贺州大理岩稳定剪切破裂时双晶的发育特征

Characteristics of Twinning in Marble with Stable Faulting Process

摘要

双晶滑移是大理岩产生塑性变形的微观机制之一.为探究剪切破裂时的双晶表现，首先在贺州大理岩试样中诱发不同发展程度的剪切破裂，接着对试样中双晶的发育特征进行了全断面观测与定量统计分析.结果显示：（1）剪切变形带范围内的双晶明显区别于外部双晶，具有局部化、扭折、增粗、分叉及尖灭的特征，具体表现受剪切方向与双晶面倾向之间的相对关系控制；（2）试样整体的双晶密度随加载略有增加，而双晶发生率则维持高位、无变化规律；（3）双晶平均宽度不受加载程度影响，而双晶最大宽度则随剪切破坏程度稳定增加约3倍.以上结果表明低围压受压条件下，贺州大理岩整体双晶增生并不明显，而是集中发育于剪切带内、主要体现为双晶宽度的增加，其表观特征受剪切方向与双晶面倾向之间的相对关系控制.

Abstract

Twinning is one the micromechanisms of plastic deformation of marble. To investigate the twinning performance during faulting, shear ruptures with different deformations were induced in Hezhou marble. Microscopic observation and quantitative analysis were performed on twinning characteristics in cross sections perpendicular to faulting plane. The results show that the twinning in the faulting zone was obviously different from that outside of the zone, presenting the characteristics of localization, kinking, thickening, bifurcation and spiking out, which is largely controlled by the relation between the shear direction and twin plane dip. Twin density of the entire sample increased slightly after loading, while twin incidence fluctuated in high level. The average twin width was not affected by loading, however, the maximum twin width increased steadily up to three times with faulting deformation. The above results show that under low confining pressure, the twinning of Hezhou marble is unobvious overall, but concentrated in the shear zone, mainly manifested by the increase of the width of the twin. The apparent characteristics of twinning are controlled by the relative relationship between the shear direction and the inclination of the twin lamellae.

Graphical abstract

关键词

大理岩 / 双晶 / 剪切破裂 / 双晶密度 / 双晶宽度 / 岩土工程.

Key words

marble / twinning / faulting / twin density / twin incidence / geotechnical engineering

0 引言

岩石受压后的变形行为通常可以分为脆性和延性两种.在典型的脆性破坏与延性变形之间存在一个过渡阶段，应力-应变曲线表现为由明显软化向不明显软化，甚至硬化过度，这种变形模式被一些学者称为弱脆性或半脆性变形（Handin，1966；Paterson and Wong，2005）.此时岩石最终依然可能出现剪切破裂面，但剪切破裂的发展相对缓慢，可以较稳定地呈现剪切破裂发展的中间过程，因而该阶段也是地球构造变形与深部岩石工程研究的热点之一（Carter and Kirby，1978；Kirby and Kronenberg，1984；Fredrich et al.，1990；王子潮和王绳祖，1990；张春生等，2010；张桂男等，2018；Sari et al.，2022）.

不同岩石实现半脆性变形需要的加载条件不同.Westerly 花岗岩在300 °C的温度下需要接近1 000 MPa的围压才可以实现试样从剪切破坏到均匀变形（延性变形）的转变，斜长岩的试验结果与此接近（Tullis and Yund，1992）.这两种岩石在室温下实现半脆性变形比较困难.砂岩的条件受孔隙率等因素影响较大，Adamswilie砂岩室温下20 MPa的围压就能产生半脆性变形（Wong et al.，1997），不过Berea砂岩则需要40 MPa以上（Menéndez.，1996）；Cararra大理岩常温下，50 MPa左右就可实现；Wombeyan 大理岩在常温下，在5~10 MPa就可进入弱脆性变形阶段（Fredrich et al.，1990）.由此可见大理岩是一种比较适合用于产生岩石半脆性变形、进而诱发剪切破裂稳定发展的研究对象.

低温下大理岩弱脆性变形的实现与双晶滑移紧密相关.虽然微观变形机制与宏观变形没有绝对的关联性，但前人研究表明多数情况下微裂隙主导的变形机制往往导致脆性破坏，而双晶、位错、重结晶等塑性变形机制占主导时，试样往往表现出延性变形（Tullis and Yund，1992；Cheng et al.，2016；Rybacki et al.，2021）.在方解石大理岩中，双晶滑移是低温、小应变（<10%）条件下最普遍的塑性变形机制，机械双晶出现的关键剪应力大致在10~15 MPa （Burkhard，1993；Covey⁃Crump et al.，2017），诱发出现的机械双晶会受到温度、应变率、晶粒尺寸及应力等因素的影响（Christian and Mahaja，1995）.Burkhard （1993）发现随着温度的增加，方解石机械双晶的形状依次表现为微双晶或细直双晶、厚双晶、弯曲双晶与不规则形状双晶.Ferrill （1991）则认为方解石中机械双晶的宽度和强度不仅受温度影响，也受到应变的影响.例如当温度小于150~200 ℃时，应变增加导致双晶数量/密度的增加；当温度高于200 ℃时，应变的增加导致双晶的宽度开始变宽.牛露（2021）则进一步发现在较高温度下（大于150~200 ℃），Carrara大理岩中的双晶密度随着温度升高而降低.Rybacki et al. （2013）对Carrara大理岩的研究不仅支持牛露（2021）的研究结果，而且也与Ferrill （1991）的结论一致——双晶宽度不仅与温度相关也与变形相关，他同时还提出了峰值差应力与双晶密度的定量关系式与Rowe and Rutter （1990）的结果进行对比.

由于方解石中双晶所具有的以上特征，因而具有重要的构造指示意义.首先，机械双晶由双晶滑移造成，它的出现可以指示剪切变形的存在（胡玲等，2009；张桂男等，2018；刘恒麟等，2020）.例如Rybacki et al. （2013）和González⁃Casado et al. （2006）发现颗粒内双晶密度在宏观剪切带附近比远离剪切带显著增加.其次，双晶密度被用来评估古构造应力.Weiss （1954）和Turner （1953）开发了一种从变形方解石岩石中确定应力轴的方法；Rowe and Rutter （1990）、Sakaguchi et al. （2011）和Rybacki et al. （2013）分别里提出了利用双晶密度定量计算最大差应力的公式.最后，机械双晶的形状可以用来推测古构造运动地质环境的温度与岩石变质等级（Ferrill，1991；Ferrill et al.，2004）.此外，双晶滑移还是大理岩中穿晶裂隙一种可能的产生机制.穿晶裂隙既可能在本晶粒内、双晶端部或宽度变化处产生，也可能在相邻晶粒内、由于双晶的延伸产生（Olsson and Peng，1976；Cheng et al.，2016）.

目前关于剪切破坏状态下双晶特征的研究较为稀缺.本文以剪切破裂时的双晶表现为对象，首先将直观展示大理岩剪切变形带内、外的双晶特征及区别，接着定量分析双晶发育与变形程度（应变大小）的关系.期望通过以上工作解释贺州大理岩的宏观变形表现，揭示双晶在剪切破裂带形成中的作用，为构造运动中双晶的发育特征提供数据.

1 试验材料与方法

1.1　试验材料

根据前人研究，双晶出现的概率及体积（宽度）与颗粒粒径正相关（Rowe and Rutter，1990；Covey⁃Crump et al.，2017），为了更好地观察双晶现象，本文选取了成分较单一的、粒径较大的贺州大理岩作为研究对象.该大理岩采样于贺州市平桂区姑婆山岩体南缘，其由上泥盆统融县组（D₃r）灰岩受中生代岩浆侵入作用形成（张学义等，2021）.通过分别测量299个颗粒长轴A和短轴B的长度，最终得到平均粒径D为0.48 mm（平均粒径D=\sqrt[]{AB}）.对于矿物组成首先采用XRD（X-ray diffraction，X射线衍射）进行了矿物成分鉴定（图1），随后在显微镜下对大理岩的光薄片进行岩矿鉴定.两种方法鉴定结果基本接近，贺州大理岩中方解石含量为95%以上，另有少量白云石，是较为纯净的方解石大理岩.

在未加载的贺州大理岩中，方解石颗粒为他形粒状、无色，颗粒呈镶嵌状分布，颗粒边界有一定曲折，局部可见三边镶嵌的平衡结构.颗粒边界清晰，内部边界裂隙与穿晶裂隙都很少（图2）.光片中双晶表现为各种灰度的细线，解理基本不可见（图2）.双晶纹平直、基本无尖灭、无扭折，而且不仅单个双晶纹全长厚度无变化、颗粒内同组双晶的厚度也基本接近，这些特征为区分原始双晶与加载产生的机械双晶提供了对比依据.

1.2　试验方法

1.2.1　三轴压缩试验

根据ISMR标准将大理岩制成高100 mm，直径50 mm的圆柱形试样，试样上下两端平行且高度误差在0.02 mm以内.加载设备为INSTRON⁃1346岩石伺服系统试验机，轴压可达2 000 kN，压力跟踪补给能力为230 L/min.三轴加载试验围压为5 MPa，采用位移控制的加载方式，加载速率为0.001 mm/s.原计划分别将试样加载至进入屈服阶段、峰值强度附近、峰后阶段和应力软化阶段，然后卸载观察；实际试验中，发现峰值强度对应的应变范围较大，故增补2个试样，将其加载至峰值强度内的不同应变点.所以本研究共对6个试样进行了三轴加载.加载到目标状态后卸载，将试样用胶带固定并小心存放.

1.2.2　CT试验

本研究所有样品，除加载至应力软化阶段的试样3⁃T⁃4外，其余试样外部破裂并不明显，不能根据外部破裂确定内部剪切带的位置.为准确的确定内部剪切带的空间位置及发育状况，本研究使用了中国地质大学（武汉）工程学院实验室的Phoenix v|tome|x s CT扫描系统（图3）.将大理岩试样置入CT扫描设备内部实验台上，适当调整位置并固定.试样从端部开始扫描，设置扫描剖面间距0.01 mm，最后成图剖面间距0.1 mm.扫描结果包括二维剖面图与三维重构图.在灰度图像中，空隙、微裂隙、破碎区表现为深色；完整岩石、无微观缺陷区表现为浅色.

1.2.3　光学显微观测

光学显微观测的步骤较为繁杂，主要包括：（1）根据CT扫描结果，选择合适的竖直剖面将加载后的试样平均切割成两半；（2）将一半试样平均分割成10块小试样以满足镶嵌及磨抛设备的尺寸要求；（3）使用标乐公司Cast N’ Vac 1000冷镶嵌机进行镶嵌；（4）利用土耳其Metkon公司制造的Forcimat 102研磨抛光机进行试样磨抛，包括磨平、粗磨、细磨、抛光等多个程序；（5）将抛光好的试样置于Leica DM4500 P偏光显微镜下进行观测，捕捉需要的图片用于后续分析及统计.整个制备及观测流程见图4.相似的观测方法已经成功应用到方解石大理岩的双晶观测中（Olsson and Peng，1976；Cheng et al.，2016）.

本研究进行双晶发育特征定性分析时，利用了所有10个小块的光片观测结果.进行双晶定量统计分析时，由于双晶数据量很大，只对位于块1与块9中间区域（图4中绿色阴影区）的所有颗粒进行了测量统计.每块区域长约24 mm、高约0.6 mm，包含颗粒40~50个.这个测量范围主要依据Rybacki et al. （2013）（测量6个区域，每个区域约20个颗粒）、Covey⁃Crump et al. （2017）（测量范围4×4×7 mm³）的研究方法确定.

1.2.4　双晶定量统计

双晶定量统计分析的步骤为：将图4中块1与块9绿色阴影区域的显微图像按照某一固定比例尺捕捉后拼接成连续的图像；在图像中部横向布置一条测线，标记与测线相交的双晶和颗粒；测量并记录颗粒次序、双晶数量、双晶宽度数据；利用上述数据进行统计分析.

根据前人的研究方法（Rowe and Rutter，1990；Ferrill，1991；Rybacki et al.，2013；Covey⁃Crump et al.，2017），本文选择双晶密度、双晶发生率、双晶平均宽度和双晶最大宽度4项指标来评价双晶发育情况.各指标定义分别为——双晶密度N_L：测量范围内与测线相交的双晶总数量与测线长度的比值；双晶发生率I_{\tau }：与测线相交的颗粒中，发育双晶的颗粒数与所有颗粒数的比值；双晶平均宽度L_a ：测量范围内与测线相交的双晶总宽度与双晶总数量的比值；双晶最大宽度L_m：与测线相交双晶宽度的最大值.

统计测量时，显微图像中可辨识双晶的最小宽度范围为1~3 μm.同时，为了确保数据的可靠性，随机选取了7条与测线相交、粗细不等的双晶，分别在不同比例尺下测量双晶宽度，对比两次测量结果来确定测量误差.由表1可知，双晶宽度测量的绝对误差在±0.45 μm、相对差值在-16%~3%；双晶越细测量误差越大，总体较可靠.

2 宏观力学试验结果

2.1　应力-应变曲线特征

图5a显示了加载到不同阶段卸载的6个试样的应力-应变曲线.由于自然岩石试样个体之间的差异性，试验曲线并没有完全重合，但整体来看6个试样的应力-应变曲线趋势是大致相同的.曲线总体包括初始裂隙闭合段、弹性段、屈服段、峰值平台段及应变软化段.与常见的脆性破坏的岩石明显不同，贺州大理岩屈服段明显、峰值平台宽、峰后应力衰减缓慢、变形稳定，这表明此时贺州大理岩的变形破坏处于脆性-半脆性阶段.

以图5a的曲线数据为依据，图5b归纳了贺州大理岩的应力应变曲线及变形阶段，并在图5中标明了各个加载试样卸载时所处的位置.需注意，图5b中对各个试样位置的归纳以应变/变形为基础，同时参考了应力数据.例如，由于试样个体之间的差异，虽然试样3⁃T⁃5的应变大于试样3⁃T⁃4，但是从应力上看，前者刚刚跨过峰值平台、进入软化段，应力下降不到峰值的10%，而后者（3⁃T⁃4）已经进入软化段较长时间，应力下降达到30%，所以在图5b中，试样3⁃T⁃5的位置被标注在3⁃T⁃4之前.

由图5b可知试样3⁃T⁃8加载至屈服段；试样3⁃T⁃7加载至已进入峰值平台；试样3⁃T⁃6、3⁃T⁃1加载至越过峰值点，二者之间差别不易区分；试样3⁃T⁃5加载至屈服平台末，可能已进入峰后缓慢软化段；试样3⁃T⁃4则加载至明显软化阶段，应力下降速率较快.各试样所处变形破坏阶段符合加载计划.

2.2　变形与破坏特征

处于屈服阶段的3⁃T⁃8试样表面完整、无肉眼可见的破裂痕迹；试样中部区域的CT扫描结果也未显示任何微裂隙密集区（图6a）.进入峰值阶段的3⁃T⁃7试样表面有4 cm左右长度的破裂面；CT扫描结果显示试样为单面剪切破裂，上下两端已形成较明显破裂面、中部未贯通（图6b）.位于峰值平台、越过峰值点的3⁃T⁃6、3⁃T⁃1试样CT扫描结果为共轭剪切破裂，微裂隙集中区呈对角线分布，破裂面不明显；3⁃T⁃1试样微裂隙发育密度略大于3⁃T⁃6，故前者试样表面中部可见不太明显、2~3 cm长度的破裂面（图6c、6d）.进入缓慢软化阶段的3⁃T⁃5试样表面存在约7 cm长度的破裂面、顶部未贯通；CT扫描结果显示试样为共轭剪切破裂，中部微裂隙密度明显大于试样3⁃T⁃6与3⁃T⁃1，左下端已形成较明显破裂面（图6e）.位于明显软化阶段的3⁃T⁃4试样表明出现了贯通的剪切破裂面，破裂面从端部延伸至试样中上部，有一定的张开度，试样中部膨出；CT扫描结果显示试样为单面剪切破裂，破裂面斜向贯通整个试样，中部微裂隙密度小于共轭剪切破坏的试样（图6f）.

综合以上结果，贺州大理岩在5 MPa围压下的宏观破坏模式包括单面与共轭剪切破坏.随着加载程度的增加，试样3⁃T⁃8，试样3⁃T⁃7、3⁃T⁃6、3⁃T⁃1，试样3⁃T⁃5，试样3⁃T⁃4的破坏程度依次增加.

3 双晶发育特征

对于加载后的6个试样，定性上它们内部双晶发育的表观特征并无明显不同；而每一个试样剪切带内（主变形带内）与剪切带外的双晶则明显表现不同.定量上双晶宽度则随变形阶段存在一定的变化规律.

3.1　剪切带内双晶表观发育特征

因为试样中剪切带内（主变形带）与剪切带外的双晶有着明显不同的表现，故将二者分开陈述.结合前人对机械双晶的分析（胡玲等，2009），本节将剪切带内机械双晶的表观发育特征归纳为4点.

3.1.1　双晶分布局部化

在未加载的天然贺州大理岩中，原始双晶在晶粒内的分布基本是均匀的（图2），而经历过加载试验后，新发育的双晶常常只在颗粒内局部出现.在这种现象中，机械双晶常以大宽度、高密度的方式出现在晶粒内部一个小范围内；该范围上、下端部发育有主裂隙，双晶局部化形成的条带将上、下端裂隙连接（图7）.进一步变形时，局部化条带内微裂隙发育，主裂隙最终贯通（图7）.

图7的3个例子中，连接两条主裂隙的双晶局部化带（虚线所夹区域）的倾向都与双晶面的倾向相反，这造成上、下主裂隙产生的位移无法通过单个双晶的增宽来兼容，而只能通过产生大量双晶来协调变形.这一推测在双晶扭折与增宽现象中得到了支持.

3.1.2　双晶扭折

双晶扭折是岩石发生塑性变形的标志之一.解理面和双晶面等定向构造出现转折，但彼此之间并未丧失内聚力的现象称为扭折带.前人研究表明这种双晶特征通常在高温条件下出现，但是本研究在剪切带范围内也观察到这种现象（图8）.

图8展示的双晶扭折现象中存在共性，即剪切方向与双晶面大角度相交，双晶在整个颗粒内发育、在扭折带明显增宽.因为剪切方向与双晶面近似垂直，所以晶粒无法通过双晶滑移、增宽来协调剪切变形，只能出现位错并产生晶格弯曲，形成双晶扭折带.图8b提供了剪切方向与双晶方向关系不同时的对比——颗粒A中双晶面与剪切方向近似垂直，所有双晶在扭折范围内增粗；颗粒B中双晶面与剪切方向近似平行，所以只有部分双晶全长增粗明显、没有扭折现象.

双晶扭折现象往往出现在剪切变形带内.扭折处常见发育程度（长度、张开度）不同的裂隙，可能是因为变形量超出了扭折的兼容范围，需要裂隙协调.

3.1.3　双晶增宽及分叉

在天然贺州大理岩中，各组原始双晶在单个晶体内的厚度基本是一致的（图2），而对于加载后的贺州大理岩试样，颗粒内不同组双晶之间、同组双晶不同条之间都常常存在明显厚度差异，甚至一条双晶自身也常见厚度突变及分叉（图9）.这是加载时晶粒内部应力分布不均匀，双晶端部的应力集中程度不同导致双晶滑移量不同.一般应力较集中区域、应变越大的区域的双晶宽度更大.

图9a~9c中上下端破裂/裂隙的连线与双晶面倾向相同，使得两条破裂/裂隙之间可以通过部分双晶的增宽来协调剪切变形（图9a中的剪切位移达500 μm，所以虚线内颗粒双晶区域占据了主体）.试样中这一现象比双晶局部化、双晶扭折现象发育更为普遍.这一现象与双晶局部化、双晶扭折现象共同说明，双晶面走向与剪切方向之间的关系对双晶的表现有决定性影响.

图9d中的两组双晶，北东走向的一组宽度明显大于北西向；而且北东向一组内部不同条双晶之间也存在宽度明显不等的情况.这些都说明它们是由于此次加载形成的机械双晶.

此外，加载新生的机械双晶时常可见分叉行为，即双晶在一段长度上表现为单条双晶，然而在某处该双晶会出现分叉、分成两条甚至更多条厚度减薄的双晶（图9e）.在分叉处时常存在微裂隙，但并不必然存在.

3.1.4　双晶尖灭

新生的机械双晶并不总是完全贯穿单个晶粒，也可能会在传播的过程中于晶粒内部自然终止.双晶在晶粒内部厚度逐渐减小直至完全消失的现象叫尖灭（图10），它不同于双晶遭遇裂隙或边界突然终止的情况.天然贺州大理岩中的双晶未见尖灭特征.从图10中可以看出，当一组双晶传播到某个位置后逐渐开始尖灭时，该组内不同双晶的尖灭不是同时发生的，部分双晶可以传播更远才会终止.

3.2　剪切带外双晶表观发育特征

与原始试样相比，加载后6个试样剪切带外的双晶数量和宽度略有增加（图11），但并不明显.3.1节所描述的双晶表现，在剪切带外（主变形带外）很少见到.

3.3　机械双晶定量发育特征

依据1.2.4节的统计方法，对背景样3⁃S及加载后试样的块1和块9（图4）进行了双晶测量（试样3⁃T⁃6与3⁃T⁃1应力应变水平大致相同，因此只取3⁃T⁃6统计）.结果分析如下.

3.3.1　双晶密度和发生率

表2不仅列出了各个试块的双晶密度，还提供了依据各个文献公式得到的最大偏应力.与加载试样真实经受的最大偏应力为65~70 MPa（图5）相比，Rowe and Rutter （1990）公式的结果几乎是真实值的2倍，Sakaguchi et al. （2011）公式的结果很接近，而Rybacki et al. （2013）公式的结果则略偏小.这个结果说明，虽然观察方法不同，本文的数据总体上是可靠的.

图12表明与背景试样相比，加载后试样的双晶密度总体上有一定程度增加；然而这种增加并没有随应变（破坏程度）稳定变化，而是出现了一定波动.这说明贺州大理岩在5 MPa围压的加载条件下，虽然双晶密度受到加载的控制作用，但仍然明显受到其他因素（试样微观结构差异及测量误差等，见3.3.3节）的影响.

试样双晶发生率在65%~95%范围内波动，背景试样双晶发生率为88.5%，高于几个加载后的试样（图13）.这表明天然贺州大理岩中颗粒出现双晶的概率很高；对于天然条件下就没有双晶的颗粒，在5 MPa围压的室温条件下，加载不能够促使这些颗粒产生双晶，因而不能提高双晶发生率.结合双晶密度的统计结果——加载可以一定程度上提高双晶密度，那么可以推测出新生双晶更大的概率是出现在含原始双晶的颗粒内的.

综上所述，双晶密度与双晶发生率的统计结果表明，天然条件下贺州大理岩已经具有很高的双晶发生率，这导致其延性较强.在5 MPa围压的室温条件下，对于不含原始双晶的颗粒，加载很难在这些颗粒中诱发产生新双晶；对于存在原始双晶的颗粒，加载可以一定程度上促进双晶在该颗粒内的增生.

3.3.2　双晶宽度

(1)双晶平均宽度.在加载过程中，各试样双晶平均宽度在1.4~2.2 μm内波动，受应变影响的规律不明显（图14）.这说明对于试样整体而言，加载导致的双晶平均宽度增加可以忽略.

(2)双晶最大宽度.与双晶平均宽度不同，试样中双晶最大宽度则表现出明显的随着应变的增加趋势（图15a）.在峰值阶段前，试样3⁃S与3⁃T⁃8双晶最大宽度均值很接近，在5.5 μm左右；达到峰值阶段后，双晶最大宽度随着应变稳定增加，从试样3⁃T⁃7的5.9 μm持续增加到试样3⁃T⁃4的14.6 μm.结合双晶平均宽度的结果可知，加载导致的双晶宽度的明显增加只发生在极少量双晶中；这一点与前述的剪切带内双晶增宽明显、剪切带外双晶增宽不明显的观察结果是一致的.

双晶最大宽度由每个试块中宽度最大的双晶决定，即一条双晶的宽度就代表了试块的结果，统计随机性较大.为此，对测量范围内每个颗粒中宽度最大的双晶进行统计，将宽度累加得到图15b.

可以看到，随着应变的增加，累计双晶最大宽度也逐渐增加，并在到达峰值应力后逐渐趋于稳定.峰值应力末端试样3⁃T⁃6的结果（100.2 μm）是背景试样3⁃S（31.9 μm）的3倍左右.

根据宽度统计结果、结合图像观察可知，在5 MPa围压的室温条件下，加载总体上只能促使剪切带范围内的少数颗粒及其他颗粒中的极少数双晶发生明显增宽行为.这部分双晶数量占总体双晶数目比很小，以致双晶最大宽度随加载有明显增加，而双晶平均宽度基本不随加载变化.

3.3.3　粒径的影响

晶粒中产生双晶时需要的应力称为临界剪应力（critical resolved shear stress），多数研究者认为试样中不同位置产生双晶时需要的临界剪应力是不同的（Christian and Mahaja，1995；Covey⁃Crump et al.，2017），双晶更易于在应力、应变集中的地点产生，比如颗粒边界与晶格缺陷点，因此双晶的形成对岩石的微观结构较为敏感.部分研究结果显示双晶密度随着颗粒粒径的增加而增加，而双晶发生率则与粒径无关（Beyerlein et al.，2011）；而另外的研究者则发现双晶发生率随着颗粒粒径的增加而增加，而双晶密度则与粒径关联不明显（Rowe and Rutter，1990）.总体而言，双晶产生受到平均粒径与粒径分布的影响，粒径越小、越不容易产生机械双晶（Covey⁃Crump et al.，2017）.

本研究选用的贺州大理岩粒径大、分布较不均匀.现将双晶测量时的测线长除以被测量的颗粒数可得到各试块的“平均粒径”（表3），以此来评价各个试块中颗粒尺寸的相对大小.

虽然计算方法不同，但表3的数据显示该评价方法得到的总体平均粒径（0.50 mm）与1.1节的0.48 mm很接近，这证明了粒径结果的可靠性.其中，试样3⁃T⁃8、3⁃T⁃6与平均粒径表现出较大的偏差——前者粒径是后者的3倍以上.根据上述关于粒径对双晶行为影响的研究结论，可以推测在相同荷载下，试样3⁃T⁃8应该具有较高的双晶密度或双晶发生率，试样3⁃T⁃6则应具有较低的双晶密度或双晶发生率.该推论不影响3.3.1节的结论，但部分解释了图12和图13中的不正常波动，即试样3⁃T⁃8表现出最高的双晶密度与双晶发生率、而试样3⁃T⁃6却表现出最低的双晶密度与双晶发生率.

4 讨论

本研究发现剪切变形带内机械双晶的表现明显不同于变形带之外的区域，双晶的增宽、局部化、扭折等特点集中于剪切带内，剪切带外只零星存在.这表明双晶的增殖受到剪应变的控制，这一点前人在其他大理岩及灰岩的研究中也已经发现（Burkhard，1993；Ferrill et al.，2004；González⁃Casado et al.，2006；Rybacki et al.，2013）.然而，前人的研究更为关注温度、应力、应变、粒径等因素对双晶发育定量指标（双晶密度、厚度等）的影响（Rowe and Rutter，1990；Burkhard，1993；Ferrill et al.，2004；Rybacki et al.，2013，2021；牛露，2021），他们观测的试样基本都位于应变硬化阶段，微观变形机制以双晶为主，少见微观裂隙，没有将宏观剪切破裂与双晶行为结合研究，因此本研究揭露的双晶表观特征与微裂隙及剪切方向紧密相关的现象前人未有系统总结.

大理岩的组成成分主要为方解石与白云石，不同矿物组成的大理岩的宏观力学性质（谢欣玥等，2024）及受力时微裂纹发展（赵小平等，2012）有很大的区别；特别地，白云石只有一组双晶滑移系，而方解石则有3组（Barber and Wenk，1979）.本文的贺州大理岩为较纯净的方解石大理岩，因此，白云石大理岩应该较难得到本文观察到的现象与结论.针对全部矿物近似为方解石的大理岩，它们的宏观力学性质也有一定可能存在较大区别，例如Saillon大理岩在5 MPa围压时表现出明显脆性、且峰值应力接近200 MPa，这明显区别于Wombeyan、Cararra与贺州3种大理岩（Fredrich et al. 1990；谢欣玥等，2024）.后3种大理岩在5~10 MPa围压的条件下，都呈现出稳定的塑性变形、且最终出现应变软化，对应峰值应力也低于100 MPa.从这个角度出发，本文由贺州大理岩得到的现象与结论很可能适用于Wombeyan与Cararra大理岩，可能适用于Saillon大理岩；但不同的大理岩得到该现象的围压存在不同.

从微观角度出发，本次试验贺州大理岩的微观变形机制特征是在微裂隙大量产生的同时发育有较多双晶.这一特征在Tennessee方解石大理岩（Olsson and Peng，1976）与Carrara方解石大理岩（Cheng et al. 2016；Rybacki et al. 2021）中都有观察到，而且二者中都存在个别双晶增宽的现象与贺州大理岩一致.结合上述宏观力学性质的比较，可以比较确信本文的现象及结论适用于Wombeyan、Cararra与Tennessee大理岩；可能适用于Saillon等其他方解石大理岩，这取决于在某一特定围压条件下，这些大理岩能否在产生宏观剪切破裂的同时可以发育较多双晶.

5 结论

本研究通过低围压下的三轴压缩试验，在贺州大理岩中诱发了不同发展程度的剪切破裂. 随后利用CT扫描选择了最佳剖面进行显微观察，重点分析了剪切破裂时双晶在试样整体及剪切变形带中的不同表现，并讨论了双晶密度、双晶发生率、双晶宽度等定量特征与加载变形程度的关联性.研究结果表明在5 MPa围压条件下：

（1）原始双晶的普遍存在是贺州大理岩显示弱脆性变形（宽缓塑性平台）的微观机制；机械双晶的增生、增宽集中于剪切变形带，表明机械双晶的出现主要受剪切应变控制.

（2）剪切变形带的双晶明显区别于外部双晶，具有局部化、扭折、增粗、分叉及尖灭的表观特征，具体表现受剪切方向与双晶面倾向之间的相对关系控制.然而，这些定性特征在屈服后的不同破裂阶段并无明显不同.

（3）试样整体的双晶密度随加载略有增加，而双晶发生率则维持高位、无明显变化规律.

（4）双晶平均宽度不受加载影响，而双晶最大宽度则随试样变形破坏程度稳定增加，这证明当前的加载条件总体上只能促使少数双晶发生明显增宽行为.

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基金资助

国家自然科学基金面上项目(42177161)

湖北省自然科学基金资助项目(2022CFB105)