方解石岩石半脆性流动中的晶粒尺寸效应

我们研究了晶粒尺寸在半脆性状态下方解石集合体流变行为中的作用。我们对三种岩石——索伦霍芬石灰岩、卡拉拉大理石和翁贝扬大理石——进行了三轴变形试验，其平均晶粒尺寸分别为 5-10 $\mu$m、200 $\mu$m 和 2 mm，压力范围为 200-800 MPa，温度范围为 20-400 $^\circ$C。在所有条件下，强度与硬化速率均随晶粒尺寸减小而增加。流动应力按晶粒尺寸倒数的 1/3 至 2/3 次幂缩放。硬化速率随晶粒尺寸对数线性减小。原位超声监测显示 P 波速度倾向于随应变增加而降低，且这种降低在室温下比在 200 和 400 $^\circ$C 时更显著。波速降低与微开裂一致，微开裂在低温低压下更为普遍。微观结构观察显示所有变形样品中均有高密度孪晶。孪晶密度随应力增加，与先前数据集一致。晶粒内取向差的空间分布表明孪晶有时是位错运动的障碍，但此效应并非普遍存在。计算的滑移传递统计表明，孪晶通常是比晶界更弱的位错滑移障碍，因此其对位错累积与硬化速率的影响可能小于晶粒尺寸的影响。事实上，我们的数据揭示晶粒尺寸对方解石的流动应力与硬化具有一阶控制作用，而孪晶化对这些行为可能仅有次要影响。