Механизмы связной деформации. Пластическая деформация в твердом состоянии

Связная (непрерывная) деформация создается элементарными механизмами, действующими в масштабе монокристаллов. Под действием внешних (девиаторных) напряжений данной ориентировки деформация монокристалла осуществляется путем скольжения по множеству плоскостей кристаллической решетки - это пластическая деформация в строгом смысле, а также в результате направленной диффузии атомов через кристаллическую решетку и по граням кристалла или, наконец, вследствие кристаллизации новой минеральной фазы за счет ранее существовавшей - это синтектоническая кристаллизация.

Механизмы скольжения и диффузии могут всецело действовать в твердом состоянии и не сопровождаться изменением объема, представляя пластическую деформацию в более широком смысле. Однако диффузии и новой кристаллизации способствует присутствие флюидов, усиливающих пластические свойства. Пластическая деформация в твердом состоянии и деформация во флюидизированной среде имеют разные механизмы и обычно протекают в различающихся минеральных ассоциациях и геологических обстановках.

Так, деформация, ассоциирующаяся с флюидными агентами, прежде всего свойственна процессам прогрессивного метаморфизма, т. е. метаморфизма, степень которого возрастает по мере выделения жидкости в реакциях дегидратации. Наоборот, пластическая деформация преимущественно затрагивает области ретроградного метаморфизма, уже обедненные флюидами. Мы последовательно рассмотрим оба механизма деформации.

Пластическая деформация в твердом состоянии. Структурные элементы и механизмы деформации. Пластическая деформация протекает в результате относительных смещений структурных элементов, форма и состав которых контролируют механизм деформации. Эти структурные элементы - носители деформации. Представление о пластичности используется в масштабе статистически однородной среды, в то время как деформационный механизм определяется процессами переноса носителей деформации, т. е. относится к меньшему масштабу.

Можно выделить следующие структурные элементы пластической деформации:
1. Породы или фрагменты кристаллов, относительное движение которых создает катакластическое течение.
2. Кристаллы, в которых межзерновое движение проявляется как сверхпластическое течение.
3. Внутрикристаллические домены, скольжение между которыми соответствует пластическому течению в строгом смысле или перемещению дислокаций.
4. Атомы, молекулы и вакансии, участвующие в диффузионном переносе.

В соответствии с перечисленными носителями деформации имеются четыре механизма пластической деформации. Области их проявления зависят от напряжения, скорости деформации, температуры, всестороннего давления и других факторов. Выбирая две из переменных, характеризующих состояние, можно составить деформационную карту, показывающую область действия каждого из механизмов деформации (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Деформационная карта оливина в координатах - температура плавления, т -касательное напряжение. µ - модуль сдвига. На кривых указана скорость деформации (в с^-1). (Ashby, Verrall, 1978, Phil. Trans. Roy. Soc. London. 288, 59.)

Катакластическое течение характерно для пластических разломов. Микроразрушение в среде создает фрагменты пород разных масштабов, которые перемещаются относительно друг друга. Катакластическое течение включает разрушение и некоторую пластическую деформацию (внутризерновое скольжение, двойникование, образование полос излома-кинкбандов, кристаллизация и рекристаллизация).

Оно затрудняется с ростом давления вследствие увеличения трения на границах разрывов и препятствий раскрытию трещин растяжения. В присутствии флюидов следует рассматривать лишь эффективное давление (разд. 3.2.3). Повышение температуры слабо влияет на катакластическое течение в отличие от других механизмов пластической деформации, в которых важную роль играет диффузия. Этим объясняется тот факт, что катакластическое течение в основном наблюдается в верхних частях коры.

Три других механизма пластической деформации основаны на пластичности кристаллов, которая описывается ниже, начиная с краткого обзора дефектов кристаллической решетки и заканчивая сводкой основных процессов течения.