石榴子石的高温高压简单剪切变形实验研究

Knowledge of rheological properties of garnet is essential to understanding the geodynamic response of subducted slabs and the transition zone of Earth’s interior. Up to date, very few shear deformation experiments on rheological properties of garnet have been made, and most studies mainly focused on deformation microstructures and axial compression deformation experiments on garnet. However, elongated garnet in natural rocks usually occurs in high-strain shear zone where shear deformation is the dominant mode, and shear strain is probably a key factor on deformation behaviors of garnet. To experimentally explore the influence of shear strain on the rheological behaviors of garnet at high temperatures and high pressures, simple shear deformation experiments of anhydrous garnet aggregates at high temperatures and high pressures using 5 GPa Griggs deformation apparatus will be carried out in this project, and microstructures and microfabrics of experimentally deformed and naturally deformed anhydrousgarnet will be measured by scanning electronic microscope (SEM) and electron back-scattered diffraction (EBSD) technique. Combined results from quantitative experiments and qualitative analysis of microstructures, this project will explore the deformation characteristics and deformation mechanism of garnet deformed in a serious of simple shear deformation experiments from lower shear strain to higher shear strain. Therefore, a direct data constraint will be provided on understanding the deformation mechanism of naturally deformed garnet dominantly from the shear zones.

石榴子石流变学性质的认识是理解俯冲板块和地幔过渡带地球动力学过程的关键。长期以来，国内外对石榴子石流变学性质的研究主要集中于石榴子石显微构造分析与轴向压缩变形实验模拟，就其高温高压条件下剪切变形行为的实验研究很少。然而，自然界中拉长变形石榴子石通常多产自于以剪切作用为主导应变模型的高应变剪切带中，剪应变很可能是石榴子石发生变形的一个重要影响因素。为探究高温高压条件下不同剪应变大小对石榴子石流变行为的影响，本项目拟利用改进型Griggs流变仪对不含水石榴子石多晶进行一系列高温高压简单剪切变形实验，并借助扫描电镜（SEM）与电子背散射衍射（EBSD）技术对实验变形和天然变形石榴子石样品进行显微构造与组构分析，将定量力学数据与定性显微构造相结合，以考察从低剪应变到高剪应变一系列变形情况下石榴子石的变形特征与变形机制，为揭示通常产自于剪切带环境中天然变形石榴子石的变形机制提供直接的实验约束资料。

石榴子石是常见的壳幔矿物之一，特别是深俯冲洋壳、地幔过渡带和加厚下地壳底部岩石中的主要组成矿物。石榴子石通常被认为是地壳与地幔岩石中强度最大的硅酸盐矿物之一，其各向同性的光学性质也阻碍了对其内部变形特征进行普通光学显微镜的观察，但随着电子显微结构观察技术的应用，石榴子石的变形特征及其变形机制等问题逐渐引起人们的关注。高温高压变形实验在实验技术上的逐渐突破为定量研究石榴子石的流变行为提供了有效途径。项目对搜集的大别-苏鲁超高压变质带中不同地区（主要是碧溪岭与毛北）的部分超高压榴辉岩样品，从中挑选出石榴子石单矿物，以颗粒粒度d< 25 um的石榴子石粉末作为高温高压热压实验与进一步简单剪切变形实验的初始实验材料。目前主要完成了石榴子石粉末的四组高温高压热压实验的尝试工作，并初步开展了一组简单剪切变形实验（P = 2 GPa，T = 1200 ℃，竖直方向总体应变量约为6%）。目前来看，探索出石榴子石样品最佳热压条件是我们继续要努力的方向。天然样品方面，在野外地质调查与研究的基础上，我们借助光学显微镜、电子探针及电子背散射衍射等技术，对柴北缘地区天然榴辉岩与石榴橄榄岩中变形石榴子石矿物的显微构造特征进行了一系列研究工作。柴北缘鱼卡河榴辉岩与绿梁山石榴橄榄岩中拉长变形石榴子石矿物的变形特征明显指示了剪切作用的影响，而且从变形石榴子石的成分面扫结果与石榴子石变斑晶的压力影现象推断，石榴子石变形过程中很可能有流体的参与。这为我们更深入认识与理解超高压变质岩在折返过程中石榴子石矿物在流体参与下发生变形的主导机制提供了重要线索。