и интерстициальных атомов и др. Пониженные температуры в отсутствие флюида определяют сохранность деформационных структур внутризернового и зернового уровней. При поддержании достаточно высоких температур и значительном коли­ честве флюида в системе продолжаются процессы статической рекристаллизации и возврата, до тех пор пока не будет достигнут минимум внутренней энергии; при этом нестабильные минералы замещаются стабильными, уменьшается плотность дислока­ ций, формируются границы субзерен, границы зерен сглаживаются, происходит раз­ растание зерен.

Процессы статической рекристаллизации сильно зависят от температуры, повы­ шение которой сообщает системе необходимую энергию для рекристаллизации, обес­ печивая достаточную «подвижность» дислокаций. В металлургии известно явление отжига [Николя, 1992; Passchier, Trouw, 1996], когда рекристаллизация вызывается пассивным нагреванием ранее деформированного металла, при котором деформиро­ ванные кристаллы теряют внутренние дефекты и формируют новую зерновую струк­ туру. Такая отжиговая рекристаллизация может протекать в экзоконтактовых зонах посткинематических интрузий.

Признаками посттектонической рекристаллизации являются: наличие зерновых структур с прямыми или слабоискривленными границами зерен, отсутствие субзерен и волнистого погасания в породах, для которых по другим признакам предполагаются значительные деформации (зоны пластичных разломов, фрагменты складчатой струк­ туры). Иногда более определенные выводы о посттектонической рекристаллизации позволяют сделать реликты более ранних деформационных внутризерновых структур.

Субзерновые границы в деформированных кристаллах являются новообразованны­ ми неоднородностями. Представляя собой наиболее деформированные участки зерен, субзерновые границы выступают в роли деформационных концентраторов. Основные процессы при рекристаллизации направлены на «уничтожение» этих неоднородностей