石英骨料中的应变能驱动的晶粒生长：对微观结构演变和恢复的影响

《Tectonophysics》：Strain energy-driven grain growth in quartz aggregates: Implications for microstructural evolution and recovery

石英颗粒在等温静压条件下通过异向热压缩实验，发现其生长由存储的应变能差异驱动，而非传统表面能最小化模型。实验显示低应变能小颗粒吞噬高应变能大颗粒，晶界密度保持恒定，挑战经典模型并修正古应力估算方法。

　　在岩石学和材料科学的交叉领域，研究矿物的微观结构演变及其驱动机制对于理解地壳变形过程、重建地质历史以及预测材料行为具有重要意义。传统的观点认为，石英多晶集合体中的晶粒长大主要由表面能驱动，即系统倾向于通过减少总晶界面积来达到能量平衡。然而，这一模型主要基于使用相对均匀且细粒度石英材料的实验，可能未能准确反映自然样品的复杂性。本研究通过一项新的实验，使用粒径在64至125微米之间的粗粒石英粉末，在静态条件下进行了等向热压实验，从而揭示了晶粒长大过程中表面能与内部应变能之间的相互作用。实验在1 GPa压力和约950°C温度下进行，持续约8小时，并在热压过程中形成了温度梯度，从而导致微观结构的渐进变化。

实验中使用的设备是一种Griggs型固态介质装置，这种装置在高压实验中被广泛用于模拟地壳条件下的矿物变形。热压实验过程中，温度从上到下逐渐升高，导致样品不同部位的微观结构演化程度不同。在上部区域，观察到的是压缩后的微观结构，其中晶粒形状不规则且边界高度弯曲，这表明在此阶段晶粒长大尚未发生。而在下部区域，晶粒呈现多边形、等轴形状，边界较为平直，这代表了静态恢复的典型特征。此外，实验中还使用了电子背散射衍射（EBSD）技术对样品进行分析，结果显示在恢复过程中，较小的晶粒（具有较低的内部晶界取向偏差）以牺牲较大、更扭曲的晶粒为代价而增长，同时整体晶界密度保持不变。这一现象表明，系统在恢复过程中并非通过减少表面能来实现能量平衡，而是通过消除内部应变能的不均来驱动晶粒演化。

传统模型认为，晶粒长大是通过晶界面积减少（GBAR）过程实现的，即晶粒边界移动导致较大晶粒消耗较小晶粒。然而，本研究的发现挑战了这一观点，表明在某些情况下，内部应变能的差异可能成为晶粒长大的主导因素。实验结果显示，在静态条件下，即使没有外加应力，内部应变能的不均也能促使晶粒的再结晶和长大。具体而言，当晶粒内部的应变能较高时，它们更容易被具有较低应变能的相邻晶粒所消耗，从而实现能量的重新分布。这种机制与金属材料中的“后动态再结晶”现象类似，即局部应变能梯度能够引导晶粒的生长，而表面能的作用被削弱。

实验中，通过EBSD分析，研究人员发现较小晶粒的内部晶界取向偏差较低，这表明它们的晶格结构较为完整，而较大晶粒则表现出较高的内部晶界取向偏差，意味着其晶格受到了更多的应变。在热压实验的后期，当温度达到950°C时，这些较大晶粒的应变能逐渐被较小晶粒所消耗，导致晶粒尺寸的重新分布。值得注意的是，尽管晶粒边界密度在实验过程中保持恒定，但系统内部的应变能却显著降低。这说明，晶粒长大并非通过增加晶界面积来实现，而是通过内部能量的再分配，使系统达到新的能量平衡。

在地质学中，石英的静态恢复通常被认为是退火过程的一部分，而退火过程中晶粒的再结晶往往被假定为表面能驱动。然而，本研究的结果表明，这种假设可能并不适用于所有情况，尤其是在存在显著内部应变能差异的样品中。实验中观察到的晶粒演化过程与经典模型存在明显差异，例如在某些情况下，较小晶粒不仅没有被消耗，反而在应变能驱动下生长，而较大晶粒则被逐渐缩小。这种现象在自然岩石中也可能存在，特别是在经历了断层摩擦、剪切变形或高温退火的样品中。因此，将晶粒大小直接作为古应力代理可能并不准确，尤其是在这些样品经历了静态恢复的情况下。

此外，本研究还揭示了晶界取向偏差与晶粒密度之间的关系。在初始压缩后的样品中，晶粒的取向偏差较高，而在恢复过程中，这种偏差逐渐降低。这表明，在静态条件下，晶粒的再结晶不仅依赖于表面能，还受到内部应变能的影响。晶界取向偏差的降低可能与晶粒内部的位错密度变化有关，而位错密度的差异又进一步影响了晶粒之间的能量平衡。在实验中，低角度晶界（即取向偏差小于10°的晶界）在恢复过程中逐渐消失，而高角度晶界则保持稳定。这一现象与传统观点相悖，因为通常认为高角度晶界具有更高的能量，更容易迁移，而低角度晶界则更为稳定。然而，实验结果表明，在应变能驱动下，低角度晶界也可能被迁移和消除，这可能与局部的热条件和应变能梯度有关。

本研究的结果对地质学和材料科学都具有重要的启示。在地质学中，对于自然岩石中的石英微观结构，需要更加细致的分析方法，以区分静态恢复与动态再结晶的影响。特别是在断层带、剪切带和糜棱岩等变形强烈的区域，石英晶粒的大小可能受到后期退火过程的显著影响，因此不能简单地将其作为古应力的代理。此外，本研究还强调了内部应变能差异在晶粒演化中的关键作用，表明在某些情况下，晶粒的生长可能主要由内部能量的重新分布驱动，而不是表面能的最小化。这提示我们，在研究岩石变形历史时，应综合考虑晶粒内部的结构特征和能量状态，而不仅仅是晶粒大小的变化。

从材料科学的角度来看，本研究的结果与金属材料中的后动态再结晶现象相似，即局部应变能的差异可以引导晶粒的生长。在金属材料中，这种机制已经被广泛研究，但类似的应变能驱动机制在地质材料中却鲜有报道。因此，本研究为理解地质材料中的晶粒演化提供了新的视角，也强调了应变能在矿物变形过程中的重要性。进一步的研究需要探索不同材料在静态条件下的晶粒演化机制，以及应变能与表面能之间的相互作用，以更全面地理解晶粒生长的驱动因素。

综上所述，本研究通过实验揭示了在静态条件下，石英晶粒的长大可能由内部应变能的差异驱动，而不是传统认为的表面能最小化。这一发现对解释自然岩石中的退火微观结构具有重要意义，也对基于晶粒大小的古应力估算提出了新的挑战。因此，在地质学和材料科学的研究中，应更加关注晶粒内部的结构特征和能量状态，以更准确地重建岩石的变形历史和评估其物理状态。