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地质矿物领域显微分析论坛之答疑解惑

由中国地质学会构造地质专委会显微分委会和牛津仪器共同推出的显微分析论坛取得圆满成功。感谢诸位专家精彩的报告。会议期间,不少听众提出了感兴趣的问题,我们邀请北京大学张波老师南京大学王勤老师中国科学院地质与地球物理所綦超老师中国地质大学(武汉)徐海军刘文龙老师等几位专家对部分问题再次做出详细解答。

1. 橄榄石不同组构类型在时间演化过程中有没有序列关系?

答:橄榄石不同组构类型在时间演化过程中有没有序列关系,主要取决于橄榄石的变形条件。

2. 模拟计算橄榄岩地震波各向异性的过程中,矿物含量估算直接用EBSD数据,还是考虑其它方法评估矿物相对含量?

答:计算地震波各向异性的时候需要:矿物的EBSD数据、矿物单晶的弹性参数、矿物所占的体积百分比。

3. 运用矿物组分的体积百分比数值平均计算方法是否忽略了岩石结构信息?在研究韧性变形带的岩石时,样品中可能出现成分分层、L-S型构造岩,请问这些结构信息对于岩石波速的影响在之前的研究中是怎么描述的?

答:对于样品中的成分层,在EBSD测量中体现不出来,但是在地震波各向异性的计算中可以考虑,简化的模型认为垂直面理波速最低(因为很多片状矿物平行面理分布,c轴是低速方向),平行面理方向波速近似相等。L-S型构造岩意味着矿物发育了晶格优选定向,地震波各向异性符合斜方晶系的对称性,如果L(线理方向)是矿物结晶轴波速最快的方向(例如橄榄石A型组构),对于P波就会有X方向>Y方向>Z方向

4. 石英脆韧性变形除了考虑温度和应力外,要不要考虑应变时间(应变速率),会不会存在后期长时间应力作用形成的塑性变形,应该怎么和早期成的塑性变形区分?

答:地壳岩石的脆/韧性变形过程与方式,必须考虑应变速率,但对于自然界岩石的应变速率的认识目前相对较少,认识明显不足;主要原因是地壳岩石在流变过程中的应变速率受到多种因素的影响(温度/压力/变形机制/熔体/流体等);这里我也特别强调,就宏观的构造而言,应变速率在空间和时间上也存在不均一性。至于如何区分韧性变形的变形期次,这是另外一个问题,我个人觉得从野外宏观露头的构造解析和室内微观构造的观测的分析相结合(这里就需要将宏观的结构面/线组合与矿物相的组合相结合进行期次分析)。

Figure 1. The relationships between Deformation mechanism/deformation processes and strain rate/different stress and deformation temperature

5. 石英的CPO于高温变质(角闪岩相到麻粒岩相)过程中,如何解决变质过程中,从进变质到退变质可能产生多期次的石英产物,有些石英是同构造的,有些是构造后的。如果都处在同一个薄片中,怎么获取正确有代表性的结果呢?另外,未来如果建立一个更可靠的基于CPO模式的石英变形温度计有可能么,需要广泛的考虑哪些因素呢?

答:石英组构学只是地质学家观测和分析岩石晶体学特征的一种方法,其中CPO样式为人们认识晶体和矿物晶体方位与宏观构造之间的关系特征提供一个很好的工具;因此地质学家可以根据实际研究需要开展对不同构造层次中石英的CPO特征的观测与分析;在高温或高变质条件下,我们应该有区分地对待石英这种独特的矿物,其虽身居同一样品中,即使在临近的微小区域,但变形机制千差万别,如Figure1所示。有的石英为变质过程的产物,有的经历固相下之下的位错蠕变;应从微观结构观测入手,分别给予对待。采用QZ-CPO模式开展系统的同变形温度估算,是有前提条件的:选择稳定的普遍发生动态重结晶的颗粒集合体,且这些颗粒集合体本身的运动学特征和结构特征(颗粒大小等)/矿物组分特征都非常相似,这样CPO模式之间可以对比;但在对比过程中也要参考其微观构造特征或用其他的变质反应温压计给予约束。

6. 野外采集手标本,涉及到剪切方向和矿物面理-线理方向,请介绍一下切磨EBSD样品过程中应该如何定向?怎么保证定向精度?

答:野外定向样品切制:平行线理/垂直面理的面上切割样品,即在XZ面上进行EBSD测试分析。特别注意:面理和矿物拉伸或矿物线理的地质学方位已经在野外测量获取了(如Figure 2中的SE-direction),图中的白色椭圆为应变椭球体,X为最大拉伸方向,Y为中间拉伸轴,XY组成了构造面理/宏观上我们能看到的面理构造;X方位为线理方位。

Figure 2. Relationships between CPO and geo-frame (Zhang B. et al., submitted JSG) 

7. 利用开角来计算温度的公式的适用范围是什么?能否不加区分地用于单矿物vs. 多矿物样品、含水 vs. 不含水样品?

答:利用石英CPO <c>开角评估温度,在角闪岩相变质一下可以使用(650℃一下的变质变形温度环境);请参考和学习Kruhl JSG (1998)的综述。在样品,微观区域内最好选取单一石英相或以石英相为主的动态重结晶颗粒几何体进行分析;第二相参与或混合时,对于CPO影响非常大(参见和推荐文献:Austin N and Evans B. 2007. Paleowattmeters: A scaling relation for dynamically recrystallized grain size. Geology, 35(4): 343-346;Bürgmann R and Dresen G. 2008. Rheology of the lower crust and upper mantle: Evidence from rock mechanics, geodesy, and field observations. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 36(1): 531-567)。

8. 石英的LPO受微观构造影响较大,在进行岩石的石英C轴组构统计时,该如何选择石英颗粒进行统计?

答:分析石英CPO样式时,第一步:微观构造的观测;第二步:石英变形机制的分析;第三步:组构与变形机制的响应关系分析;Figure 3和Figure 4给出了一个很好的解读和分析结果,希望对你的理解有益。发生SGR,GBM重结晶的颗粒均可以用于分析。

Figure 3. Relationship between recrystallised grain size and differential stress, expressed as flow stress for quartz. BLG, SGR and GBM are mechanisms of dynamic recrystallisation (after Stipp and Tullis 2003).

Figure 4. Fields of dynamic recrystallisation and the appearance of chessboard subgrains in quartz in a P-T diagram. Arrows indicate the effect of strain rate. (After Stipp et al. 2002 and Kruhl 1998)

9. 在韧性剪切带中利用石英EBSD判断左旋右旋,这种判断方式准确率高吗?

答:用CPO的非对称性可以作为判断运动学的辅助手段,但有风险,判断运动学我们更多的依靠野外的观测和显微构造照片中的微观结构判断,CPOpatterns只作为辅助即可。

10. 应变量对石英组构模式是否有影响?

答:有限应变,变形过程的流变模式不变,LPO模式将随应变的增加而增强/加剧 (Toy et al., 2018);流变过程中沿ISA方向的拉伸速率比 (plane strain, flattening or constrictional flow) ;这些速率比决定晶体旋转方向和组构形状;Figure 5所示 (Hunter et al., JSG, 2018) 可以很好地展示剪切应变对于CPO Patterns的影响。

Figure 5. CPO patterns and their variations in response to non-coaxial flow/shearing component (Hunter et al., 2018)

11. 如果对层状黏土矿物开展EBSD研究,在切片、抛光有什么问题需要注意的么?

答:首先前期样品处理的时候需要用高目数的砂纸进行抛光,最后可进行4小时以上的振动抛光。另外,对于黏土矿物,抛光的样品需要及时进行测试,不宜放时间过长。

12. 既然EBSD能够低温测量冰,能否拓展到其它特殊晶体,比如说有机物分子?

答:牛津仪器有针对有机物钙钛矿结构的甲基铵碘化铅 EBSD结果的案例:EBSD从点分析到面分布图 ——利用Symmetry EBSD对甲基铵碘化铅实现高速EBSD面分布图采集另外已经有利用EBSD进行石墨变形的研究。

13. 天然冰样品采集怎么确定产状方向,以及与EBSD极密方向怎么对应?

答:天然变形样品我们一般是要进行变形产状方向的确定,不然就可能会获得完全相反的极密。冰川采样的一个相对容易的地方是提前都知道采样位置的冰川的流动方向了,所以受到变形的方向基本已知。

14. 地质上的相比较复杂,如果数据库中没有对应的相,那怎么标定呢?有处理方式吗?

答:牛津仪器的Twist软件可以手动输入晶体的晶胞常数、空间群、原子占位等信息,输出.CRY文件,导入AZtec软件即可。也可利用CIF Import功能直接导入.CIF文件。

15. 请问在EBSD的实验中同时使用EDS时,因为样品是70°倾斜的,会影响EDS的效果吗?有什么需要调整的参数或注意的事项吗?

答:如果是样品台倾斜70°,AZtec软件会自动进行倾斜修正,获得准确的EDS结果。如果是使用70°预倾斜台,注意采集前输入相关信息。需要注意,AZtec会自动进行能谱倾斜修正,但是电子束在样品中的扩展,样品倾斜状态和水平状态有差异。

16. 如何获取AztecCrystal软件?

答:限免license申请延长至9月30日,可以直接在网页上申请牛津仪器,详情可点击网页:https://nano.oxinst.com/campaigns/aztectimed-extended

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