張青 李馨

1. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 1000812. 中國科學(xué)院青藏高原研究所，大陸碰撞與高原隆升實(shí)驗(yàn)室，北京 1001011.

自20世紀(jì)90年代中期，EBSD (Electron Backscattered Diffraction)，即電子背散射衍射技術(shù)，首次應(yīng)用于變形礦物的組構(gòu)分析之后(Kunzeetal., 1994)，該方法在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用迅速推廣開來。到21世紀(jì)初，EBSD分析測試技術(shù)已經(jīng)取代傳統(tǒng)的費(fèi)氏臺和X光巖組法，成為組構(gòu)分析的常規(guī)方法(Prioretal., 2009)。大致與國際同步，EBSD分析測試技術(shù)于21世紀(jì)初即為我國地質(zhì)學(xué)界所用，主要用于糜棱巖組構(gòu)、特別是與其相關(guān)的變形運(yùn)動(dòng)學(xué)和流變學(xué)條件分析。在過去的二十年里，相當(dāng)數(shù)量的學(xué)者就EBSD的工作原理及其在組構(gòu)分析中的應(yīng)用做了系統(tǒng)詳盡的介紹(Prioretal., 1999; Zaefferer, 2004; 曹淑云和劉俊來，2006；徐海軍等，2007；劉俊來等，2008；許志琴等，2009)。本文將就EBSD分析測試技術(shù)在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的應(yīng)用及其相關(guān)問題略抒淺見。

1 巖組學(xué)分析的常用方法

EBSD分析測試是應(yīng)用掃描電子顯微鏡結(jié)合背散射衍射儀獲取巖石中晶體結(jié)晶學(xué)信息，即礦物晶軸定向的一種方法。僅就晶軸定向的測定而言，其與費(fèi)氏臺(Universal Stage)的功用并無不同。盡管費(fèi)氏臺法最初是用來測定斜長石的2V角，但在其后的一個(gè)多世紀(jì)里，該方法成為測定礦物晶軸組構(gòu)的主要手段。而且，因費(fèi)氏臺操作簡便易行，實(shí)驗(yàn)成本低，它成為最常見的巖石組構(gòu)分析工具。然而，自其問世以來，費(fèi)氏臺法就一直存有以下缺陷：(1)應(yīng)用費(fèi)氏臺法一次只能測定一種礦物的一個(gè)晶軸(如c軸)，其應(yīng)用僅限于透明礦物(主要為石英和長石)；(2)限于光學(xué)顯微鏡的分辨率，其測試極限為20μm，當(dāng)顆粒粒度小于此值，費(fèi)氏臺法無法測定其光軸；(3)費(fèi)氏臺法無法測定與薄片交角為35°～60°的光軸(光學(xué)顯微鏡下很難判斷顆粒是否消光)，此為費(fèi)氏臺法的天然盲區(qū)。此外，一般說來，應(yīng)用費(fèi)氏臺法進(jìn)行巖石組構(gòu)分析，至少400個(gè)顆粒以上的測試結(jié)果才具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Turner and Weiss, 1963)，工作量巨大。

大致在20世紀(jì)50年代末，X光衍射法由材料科學(xué)領(lǐng)域引入，用于巖石組構(gòu)分析(Higgsetal., 1960)，稱為X光巖組法，該方法通過測定礦物面網(wǎng)極點(diǎn)的衍射強(qiáng)度來確定礦物晶軸定向。同費(fèi)氏臺法相比，X光巖組法具有高效快捷的特點(diǎn)(不再限于單一礦物、單一晶軸的逐一測量)；同時(shí)，該方法突破了20μm顆粒粒度的限制，其最大分辨能力可達(dá)1μm(陳柏林和劉兆霞, 1996)。但X光巖組法也有其天然不足之處：(1)該方法不具備點(diǎn)衍射功能，其結(jié)果體現(xiàn)為礦物面網(wǎng)極點(diǎn)的面積百分比。在顆粒粒度差異明顯的情形下，例如初糜棱巖化階段，測試區(qū)域內(nèi)的小顆粒的晶格信息在分析結(jié)果中無法得到體現(xiàn)(姜光熹等, 1985;陳柏林和劉兆霞, 1996)。這些細(xì)小的微晶顆粒或許正是動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的產(chǎn)物，而以大顆粒所代表的晶格取向或僅為變余斑晶特征。極端情況下，該方法所測結(jié)果不包含礦物晶格變形信息。(2)X光巖組法的測試結(jié)果尚需面網(wǎng)極點(diǎn)向礦物晶軸的轉(zhuǎn)換。

自從EBSD法首次應(yīng)用于變形礦物的組構(gòu)分析之后(Kunzeetal., 1994)，其在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究中的應(yīng)用得到迅速推廣；到21世紀(jì)初，該方法已經(jīng)取代傳統(tǒng)的費(fèi)氏臺和X光巖組法，成為巖石組構(gòu)分析中最常用的方法(Prioretal., 2009)。EBSD的工作原理已有諸多介紹(曹淑云和劉俊來，2006；劉俊來等，2008；許志琴等，2009)，本文不做贅述。理論上講，EBSD可以在一次分析中測定所有礦物(包括金屬、非透明礦物)的全部晶軸定向，其極限分辨率可達(dá)微米以下(0.25～0.5μm, Prioretal., 2009)。鑒于其高分辨率及快速點(diǎn)衍射掃描功能，EBSD測試方法對于鑒別低應(yīng)變所造成的弱組構(gòu)最為有效。畢竟，其動(dòng)輒數(shù)千粒無差別級的測試結(jié)果遠(yuǎn)比基于費(fèi)氏臺法的人工操作下400粒(實(shí)際操作中大多不足)、來自相對粗大顆粒的結(jié)果所包含的晶軸定向細(xì)節(jié)要豐富得多。然而在實(shí)際操作當(dāng)中，相當(dāng)種屬的礦物，特別是晶體結(jié)構(gòu)相近的含水礦物如云母、閃石族礦物，錯(cuò)誤標(biāo)定(misindexing)極為常見，從而直接影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性。此外，特殊樣品的精細(xì)拋光備置也嫌冗長費(fèi)時(shí)。

針對費(fèi)氏臺法的相對低效和X光巖組法的失真，Heilbronner and Pauli (1993)發(fā)明了計(jì)算機(jī)耦合極化電鏡法(Computer-Integrated Polarization microscopy method, CIP)以期實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地獲取礦物晶軸組構(gòu)和形態(tài)組構(gòu)信息。其原理為正交偏光下石英干涉色的差異源于其晶軸定向的不同，繼而以其色差反推礦物晶軸定向。該方法的最大優(yōu)勢為其分辨率可達(dá)納米級(Heilbronner and Pauli, 1993; Heilbronner and Kilian, 2017)。因此，在現(xiàn)有方法中，其可實(shí)現(xiàn)最大程度地揭示晶軸定向及精細(xì)刻畫礦物形態(tài)組構(gòu)特征。然而，該方法缺點(diǎn)與優(yōu)勢同樣突出：(1)其只能用于一軸晶礦物的c軸取向測試，實(shí)際應(yīng)用中主要用于石英c軸組構(gòu)的精細(xì)分析。(2) EBSD測試可在薄片下、也可在拋光的巖塊表面實(shí)施操作；CIP法只能在特殊加工的薄片下完成，薄片厚度一般為正常光片的一半(15～20μm)，樣品加工備置要求極高。(3)高分辨率導(dǎo)致其時(shí)效比極低。同等測試面積下，較之EBSD法，CIP法的分析時(shí)長成倍增加。

大約在21世紀(jì)初，飛行時(shí)間中子衍射質(zhì)譜分析(TOF, time-of-flight neutron transmission diffraction)由材料學(xué)領(lǐng)域引入巖石組構(gòu)(特別是形態(tài)組構(gòu))分析(Santistebanetal., 2001; Gutmannetal., 2010)。中子衍射和X射線衍射原理基本相同：即脈沖中子束穿越試樣發(fā)生散射與衍射，其通過時(shí)間與晶面間距直接相關(guān)——間距越大、飛行時(shí)間越長。因此，其衍射樣式和飛行時(shí)間差異可以用來判斷其晶格屬性與形態(tài)(結(jié)構(gòu))特征。與其它分析方法不同，其測試樣品通常為柱狀巖芯且以粗粒結(jié)構(gòu)為宜。隨著技術(shù)的改進(jìn)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)細(xì)晶結(jié)構(gòu)的組構(gòu)分析。

圖1 EBSD形態(tài)組構(gòu)邊界對比掃描(a)及邊界對比加歐拉角掃描圖解(b)圖中及右側(cè)虛線方框內(nèi)顆粒(圖1b)為斜長石，余者大部為經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的石英和黑云母. 樣品尺寸約為1mm×4mm，采自怒江高黎貢剪切帶北段(福貢地區(qū))，XZ面Fig.1 EBSD scanning maps of the grain boundary contrast map (a) and that of the grain boundary with Euler angles (b)

近年來，若干對比分析結(jié)果表明，僅就糜棱巖化良好的晶軸組構(gòu)和形態(tài)組構(gòu)分析而言，以上方法除了在捕捉、刻畫形態(tài)組構(gòu)信息的細(xì)節(jié)上稍有差異外，在測定、描繪晶軸組構(gòu)特征方面并無明顯的不同(Fazioetal., 2017; Heilbronner and Kilian, 2017)。

2 EBSD法在構(gòu)造分析的應(yīng)用

在過去的二十年里，EBSD 因其高效快捷和良好的可操作性，迅速成為組構(gòu)分析的常規(guī)做法。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面，即形態(tài)組構(gòu)(SPO, Shape Preferred Orientation)和晶軸組構(gòu)(CPO, Crystallographic Preferred Orientation; 亦稱LPO, Lattice Preferred Orientation)分析，籍以查明所測巖石是否經(jīng)歷了韌性或塑性變形以及相關(guān)流變學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)條件，例如變形溫度和運(yùn)動(dòng)學(xué)指向。其原理基于一個(gè)直觀樸素的假設(shè)：未經(jīng)變形的礦物顆粒取向(例如其三維長軸方向)和其晶軸取向應(yīng)該是隨機(jī)散亂分布的；韌性變形或塑性流變造成的流場(flow field)型式的變化以礦物顆粒及其晶軸的特定定向而體現(xiàn)，變形越強(qiáng)，定向性越強(qiáng)。該效應(yīng)被稱作組構(gòu)吸曳(fabric attractor, Passchier and Trouw, 2005)。因此，EBSD的最大功用就是用來判斷巖石是否經(jīng)歷了韌性或塑性變形。

2.1 形態(tài)組構(gòu)分析

變形巖石的形態(tài)組構(gòu)分析通常以在掃描電鏡(SEM)下的點(diǎn)衍射面掃描方式實(shí)現(xiàn)，即是在選定測試區(qū)域逐點(diǎn)、逐行測試、比對礦物的衍射花紋圖型從而分辨礦物種屬、確定其顆粒形態(tài)和晶軸定向。該方法通常稱為EBSD掃描填圖(EBSD mapping)。圖1為最常見的形態(tài)組構(gòu)分析圖示結(jié)果。圖1a為顆粒邊界形態(tài)圖示(BC, boundary contrast)；圖1b為顆粒邊界形態(tài)及礦物歐拉角圖示結(jié)果。需要說明的是，圖1b中的顏色差異僅指示礦物歐拉角，即晶軸定向的區(qū)別，并不代表礦物種屬的不同。其礦物種屬和形態(tài)組構(gòu)信息，例如顆粒長短軸長、面積和長軸定向等可見于相關(guān)數(shù)據(jù)附表。

圖1的步長設(shè)為1μm，即上圖為以1μm為間距的點(diǎn)衍射自動(dòng)掃描完成。為最大程度地保留、體現(xiàn)所測樣品的形態(tài)組構(gòu)，該圖僅作三級降噪處理，礦物晶軸的錯(cuò)合角(misfit angle)設(shè)為7°(通常不超過10°)，即當(dāng)相鄰晶軸取向大于此值，軟件將其判定為兩個(gè)獨(dú)立晶體。無論是圖1a或圖b，礦物形態(tài)特征，特別是其邊界形態(tài)得以精細(xì)勾勒。如圖1a頂部和底部近水平的黑色條帶，為無法標(biāo)定或錯(cuò)誤標(biāo)定(misindexing)的極細(xì)粒礦物(多為鐵氧化物及空洞)。而圖中心斜長石周圍葉瓣?duì)铍s色團(tuán)塊(見圖1b虛線框左下角及圖框上緣下方)，為沿長石邊界生長發(fā)育的蠕英石。圖1a右側(cè)長石內(nèi)部的陰影在歐拉角圖內(nèi)(下圖右側(cè)虛框)則以與主體不同的顏色團(tuán)塊體現(xiàn)，指示該長石開始經(jīng)歷動(dòng)態(tài)重結(jié)晶。如果變形得以持續(xù)，亞顆?；蛐碌拈L石顆粒可由動(dòng)態(tài)重結(jié)晶形成。所有具有獨(dú)立邊界的顆粒的面積、長短軸長及長軸定向由數(shù)據(jù)表單列出，可供有限應(yīng)變計(jì)算及形態(tài)組構(gòu)的量化分析。

2.2 晶軸組構(gòu)分析

2.2.1 用于晶軸組構(gòu)分析的常見礦物

在大多數(shù)情形下，圖1及相關(guān)數(shù)據(jù)大多作為晶軸組構(gòu)分析的副產(chǎn)品出現(xiàn)。變形礦物的晶軸定向性量化分析是EBSD最常見也是最重要的應(yīng)用，其以確定礦物變形滑移系及晶軸極密強(qiáng)度和不對稱性的方式，實(shí)現(xiàn)變形運(yùn)動(dòng)學(xué)指向分析、變形強(qiáng)度對比和變形溫度的判定。視動(dòng)力變質(zhì)礦物組合和變質(zhì)相的不同，石英和橄欖石是用于EBSD晶軸組構(gòu)分析最常見的礦物。

作為上地幔最重要的造巖礦物，查明、了解橄欖石晶格尺度的變形機(jī)制和相關(guān)流變學(xué)條件對于理解上地幔的流變學(xué)行為極為重要。自20世紀(jì)80年代以來，大量的實(shí)驗(yàn)礦物學(xué)成果(Brace and Kohlstedt, 1980; Kohlstedt and Weathers, 1980; Kohlstedtetal., 1995; Hansenetal., 2019)使得我們對橄欖石晶格尺度的變形行為，特別是不同滑移系的活化溫度的量化約束日臻深入?；谕瑯拥脑颍鳛榈貧ぶ凶顬槌Ｒ姷氖⒑烷L石，其晶格尺度的流變學(xué)行為和相關(guān)條件一直是學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。針對長石的微觀變形機(jī)制及相關(guān)流變學(xué)條件的研究發(fā)軔于20世紀(jì)80年代，至21世紀(jì)初則陷于停頓 (Tullis and Yund, 1980, 1985, 1991; Mainprice and Nicolas, 1989; Ji and Mainprice, 1990; Tullis, 2002)。筆者看來，原因大致如下：(1)不同種屬長石的完全固溶現(xiàn)象(solid solution)使得界定長石的流變學(xué)行為，特別是量化其變形機(jī)制轉(zhuǎn)化的流變學(xué)條件(如位錯(cuò)滑移蠕變向擴(kuò)散遷移蠕變的溫度節(jié)點(diǎn))難以實(shí)現(xiàn)；(2)幾乎所有的實(shí)驗(yàn)礦物學(xué)結(jié)果都是以特定種屬的長石如鉀長石和鈉長石為對象，而天然變形中鮮有發(fā)育于單一長石的應(yīng)變集中帶，即糜棱巖帶，故特定種屬的長石實(shí)驗(yàn)礦物學(xué)結(jié)果在天然變形中的應(yīng)用普適性不足；(3)最為重要的是，如Tullis (2002)所指出的，以花崗巖或花崗閃長巖為例，作為造巖礦物之一的長石的變形行為只有在個(gè)別、極端的條件下，如麻粒巖相條件下，才能與實(shí)驗(yàn)礦物學(xué)結(jié)果對比。在大多數(shù)情形下(低于角閃巖相變質(zhì)程度)，基于實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)、礦物學(xué)的結(jié)果無法預(yù)測天然變形中長石的流變學(xué)行為，如出溶和不同的變質(zhì)反應(yīng)取代了實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)條件下的諸如膨凸(bulging)和亞顆粒旋轉(zhuǎn)(subgrain rotation)的變形方式；天然變形條件下長石的流變學(xué)行為更多地取決于其化學(xué)穩(wěn)定性而非實(shí)驗(yàn)條件下的力學(xué)行為(mechanical behavior)。因此，基于實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)的長石微觀組構(gòu)(形態(tài)組構(gòu)和晶軸組構(gòu))和相關(guān)流變學(xué)條件在天然變形中的應(yīng)用十分有限。而云母族礦物由于極強(qiáng)各向異性所導(dǎo)致的，在200～700℃(低綠片巖到角閃巖相)范圍內(nèi)穩(wěn)定的、以沿(001)面的位錯(cuò)滑移為特征的變形行為使之無法用于評估、量化變形流變學(xué)條件(Stesky, 1978; ten Grotenhuisetal., 2003; Passchier and Trouw, 2005; Mukherjee, 2011)。

2.2.2 石英的滑移系及活化溫度

作為地殼中最常見的礦物，石英以其穩(wěn)定的物理、化學(xué)行為和相對簡單的晶格變形滑移系成為應(yīng)用最廣泛的、理解地殼流變學(xué)行為的標(biāo)志性礦物。針對石英的變形機(jī)制及相關(guān)流變學(xué)條件的量化研究始于20世紀(jì)60年代的系列實(shí)驗(yàn)(Christieetal., 1964; Hobbs, 1968; Tullisetal., 1973; Tullis, 1977)和其后的數(shù)值模擬(Listeretal., 1978; Lister and Hobbs, 1980)。在其后的十余年里，大量基于天然變形的石英流變行為的研究(Poirier and Nicolas, 1975; Poirier and Guillopé 1979; Schmidetal., 1981; Mainpriceetal., 1986; Uraietal., 1986; Mainprice and Nicolas, 1989) 極大地深化了我們對于動(dòng)態(tài)重結(jié)晶過程中石英的變形行為和變形機(jī)制的認(rèn)識；膨凸(bulging, Poirier and Guillopé, 1979)、亞顆粒旋轉(zhuǎn)(subgrain rotation, Poirier and Nicolas, 1975)和顆粒邊界遷移(grain boundary migration, Means, 1981; Uraietal., 1986)作為石英(也是長石)的微觀尺度變形機(jī)制得以辨識、確立。之后，Hirth and Tullis (1992)的系列實(shí)驗(yàn)(圖2a-c)系統(tǒng)記錄了不同變形機(jī)制下石英的微觀組構(gòu)并首次以定量、半定量(相對于溫度和有限應(yīng)變)的方式建立了石英的變形機(jī)制及特定微觀組構(gòu)和變形溫度的關(guān)系(圖2d中的溫度估算雖來自特定地區(qū)，總的說來，仍具有普遍代表性)。盡管有學(xué)者指出，Hirth and Tullis (1992)所定義的三個(gè)變形域與以上機(jī)制并非完全對應(yīng)：例如第一域變形(RegimeⅠ)雖以膨凸變形為主，也包含了相當(dāng)組份的亞顆粒旋轉(zhuǎn)(Stippetal., 2002; Law, 2014)。此外，最新的基于實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)成果的分析表明，除已知的位錯(cuò)攀移和位錯(cuò)滑移外，由位錯(cuò)滑移調(diào)節(jié)的顆粒邊界滑動(dòng)(dislocation-accommodated grain boundary sliding)或?yàn)榻橛趦烧咧g的石英蠕變驅(qū)動(dòng)機(jī)制之一(Tokleetal., 2019)。盡管如此，直到今天，Hirth and Tullis (1992)的實(shí)驗(yàn)成果依然是理解石英和中下地殼流變作用最重要的經(jīng)典工作。

圖2 石英的變形域、微觀組構(gòu)特征和變形溫度(據(jù)Stipp et al., 2002)(a-c)分別為石英的第一、二、三域變形微組構(gòu)特征，即核-幔構(gòu)造、石英條帶和經(jīng)歷了完全動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的近等粒石英顆粒; (d)阿爾卑斯Adamello巖基臨近地區(qū)Tonale剪切帶內(nèi)由石英微組構(gòu)和由石英晶軸組構(gòu)、變質(zhì)溫度計(jì)確定的微觀組構(gòu)-變形機(jī)制-變形溫度圖解. BLG-膨凸；SGR-亞顆粒旋轉(zhuǎn)；GMB-顆粒邊界遷移. 圖2d中灰色條帶為變形機(jī)制過渡、轉(zhuǎn)換帶；粗黑豎線代表30℃的溫度誤差；英文礦物簡稱代表該變形域內(nèi)最具標(biāo)志性的礦物組合: Ksf-鉀長石; Sil-夕線石；Crd-堇青石；And-紅柱石；Ms-白云母；Bt-黑云母；Chl-綠泥石Fig.2 Deformation regimes, representative microstructures, and associated temperatures of ductilely deformed quartz (after Stipp et al., 2002)

圖3 石英的變形滑移系、變形溫度和c軸組構(gòu)指示的剪切指向(a)石英的四組變形滑移系，由于其晶格三方對稱，石英共有三個(gè)等效的方向和三組等效的柱面、菱面; (b)一個(gè)以底面滑移為主的簡單剪切造成的形態(tài)組構(gòu)(SPO)和晶軸組構(gòu)(CPO)優(yōu)選定向, 注意變形前隨機(jī)取向的晶格薄弱面(潛在滑移面，顆粒內(nèi)平行線)變形后趨于與C面理(剪切面)平行; (c)不同滑移系造成的石英的c軸極密樣式的XZ面(平行線理垂直面理)赤平投影和滑移系活化溫度(據(jù)Passchier and Trouw, 2005). L-線理; S-S面理(圖c中為虛線); C-C面理;α-最強(qiáng)極密; β-次要極密(據(jù)Passchier, 1983)Fig.3 Slip systems, associated deformation temperatures, and shear-sense indicated by c axis obliquity of quartz

圖4 弓長嶺二礦區(qū)構(gòu)造略圖(底圖據(jù)周世泰，1994修改)面理產(chǎn)狀為實(shí)測，線理產(chǎn)狀為XRCT組構(gòu)分析結(jié)果投影；圖示線理、面理為區(qū)內(nèi)代表性產(chǎn)狀. Fe1～Fe6分別為鐵礦體1～6層; Sole-底板; Roof-頂板; 余者為礦體圍巖夾層. 石英晶軸極圖為XZ面投影Fig.4 Simplified geological map of the Gongchangling iron mine (modified after Zhou, 1994)

圖5 弓長嶺礦區(qū)中小-微觀尺度構(gòu)造特征(a)高角度北東陡傾的含鐵礦層，表面線理不發(fā)育; (b)頂板石英片巖中含亞顆粒、鋸齒狀邊界的粗大石英; (c)具粒狀結(jié)構(gòu)的含鐵層(六鐵)內(nèi)具有第三域變形特征的石英條帶(圖中下部靠近比例尺處)和部分具有第二域特征的石英條帶(圖中部); (d)近片狀結(jié)構(gòu)的鐵礦夾層中不甚發(fā)育的細(xì)粒石英條帶. 所有顯微照片都來自XZ面Fig.5 The field shot and photomicrographs of the Gongchangling BIFs

圖6 弓長嶺礦區(qū)石英EBSD組構(gòu)特征左欄：1～6 分別為頂板，F(xiàn)e6/Fe5、Fe5/Fe4、Fe3/Fe2、Fe2/Fe1夾層與底板. 右欄：1～6分別為Fe6至Fe1各鐵礦層. 石英c軸極圖為XZ面投影；極圖投影經(jīng)單一顆粒單一c軸數(shù)據(jù)處理，XZ面Fig.6 Quartz EBSD pole figures of the Gongchangling iron orefield

圖7 用于組構(gòu)分析的石英條帶和組構(gòu)分析結(jié)果(張八嶺片巖，安徽，XZ面)(a)經(jīng)歷了第三域變形的石英條帶(Hirth and Tullis, 1992)，留意石英顆粒的平直邊界和粒間近60°的交角，正交偏光; (b)石膏試板下石英的干涉色幾乎全部呈藍(lán)色，指示條帶中的石英經(jīng)歷了完全的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶且具有統(tǒng)一的晶軸定向; (c)以上石英條帶的費(fèi)氏臺c軸測試結(jié)果，等面積下半球投影，等密線為0.5%, 2%, 4%, 6%, 8%每1%面積; (d)以上石英條帶的EBSD c軸測試結(jié)果，經(jīng)單一顆粒單一數(shù)據(jù)處理, 注意測試顆?？倲?shù)為費(fèi)氏臺法的一倍以上，所多者為掃描范圍內(nèi)的細(xì)粒石英; (e)未經(jīng)單一顆粒單一數(shù)據(jù)處理的EBSD c軸測試結(jié)果，注意總數(shù)據(jù)點(diǎn)逾4000個(gè). 由于所測石英條帶的極強(qiáng)變形(最大極密超過14%)，圖c～e總體極密型式相近，指示典型的底面滑移和上層向右的剪切指向. 隨基質(zhì)中細(xì)粒石英的加入，c軸組構(gòu)的背景噪點(diǎn)(圖d)增多. 未經(jīng)單一顆粒單一數(shù)據(jù)處理的測試結(jié)果中(圖e)，6%～8%的極密(白色箭頭所指處)以及4%～6%的背景極密(圖中綠色斑點(diǎn))皆為同一顆粒重復(fù)采點(diǎn)所致的“假極密”噪點(diǎn). 組構(gòu)較弱的情形下，其c軸組構(gòu)型式可與圖c, d所示的組構(gòu)型式大為不同F(xiàn)ig.7 Quartz ribbons and their c-axis fabric results from the Zhangbaling schist, Anhui (XZ plane)

上述研究最重要的成果之一，就是石英變形滑移系的確認(rèn)。礦物滑移系由特定的滑移(滑動(dòng))面和滑動(dòng)方向組成。石英共有四組滑移系，通常標(biāo)記為底面、菱面、柱面和柱面(圖3a)。和分別指代石英的a軸和c軸方向。鑒于其晶軸對稱性，石英共有三個(gè)等效的滑動(dòng)方向(圖3a)。半個(gè)多世紀(jì)的研究結(jié)果表明，特定滑移系的啟動(dòng)需要該應(yīng)變系統(tǒng)的差異應(yīng)力達(dá)到其穩(wěn)態(tài)流變剪應(yīng)力臨界值(critical resolved shear stress, CRSS)；而影響、控制該值的最重要因素即是變形溫度(見Gomez-Rivasetal., 2020及相關(guān)文獻(xiàn))。于是，石英動(dòng)態(tài)重結(jié)晶過程中不同優(yōu)選滑移系的發(fā)育也就具有了變形溫度指示含義(圖3c)。需要指出的是：(1)除溫度外，應(yīng)變速率和流體也是影響滑移系的活化啟動(dòng)的重要因素(Hirth and Tullis, 1992; Tullis, 2002; Stippetal., 2006; Law, 2014)。例如，在高溫遞進(jìn)變形條件下，石英滑移系的活化順序可為柱面-柱面-底面-菱面；而在高應(yīng)變速率(低溫)條件下其順序?yàn)榈酌?a>-柱面-菱面(Passchier and Trouw, 2005)。(2)除若干嚴(yán)格量化控制的石英蠕變實(shí)驗(yàn)外(Hobbs, 1968; Tullisetal., 1973; Hirth and Tullis, 1992; Stippetal., 2006; Crossetal., 2017a)，影響石英動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的流變學(xué)條件，特別是控制其變形滑移系的活化溫度皆來自天然變形礦物溫度計(jì)的計(jì)算結(jié)果。此類基于變質(zhì)平衡反應(yīng)的溫度估算是否真實(shí)記錄了以上特定滑移系及相關(guān)韌性組構(gòu)發(fā)育時(shí)的溫度，即變質(zhì)與變形過程的對應(yīng)、耦合，依然是一個(gè)飽存爭議、懸而未決的問題(Law, 2014)。

2.3 EBSD石英晶軸組構(gòu)在構(gòu)造分析中的應(yīng)用：以遼寧弓長嶺BIF鐵礦為例

弓長嶺礦區(qū)是鞍山式鐵礦(BIF型鐵礦)的重要采區(qū)之一，區(qū)內(nèi)出露新太古界沉積變質(zhì)鐵礦，其圍巖為以鞍山群茨溝組角閃片麻巖、斜長角閃巖、石英片巖和混合花崗巖(花崗片麻巖)為主的新太古界變質(zhì)巖系(萬渝生等，2012；張連昌等,2012；劉明軍等，2014)。采區(qū)內(nèi)共見有6層鐵礦(磁鐵石英巖)，依構(gòu)造層次，由南向北、由底部至頂部分稱為一鐵至六鐵層(圖4)。其頂板為延伸穩(wěn)定的石英片巖、石英巖，底板為含石英片巖的角閃巖、角閃片巖。采區(qū)構(gòu)造以北西-南東走向的高角度、視構(gòu)造單斜為特征，面理化強(qiáng)烈。面理以總體超過60°的角度向北東陡傾，局部可近直立(圖5a)?？傮w而言，區(qū)內(nèi)線理不甚發(fā)育。除位于礦區(qū)中部的黑云變粒巖表面依稀可見黑云母定向外，區(qū)內(nèi)各層皆無明顯線狀組構(gòu)。線理不甚清晰的原因大致如下：(1)本區(qū)變形或以純剪為主，缺乏足夠的簡單剪切組份；(2)鐵礦夾層中暗色粗粒的角閃石和鐵礦層中磁鐵礦的近等粒結(jié)構(gòu)使得線理難以辨認(rèn)；(3)二者兼之。

構(gòu)造變形之于沉積變質(zhì)鐵礦的控礦、富礦作用是一個(gè)經(jīng)久不衰的話題(張寶華等，1986；陳正樂等，2012；牛樹銀等，2013)，富礦過程多被解釋為多期疊加褶皺作用的結(jié)果。盡管中小(露頭)尺度的構(gòu)造分析顯示弓長嶺礦區(qū)的各類巖石(層)并不顯示明顯的流變特征，系統(tǒng)的顯微組構(gòu)、特別是石英的晶軸組構(gòu)EBSD分析表明區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了程度不同的應(yīng)變集中。微組構(gòu)分析以發(fā)育于礦體和夾層中的石英條帶為對象(圖5b-d)。總的說來，鐵礦層中石英條帶中的石英多呈等粒狀，顆粒邊界平直、粒徑粗大、粒間夾角為近60°的銳角，表現(xiàn)為第三域變形特征(圖5c)，其總體呈粒狀結(jié)構(gòu)。與之相比，鐵礦夾層中石英普遍未見良好的條帶發(fā)育。偶見條帶，也多以細(xì)粒、不規(guī)則形態(tài)為主(圖5d)；夾層總體以片狀結(jié)構(gòu)為特征。鏡下最強(qiáng)的石英變形見于礦區(qū)頂板的石英片巖和石英巖內(nèi)，其以極粗大顆粒、鋸齒狀邊界(lobate or serrated)、以及廣泛發(fā)育的波狀消光或亞顆粒為特征(圖5b)，指示晶格內(nèi)部的位錯(cuò)攀移發(fā)育。

為深化認(rèn)識本區(qū)含鐵礦層的變形機(jī)制和構(gòu)造富礦作用，筆者采用EBSD分析技術(shù)系統(tǒng)測試了區(qū)內(nèi)各巖性單元石英條帶的晶軸組構(gòu)，并輔以XRCT(X射線計(jì)算機(jī)層析掃描)分析技術(shù)以揭示區(qū)內(nèi)可能的線理定向(非本文重點(diǎn)，不詳述)。經(jīng)XRCT恢復(fù)校正的石英晶軸組構(gòu)結(jié)果可作如下解釋(圖4、圖6)： (1)除頂板的石英片巖(c軸最大極密約11%，圖6左1)和底板角閃片巖中的石英片巖夾層(c軸最大極密約4%，圖6左6)外，其余各層中石英的c軸極密都不超過3%，多在2%左右。頂板的極強(qiáng)組構(gòu)或?yàn)轭w粒粒徑造成的視效應(yīng)：鏡下觀測顯示(圖5b)，該層石英顆粒粗大(可達(dá)厘米級)，顆粒內(nèi)部亞顆粒極其發(fā)育。亞顆粒的大量發(fā)育意味著大量高度相近的石英光軸的存在。因此，EBSD所測定的c軸數(shù)據(jù)或許包含了相當(dāng)數(shù)量取向接近的石英亞顆粒晶軸，從而造成極強(qiáng)的視晶軸極密。盡管如此，以上結(jié)果仍表明區(qū)內(nèi)以石英(條帶)為應(yīng)變標(biāo)志的塑性流變集中于頂板和底板的富硅層；其余各層總體變形較弱。(2)精細(xì)的石英c軸極密形態(tài)對比分析顯示，與夾層相比，含鐵礦層的石英極密總體形態(tài)發(fā)育良好并呈現(xiàn)清晰的大圓環(huán)帶(見圖6右1、2、5、6)；而除黑云變粒巖(四鐵與五鐵的夾層，見圖4及圖6左3)外的夾層石英晶軸組構(gòu)則表現(xiàn)為散亂的極密、不見環(huán)帶發(fā)育(見圖4及圖6左2、4、5)。以上分析表明，盡管除頂、底板外的區(qū)內(nèi)各層以總體較弱的石英晶軸組構(gòu)為特征，含鐵礦層(特別是二鐵、五鐵和六鐵)仍比夾層吸收了更多的應(yīng)變(較好的c軸環(huán)帶和較強(qiáng)的極密)；夾層總體未經(jīng)顯著的塑性流變。(3)結(jié)合經(jīng)XRCT恢復(fù)的線理定向，石英c軸組構(gòu)的不對稱性(如頂、底板和除三、四鐵以外的含鐵礦層，見圖4)指示本區(qū)經(jīng)歷了程度不同的、上層向南西的剪切(逆沖)。(4)特別要指出的是，本區(qū)的石英晶軸組構(gòu)型式包含了全部石英滑移系特征：如頂板和二鐵典型的底面(見圖6左1及右5)，底板不甚完美的菱面(見圖6左6)，六鐵典型的柱面 和五鐵的柱面(見圖6右1、2)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，不同滑移系的啟動(dòng)或?yàn)闇囟瓤刂?；或?yàn)閼?yīng)變速率控制；或是兩者的共同效應(yīng)，其中溫度為主導(dǎo)、控制因素(Passchier and Trouw, 2005; Stippetal., 2006; Tokleetal., 2019; Gomez-Rivasetal., 2020)。魏菊英等(1985) 測定了21對石英-磁鐵礦的氧同位素含量，指出弓長嶺鐵礦成礦溫度主要在400～500℃之間，其可大致作為石英組構(gòu)形成溫度的參考范圍。然而，在區(qū)內(nèi)厚度不足500m的距離之內(nèi)，所有的石英滑移系悉數(shù)發(fā)育極為罕見，由溫度主導(dǎo)的滑移系活化(Kruhl, 1996; Passchier and Trouw, 2005)無法解釋在如此有限的構(gòu)造厚度內(nèi)發(fā)生400℃到超過700℃的地溫梯度變化。例如，頂板和六鐵之間的采樣間距(厚度)不足10m(見圖4及圖6左1、右1)，無法想象在這樣的距離之內(nèi)出現(xiàn)分別由底面和菱面所指示的超過200℃的溫度差異(Passchier and Trouw, 2005; Law, 2014)，或是一個(gè)量級以上應(yīng)變速率的降低(Stippetal., 2006; Heilbronner and Kilian, 2017)。更令人疑惑是，距六鐵西南約30m處的夾層內(nèi)石英c軸極密形態(tài)散亂(圖4及圖6左2)，而僅鄰其南西約20m處的五鐵石英c軸極密指示超過700℃的高溫柱面滑移(圖4及圖6右2)。區(qū)內(nèi)不同的石英c軸極密樣式、極密強(qiáng)度以及鐵礦豐度(以六鐵為最富)表明：(1)區(qū)內(nèi)各巖性單元經(jīng)歷了不同程度的應(yīng)變集中，以頂板、六鐵和五鐵為代表的上段為最甚；以底板和一鐵、二鐵為代表的下段次之；以三鐵、四鐵(圖6右3、4)和其夾層為代表的中段整體變形較弱。(2)在弓長嶺礦區(qū)不足500m的構(gòu)造厚度內(nèi)所見全部石英滑移系的發(fā)育或可解釋為由逆沖造成的不同深度的巖性-構(gòu)造單元的疊置；或是一個(gè)由流體誘發(fā)的應(yīng)變集中的產(chǎn)物(Rosièreetal., 2013; Hensleretal., 2014; Ferreiraetal., 2016; Pirajno and Yu, 2021)，即巖石結(jié)構(gòu)差異(粒狀vs.致密片狀)而導(dǎo)致的流體活性差異是本區(qū)應(yīng)變集中和構(gòu)造富礦的直接原因(Rosièreetal., 2013; Ferreiraetal., 2016)。

3 EBSD測試分析及應(yīng)用中的若干問題

自21世紀(jì)初由材料學(xué)領(lǐng)域引入，EBSD迅速取代費(fèi)氏臺成為最常見的組構(gòu)分析手段。在此，筆者就EBSD組構(gòu)測試中的若干問題略作討論。

3.1 測試對象的選取

一般地說，EBSD測試分析不受任何巖石類型和礦物組合的限制，也就是說測試對象可以是研究者感興趣的任意礦物，包括金屬礦物。然而，如前文所提及的，EBSD測試分析技術(shù)最重要的應(yīng)用就是用來鑒別巖石的流變行為特征，諸如巖石的變形強(qiáng)度、剪切指向以及變形溫度等。因此，除特殊情況外(如圖1所示的針對糜棱巖化的礦物結(jié)構(gòu)和組份研究)，陸殼巖石的EBSD分析對象應(yīng)以石英、特別是發(fā)育良好的石英條帶為宜(圖7a, b)。畢竟，石英不僅是陸殼巖石中最常見的組份，也是僅次于橄欖石、我們對其流變行為的理解最為深入的礦物。此外，強(qiáng)應(yīng)變下、組構(gòu)成熟的糜棱巖中的石英常以經(jīng)歷了第二域以上變形的條帶形式出現(xiàn)(圖7a)，其以相對均一的顆粒粒度和良好的晶軸定向(圖7b)成為分析石英晶軸組構(gòu)的最佳對象。

常規(guī)的EBSD測試可在巖石樣品的任意截面上完成。不過，和費(fèi)氏臺法分析相同，EBSD測試結(jié)果的表達(dá)都以平行線理、垂直面理(ac或XZ面)為參考系。因此，樣品的備置以ac面或XZ面為宜。如果組構(gòu)較弱(線理不甚發(fā)育)，則需形態(tài)組構(gòu)分析(例如XRCT法)確定可能的線理方向。否則，EBSD分析結(jié)果不具任何運(yùn)動(dòng)學(xué)、流變學(xué)含義。數(shù)據(jù)處理中有兩個(gè)不能省缺的重要步驟：(1)每個(gè)顆粒只能選取一個(gè)晶軸定向 (oppg, one point per grain)，此操作需單獨(dú)完成。實(shí)際操作中以加大步長實(shí)現(xiàn)一個(gè)顆粒一個(gè)晶軸的做法極不可取，其原因在于：在粒度變化明顯的情形下，其以犧牲小顆粒(粒徑低于步長)的晶軸數(shù)據(jù)為代價(jià)的同時(shí)，也無法保證單一顆粒單一晶軸的實(shí)現(xiàn)，從而造成晶軸組構(gòu)總體樣式失真。(2)嚴(yán)格區(qū)分經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)重結(jié)晶和未經(jīng)動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的顆粒/基質(zhì)?；谑止げ僮鞯馁M(fèi)氏臺法保證了統(tǒng)計(jì)結(jié)果皆來自經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的顆粒并排除同一顆粒重復(fù)測試(圖7c)。然而，采用面掃描技術(shù)的EBSD分析則無可避免地包含了未經(jīng)動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的顆粒晶軸、特別是基質(zhì)中的細(xì)粒晶體以及同一顆粒的重復(fù)采點(diǎn)測試；顆粒越大，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)越多。因此，未經(jīng)以上數(shù)據(jù)處理的測試結(jié)果或因重復(fù)采樣造成人為的統(tǒng)計(jì)加密，或因未經(jīng)動(dòng)態(tài)重結(jié)晶顆粒的加入導(dǎo)致總體極密散亂。在組構(gòu)較弱的情形下，后者可嚴(yán)重干擾、改變可能的晶軸極密形態(tài)。例如，Kilian and Heilbronner (2017)指出，未經(jīng)篩選分離的、包含了未經(jīng)動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的基質(zhì)顆粒或許是造成多個(gè)晶軸極密，如底面和菱面同時(shí)見于晶軸組構(gòu)分析結(jié)果的主要原因。因此，已有學(xué)者建議晶軸組構(gòu)數(shù)據(jù)應(yīng)按顆粒粒度分別處理，以區(qū)分可能的未經(jīng)動(dòng)態(tài)重結(jié)晶和經(jīng)歷了完全動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的晶軸組構(gòu)(Crossetal., 2017b; Kilian and Heilbronner, 2017)。就初糜棱巖而言，按不同粒度分別處理測試結(jié)果或應(yīng)成為EBSD數(shù)據(jù)處理的一個(gè)必要步驟。

3.2 晶軸組構(gòu)的剪切指向含義

長期以來，礦物晶軸組構(gòu)的不對稱性(如石英c軸極密和S面理法線的銳夾角)一直被視作獨(dú)立有效的剪切指向標(biāo)志(Lister and Hobbs, 1980; Simpson and Schmid, 1983)。其原理可解釋為在遞進(jìn)簡單剪切中，礦物滑移系的活化以滑移面最大限度地趨近剪切面而實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)以底面為主的系統(tǒng)中，XZ面中的c軸主體總是與C面理直交(見圖3)；其最強(qiáng)極密(α)與S面理的夾角指示簡單剪切方向(Lister and Hobbs, 1980)。然而，有關(guān)晶軸組構(gòu)作為獨(dú)立有效性的剪切指向的不同聲音也一直長期存在(Kilianetal., 2011)。早在20世紀(jì)70年代末，已有學(xué)者(Burg and Laurent, 1978; Passchier, 1983) 指出在以底面滑移為主導(dǎo)的流變過程中，石英的晶軸組構(gòu)多以雙臂的極密大圓環(huán)帶為特征(見圖3c)。其最強(qiáng)極密(α)的不對稱性與其所經(jīng)歷的簡單剪切方向一致；其次要極密(β，圖3c) 則指示相反的剪切指向。Passchier (1983)特別指出，以費(fèi)氏臺法為主要手段的晶軸組構(gòu)分析結(jié)果僅有60%是準(zhǔn)確可信的。

隨著我們對于石英微觀變形機(jī)制、特別是其一般剪切條件下流變學(xué)行為認(rèn)識的深入 (Heilbronner and Tullis, 2002, 2006; Tullis, 2002; Crossetal., 2017a; Heilbronner and Kilian, 2017; Kilian and Heilbronner, 2017; Richteretal., 2018)以及EBSD測試分析方法的普及，業(yè)界學(xué)者趨于達(dá)成以下共識：礦物晶軸組構(gòu)的發(fā)育與其所經(jīng)歷的有限應(yīng)變相關(guān)。在變形初期(γ<～2)，石英c軸極密較為散亂，以底面為主的極密大圓環(huán)帶中經(jīng)常包含了與總體剪切指向相反的次要極密。其部分為未經(jīng)動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的顆粒晶軸和部分正在以粒間滑動(dòng)和顆粒旋轉(zhuǎn)方式實(shí)現(xiàn)滑移面與剪切面趨近的重結(jié)晶顆粒晶軸組成(Heilbronner and Tullis, 2002, 2006; Tullis, 2002; Heilbronner and Kilian, 2017; Kilian and Heilbronner, 2017)。如最新的研究結(jié)果所示(Tokleetal., 2019)，由位錯(cuò)滑移調(diào)節(jié)的顆粒邊界滑動(dòng)(dislocation-accommodated grain boundary sliding)或許是石英蠕變初期由位錯(cuò)攀移向位錯(cuò)滑移轉(zhuǎn)化的重要變形機(jī)制。隨變形持續(xù)，石英晶軸組構(gòu)逐漸增強(qiáng)。伴隨次要極密(β)的減弱、消失，石英c軸極密由雙臂環(huán)帶(圖3c)漸次演變?yōu)閮H含最強(qiáng)極密(α)的單臂大圓環(huán)帶。視變形流變學(xué)條件(例如溫度和應(yīng)變速率)，穩(wěn)態(tài)流變在強(qiáng)應(yīng)變條件下(γ>5, Tullis, 2002; Heilbronner and Tullis, 2006; γ>～ 3, Crossetal., 2017a)得以實(shí)現(xiàn)；所有的石英顆粒完全經(jīng)歷動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用。在上述的正向(forward)遞進(jìn)變形過程中，以長英質(zhì)為主的韌性組構(gòu)的成熟度總是以變形初期的石英的底面滑移向高級滑移系(菱面和柱面滑移)的演化為標(biāo)志；成熟的石英晶軸組構(gòu)的不對稱性總是與巖石總體應(yīng)變(bulk strain)的剪切指向一致(Heilbronner and Tullis, 2006; Kilian and Heilbronner, 2017)。

需要指出的是，以上認(rèn)識主要來自于樣品尺度為毫米級的、成分相對單一的實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)結(jié)果(石英巖，Tullis, 1977; Hirth and Tullis, 1992; Heilbronner and Tullis, 2002, 2006; Tullis, 2002; Heilbronner and Kilian, 2017; 含有25%鈉長石的鈉長石-石英合成樣品，Crossetal., 2017a)。Kilianetal. (2011)發(fā)現(xiàn)，在一套糜棱巖化的花崗閃長巖中，石英晶軸組構(gòu)隨面理的波動(dòng)而變化；局部面理彎折部分的石英晶軸組構(gòu)不對稱性指示與總體變形指向相反的剪切指向，盡管經(jīng)過面理矯正、恢復(fù)后的石英晶軸組構(gòu)與總體組構(gòu)型式大體一致。類似現(xiàn)象亦見于實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)樣品當(dāng)中(Crossetal., 2017a)。鑒于天然變形的非均勻性，特別是由應(yīng)變集中和應(yīng)變分解導(dǎo)致的各向異性行為，礦物晶軸組構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)指向含義或以一個(gè)開放性的話題長期存在。

圖8 石英c軸組構(gòu)開角溫度計(jì)(據(jù)Law, 2014)(a)低溫下典型的雙臂式小角度石英c軸組構(gòu)開角；(b)高溫下以點(diǎn)極密(柱面)為特征的大角度石英c軸組構(gòu)開角. 圖中的方框和圓點(diǎn)代表經(jīng)Law編輯整理的、來自全球的20個(gè)不同韌性剪切帶的石英c軸組構(gòu)開角(縱軸)和相關(guān)巖石組合中基于變質(zhì)平衡反應(yīng)的溫度估算范圍(橫軸). 綠色粗線為石英組構(gòu)開角“變形”溫度范圍的最佳擬合線. 注意在高溫區(qū)間(>750℃)擬合線斜率的變化. 中低溫區(qū)間的灰色長方框?yàn)橥茰y的開角-溫度變化范圍.OA-Opening angleFig.8 Quartz c-axis fabric opening-angle thermometer (after Law, 2014)

3.3 石英c軸組構(gòu)“變形”溫度計(jì)

糜棱巖是動(dòng)力變質(zhì)作用的產(chǎn)物，合理估算其形成溫度是理解、重建其形成演化歷史的關(guān)鍵。如上所談到的，在應(yīng)變速率已知的條件下，不同變形機(jī)制下所形成的特征微觀組構(gòu)(見圖2)以及不同石英滑移系的活化(見圖3c)總是在特定的溫度區(qū)間形成、發(fā)生。然而，其溫度范圍還是顯得過于寬泛。Kruhl (1996)指出不同類型的石英亞顆粒邊界可以指示其經(jīng)歷的變形溫度。隨后，在回應(yīng)Okudairaetal. (1998)的討論和質(zhì)疑一文中，Kruhl (1998)首次提出石英的晶軸組構(gòu)的張開角度(opening angle)可以用作獨(dú)立可靠的變形溫度計(jì)(圖8)。以上結(jié)論來自于全球分布的13 個(gè)含有石英巖的、經(jīng)歷了從低綠片巖到麻粒巖相變質(zhì)作用的典型糜棱巖帶。Kruhl (1998)通過對比分析天然和實(shí)驗(yàn)條件下的石英晶軸組構(gòu)、特別是石英c軸大圓環(huán)帶的開角和實(shí)驗(yàn)、天然變形條件下的溫度數(shù)據(jù)，明確指出隨變形溫度的升高，控制石英蠕變的主導(dǎo)滑移系由底面向柱面漸次轉(zhuǎn)化，其c軸大圓環(huán)帶的開角持續(xù)加大?；谏鲜龇治?，Kruhl (1998)指稱石英的c軸大圓環(huán)帶的開角可作為變形溫度的量化標(biāo)志，其誤差范圍為～50℃，其精度堪比傳統(tǒng)的變質(zhì)溫度計(jì)。隨著EBSD在組構(gòu)分析中的廣泛應(yīng)用，石英c軸組構(gòu)開角溫度計(jì)的應(yīng)用也日漸廣泛(見Law, 2014 及相關(guān)文獻(xiàn))。

然而，Law (2014)指出，石英晶軸組構(gòu)、特別是石英c軸組構(gòu)開角變形溫度計(jì)的應(yīng)用宜當(dāng)謹(jǐn)慎。正如最新校正的流變經(jīng)驗(yàn)公式所表明的(Tokleetal., 2019)：

Law (2014)指出，石英晶軸組構(gòu)開角溫度計(jì)的應(yīng)用至少要滿足兩個(gè)重要前提：(1)應(yīng)變速率已知；(2)由流體導(dǎo)致的應(yīng)變?nèi)趸?hydrolytic weakening)效應(yīng)量化可控?，F(xiàn)有研究表明在差異應(yīng)力保持不變的情形下，一個(gè)量級應(yīng)變速率的降低等同于不低于200℃的升溫效應(yīng)(Stippetal., 2006)，其足以造成礦物變形機(jī)制的轉(zhuǎn)化。毫無疑問，不同構(gòu)造環(huán)境和同一構(gòu)造事件、不同階段的應(yīng)變速率差異明顯(諸如造山過程的俯沖和折返階段)。然而，到目前為止對于不同構(gòu)造背景下的天然塑性流變應(yīng)變速率的估算，我們并無有效的量化手段。因此，可能的應(yīng)變速率差異對于石英晶軸組構(gòu)開角溫度計(jì)應(yīng)用的影響無法評估。

Griggs (1967)首次使用“流體弱化”(hydrolytic weakening)一詞以突出、強(qiáng)調(diào)石英單晶變形實(shí)驗(yàn)中痕量級別(<～0.13%) 的分子水之于石英蠕變的重要性。在其后的半個(gè)多世紀(jì)里，系列經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究結(jié)果顯示 (Tullisetal., 1973; Mainprice and Paterson, 1984; Tullis and Yund, 1989; Hirth and Tullis, 1992; Stippetal., 2006; Kilian and Heilbronner, 2017; Tokleetal., 2019)，流體組份(實(shí)驗(yàn)中為水)的加入總是伴隨著穩(wěn)態(tài)流變的剪應(yīng)力臨界值(CRSS)明顯降低以及石英動(dòng)態(tài)重結(jié)晶過程的加速，即巖石變“軟”了。由流體誘發(fā)的應(yīng)變?nèi)趸?軟化)可以歸為粒間分子水引發(fā)的礦物邊界及變形滑移系活性的增強(qiáng)從而導(dǎo)致變形滑移系的活化和變形機(jī)制的轉(zhuǎn)化。例如，～0.25%流體(水)含量的增加，就足以造成石英由位錯(cuò)滑移蠕變向擴(kuò)散遷移蠕變的轉(zhuǎn)化(Stippetal., 2006)。此外，流體弱化效應(yīng)可通過影響流體逸度的方式實(shí)現(xiàn)：流體組份的加入通過升高圍壓、降低流變剪應(yīng)力臨界值(CRSS)從而加速動(dòng)態(tài)重結(jié)晶過程(Mainprice and Paterson, 1984; Kohlstedtetal., 1995; Tokleetal., 2019)。其來源或?yàn)橥鈦砹黧w、變質(zhì)反應(yīng)流體、或是包裹體內(nèi)的流體通過破裂或顆粒邊界遷移而進(jìn)入顆粒邊界。就石英蠕變而言，流體弱化以位錯(cuò)攀移和位錯(cuò)滑移在較低的溫度和差應(yīng)力下啟動(dòng)以及由底面、菱面向柱面和柱面滑移的轉(zhuǎn)化而體現(xiàn)，即石英的c軸組構(gòu)開角因流體弱化而加大 (Law, 2014)。近年來，流體誘發(fā)的應(yīng)變集中現(xiàn)象引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注(Mulchetal., 2007; Gottardietal., 2015; Methneretal., 2015; Ribeiroetal., 2020)。然而稍嫌遺憾的是，以上針對天然變形的研究對象多限于組份相對簡單的云母石英巖且并未包含流體弱化對于石英c軸開角的影響。

石英晶軸組構(gòu)開角溫度計(jì)應(yīng)用中的最具爭議的部分即為是否如Kruhl (1998)所稱的，其結(jié)果代表組構(gòu)形成的變形溫度。如Law (2014)所指出的，石英開角溫度計(jì)基于兩個(gè)獨(dú)立的評估體系，即針對變形系統(tǒng)中石英巖的石英晶軸組構(gòu)分析和相關(guān)組合中基于變質(zhì)平衡反應(yīng)的巖相學(xué)溫度估算。一個(gè)完整的變質(zhì)演化序列的不同階段，總是以典型的變質(zhì)平衡反應(yīng)所指示的不同溫壓條件為特征。此類基于變質(zhì)平衡反應(yīng)的溫度估算是否真實(shí)反映了由石英晶軸組構(gòu)所指示的特定滑移系及相關(guān)韌性組構(gòu)發(fā)育的溫度，即變質(zhì)作用與變形過程的對應(yīng)、耦合依然是一個(gè)充滿爭議的全球性難題(參見Law, 2014)。通常認(rèn)為，鑒于石英對于應(yīng)變的敏感性，石英的晶軸和相關(guān)韌性組構(gòu)總是記錄了遞進(jìn)變形的最后一次增量應(yīng)變(Wallis, 1995; Lawetal., 2004)，即當(dāng)一個(gè)動(dòng)力變質(zhì)系統(tǒng)不再活躍的時(shí)候，彼時(shí)的石英組構(gòu)被“冷凝”于系統(tǒng)當(dāng)中。鑒于動(dòng)力變質(zhì)作用的背景和過程的差異，所觀測的石英晶軸及相關(guān)微觀組構(gòu)可以形成于一個(gè)理想的變質(zhì)過程中的任一階段。因此，學(xué)者建議(見 Law, 2014及相關(guān)文獻(xiàn))，典型的變質(zhì)礦物組合和具有標(biāo)志性的石英微觀組構(gòu)(如指示高溫變形的石英的棋盤格消光)的分析鑒定是合理解釋石英開角溫度計(jì)所記錄的溫度含義不可或缺的組成部分。

就缺乏傳統(tǒng)變質(zhì)反應(yīng)溫度計(jì)的巖石組合而言，諸如最為常見的、以長英質(zhì)為主的糜棱巖，石英晶軸組構(gòu)開角溫度計(jì)無疑提供了一個(gè)量化估算動(dòng)力變質(zhì)溫度的重要方法。然而，受上述因素的限制，該方法所獲溫度的地質(zhì)含義并非唯一確定。例如，Lister and Hobbs (1980)的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)表明，石英的晶軸開角不受溫度影響而與其三維應(yīng)變型態(tài)相關(guān)，即隨著純剪組份的增加，石英c軸開角持續(xù)增大。因此，石英晶軸組構(gòu)開角溫度計(jì)并非獨(dú)立的“變形溫度”量化標(biāo)準(zhǔn)，該溫度的構(gòu)造含義解釋既非直接了當(dāng)，亦非無可爭議。

4 結(jié)語

在過去的二十年里，EBSD測試技術(shù)已廣泛應(yīng)用于韌性組構(gòu)分析，其已成為變形運(yùn)動(dòng)學(xué)、流變學(xué)分析的常規(guī)手段。然而，鑒于天然變形的復(fù)雜性，EBSD的應(yīng)用及其分析測試結(jié)果的解釋當(dāng)宜謹(jǐn)慎。筆者建議：

(1)針對變形運(yùn)動(dòng)學(xué)、流變學(xué)條件的分析應(yīng)以石英，特別是經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的石英條帶為對象；

(2)盡管在大多數(shù)情形下，石英晶軸組構(gòu)的不對稱性與總體流變運(yùn)動(dòng)方向一致，對其剪切指向含義仍應(yīng)持謹(jǐn)慎和開放的態(tài)度，流變剪切指向應(yīng)為多重指向標(biāo)志綜合判別比對的結(jié)果；

(3)石英變形滑移系的活化受多種因素控制，盡管不同滑移系的發(fā)育、特別是石英晶軸組構(gòu)開角可為估算動(dòng)力變質(zhì)溫度提供重要的參考；其構(gòu)造含義解釋，即其在動(dòng)力變質(zhì)時(shí)序演化中的位置的判定，仍需與典型的微組構(gòu)和變質(zhì)礦物組合相結(jié)合。

致謝兩位審稿人中肯、建設(shè)性的討論、建議和責(zé)任編輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶忛?、修訂極大地提高了本文的質(zhì)量和可讀性，筆者在此致以誠摯的謝意。