作为上地幔的主要造岩矿物之一，单斜辉石可以储存比其他矿物（橄榄石、斜方辉石）更多的结构水；而且由于地幔不均一性、交代作用和地壳循环等，透辉石在上地幔局部区域富集。因此，研究水对单斜辉石流变行为的影响对于理解上地幔很多地质动力学过程至关重要。然而，已有的流变学研究多针对壳源的Sleaford Bay次透辉石开展，且含水实验多采用滑石脱水组装在水饱和条件下开展，过剩的颗粒边界水，很可能高估水对单斜辉石流变行为的影响；且自然界中的岩石塑形变形多发生在水不饱和条件下。

为了更好地理解上地幔中单斜辉石的流变行为，中国科学院广州地球化学研究所李建峰博士与宋茂双研究员等采用含有一定量结构水的天然透辉石颗粒（富镁，与幔源单斜辉石成分接近）为初始原料，热压合成水不饱和多晶集合体，然后利用气体介质Paterson流变仪在~300MPa围压、1323-1523K温度和10^-6–10^-4 s^-1应变速率下开展了轴向压缩实验；红外光谱分析表明变形实验在水不饱和条件下开展。

显微结构观测表明，透辉石多晶集合体主要在位错蠕变域变形（图1）；对力学数据拟合获得透辉石多晶集合体在水不饱和条件发生位错蠕变的幂律流变方程参数：应力指数n为 4.3 ± 0.3, 活化能Q为427 ± 31 kJ/mol和水含量指数r为1.2 ± 0.2（图2）。将流变律外推到无水和水饱和条件下，发现利用流变律计算的流变强度与由变形实验测定的流变强度基本一致，但在水饱和条件下存在颗粒边界水的贡献（图3）。我们的研究成果表明，透辉石或上地幔单斜辉石发生位错蠕变在无水条件下具有与橄榄石相当的强度，但是在水饱和条件下比橄榄石弱。因而，在上地幔中单斜辉石富集区域，透辉石应当主导岩石变形。

图1 透辉石多晶岩变形样品的TEM图像：自由位错、位错网和阵列分布的位错表明透辉石变形在位错蠕变域

图2 水不饱和条件下透辉石多晶集合体变形力学数据与流变参数计算

图3 流变律外推至无水和水饱和条件以及与实验数据对比图

相关成果近期发表于《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》。李建峰为文章第一作者，宋茂双研究员为通讯作者。该项研究成果获得了中国科学院先导项目（B）（XDB0840200）国家自然科学基金（42172243；42374122；）和广东省基础与应用基础基金（2022A1515011000）等项目的联合资助。

论文信息：Jianfeng Li（李建峰）, Maoshuang Song*（宋茂双）, Hao Wang（王浩）, Guinan Zhang（张桂男）, Shenghua Mei（梅圣华）, Xiaodong Zheng（郑小东）, Xiaoning Wang（王晓宁）, Zhexuan Jiang（姜哲轩），2024. Dislocation creep of diopside aggregates under unsaturated hydrous conditions at a confining pressure of 300 MPa. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, e2024JB029472

论文链接： https://doi.org/10.1029/2024JB029472