再结晶

冰川冰的晶体大小不同和程度联锁。如果没有焊接在晶界,例如,一些多晶冰样品大概会分裂成一堆等分的谷物,几毫米的最大尺寸,而另一些人将团结在一起就像一个三维拼图。我们将使用术语晶体大小的纹理来引用这些特征

图4.10。应力-应变率数据冰在-10°C。Duval et al(改编同意从1983年,图2。版权1983年美国化学学会)。

10 - 1 100 101 10轴向压力,MPa

图4.11。由于释放储存的弹性应变能扭转蠕变卸载的一个示例。最初的加载示例1 MPa。0时刻,压力降低了0.06 MPa(上曲线)和0.13 MPa(较低的曲线),分别。水平部分的曲线反映了平衡进一步降低应力下的蠕变和延迟弹性应变能的释放。Duval et al .(改编许可1983,图5。版权1983年美国化学学会)。

以来减压,分钟

图4.11。由于释放储存的弹性应变能扭转蠕变卸载的一个示例。最初的加载示例1 MPa。0时刻,压力降低了0.06 MPa(上曲线)和0.13 MPa(较低的曲线),分别。水平部分的曲线反映了平衡进一步降低应力下的蠕变和延迟弹性应变能的释放。Duval et al .(改编许可1983,图5。版权1983年美国化学学会)。

和形状。此外,长期紧张的c-axes晶体开发各种各样的优先方向,或织物。纹理和结构影响的流变学冰。

为了研究这些过程,冰川学家,像岩石学家,用薄片。薄片通常有些不到一毫米厚,60 - 80毫米。当偏振光通过一个薄片,然后通过面向另一个偏振滤光镜观察在直角第一,单个晶体可以看到由于晶体结构旋转,当光线穿过晶体,和旋转的数量取决于晶体的取向。因此认为,不同的水晶有不同的颜色(或灰度色调的黑白图像,图4.12)。使用一个通用的阶段薄片可以围绕垂直轴旋转和倾斜约两个互相垂直的水平轴,晶体可以面向c-axes垂直。在这个方向,水晶是黑色的阶段是绕着它的垂直轴的旋转。然后指出晶体的方向并绘制等积的净(图4.13)。解释这样一个情节,想象一个半球的凸边和晶体的中心。水晶的c-axis相交的半球。织物上的点图类似于图4.13是这个交点的投影到平面上。因此,一个垂直c-axis情节的中心

图4.12。薄片的照片从极北之地附近的格陵兰冰盖的冰。照片拍摄在交叉偏振器。不同的灰度色调谷物反映c-axes的不同取向。(a)初始结构形成的压实的雪,添加少量的水融化。c-axes已经疲软的择优取向,对垂直方向的偏好。(b)产生的纹理与很少或没有变形晶粒生长。c-axes仍有弱垂直择优取向。(c)纹理多边形化的结果。相邻颗粒几乎相同的灰度色调(箭头)c-axes,几乎是平行的。 The grain in the lower center is bent; in the one to left of center, distinct boundaries have formed between parts with slightly different orientations. (d) Texture following significant deformation. Grains are interlocked, and c-axes have a strong preferred orientation. (From Hooke, 1970.)

图4.12。薄片的照片从极北之地附近的格陵兰冰盖的冰。照片拍摄在交叉偏振器。不同的灰度色调谷物反映c-axes的不同取向。(a)初始结构形成的压实的雪,添加少量的水融化。c-axes已经疲软的择优取向,对垂直方向的偏好。(b)产生的纹理与很少或没有变形晶粒生长。c-axes仍有弱垂直择优取向。(c)纹理多边形化的结果。相邻颗粒几乎相同的灰度色调(箭头)c-axes,几乎是平行的。 The grain in the lower center is bent; in the one to left of center, distinct boundaries have formed between parts with slightly different orientations. (d) Texture following significant deformation. Grains are interlocked, and c-axes have a strong preferred orientation. (From Hooke, 1970.)

圆的,c-axis浸渍“南部”情节之间的中心和圆的底部。等积的点通常标注在施密特净;这净设计这样一个单位面积上半球地块为单位面积净。因此,c-axis浸渍在45°实际上情节大约55%的净的中心距离边界。

W”

图4.13。冰晶体面料中观察到的例子。情节是预测低半球等积的网。三角形边节目方向伸长的泡沫。在面料生产的简单的剪切,剪切方向,箭头所示,假定是平行于泡沫伸长。所有面料除了(c)测定在核心从水井巴恩斯冰帽(图4.15);(c)示意图。(a)织物较差的择优取向c-axes叠加的冰。(b)织物产生的单轴压缩正常的飞机图。(c)示意图织物在纯剪切形成的。 (d) Broad single-maximum fabric. (e, f, g) Fabrics resulting from simple shear in plane of diagram. ((a) and (d)-(g) from Hooke and Hudleston, 1980; (b) from Hooke and Hudleston, 1981.)

冰形成压实的雪,或许有一些渗透融水,通常由2 - 4毫米直径的晶体(图4.12)。通过一系列的流程,我们将参考,总的来说,动态再结晶,这冰的纹理和结构变形期间改变。动态再结晶,或简单的再结晶,是当地高内应力的结果上面所提到的,和由此产生的广泛不同的内部能量在邻近的谷物。

一个或多个三可能参与再结晶过程。为了增加相邻颗粒之间能量差,这些都是晶粒生长,多边化,成核的新谷物(杜瓦和卡斯特尔诺,1995)。(注意,这些过程中不同作者的术语)。晶粒生长相对缓慢的晶界迁移的结果。这种迁移是由自由能的减少伴随的总面积减少晶界(Montagnat所得钱款,2000)。典型的利率从~三毫米在-30°C和a - 1 1 kPa(本地驱动压力)~ 10毫米在-10°C和a - 1 300 kPa(所得钱款et al ., 1983)。迁移是由晶界的曲率驱动的。更高的压力出现在凹边的边界,这是一般的小颗粒,和分子倾向于从高压侧到低压侧边界(小巷,1992)。因此,小晶体消失。结果是一个纹理特征对应点晶体相对统一的大小(图4.12 b)。 Because temperatures in the accumulation zones of极地冰盖相对恒定的几百米深的地方(见图6.6),晶界迁移发生在相对恒定的速率,因此晶粒尺寸随深度增加近线性。在更大的深度,晶粒尺寸变得大约因为polygoniza-tion不变,减小晶粒尺寸,晶粒生长平衡(小巷et al ., 1995)。

多边形化(也称为旋转再结晶)涉及的一致性混乱组建一个新的晶界内弯曲晶体。水晶因此分为两个谷物和几乎相同的方向(图4.12 c,箭头)。相对高应变率下,多边形化始于株~ 1%(杜瓦和卡斯特尔诺,1995),但在更低应变率中部地区发现的大陆冰盖,累积压力接近100%,也不会造成多边化(小巷,1992)。因此,多边形化发生在相对浅深在温带冰川,但通常是发现只有在深度大于在极地冰盖几百米。

成核的新谷物需要面向小型谷物的外表容易滑动,与他们的基底平面平行于最大剪切应力得到解决。当他们第一次出现,这些谷物与相邻老变形相比相对不牵强附会的谷物。系统的自由能可以降低边界的新谷物迁移到邻近的新谷物生长的旧(小巷,1992)。这可能是部分原因联锁纹理的高度变形冰(图4.12 d)。

这种成核和晶粒生长(也称为迁移再结晶)主要发生在较高应变率和温度高于10°C。因此基底冰在温带的冰川和冰的特点在极地冰盖的最低几百米。

开发面料c-axes的首选方向

只是指出,新有核不牵强附会的晶体倾向于牺牲大变形的增长。然而,随着他们的成长,持续紧张逐渐旋转方向,不再是最优的,并且他们开始积累应变能。因此他们,反过来,甚至最终被更新的谷物。它与基底飞机产生的偏好取向平行于最大剪切应力解析导致蠕变速率的增加,后在实验室的实验中,约1%应变(图4.8 b)。的首选方向c-axes是这种偏好的表现(图4.13)。因此两种基本过程参与的发展这些c-axis面料:再结晶和晶粒旋转。

让我们说明这些过程通过跟踪此类面料的开发,从附近的冰表面积累区域(图4.12)。晶体的c-axes均匀分布或有弱偏好垂直方向(图4.13)。后者可能结果取向的雪花薄圆盘形状,因此,像一堆筹码,平躺在积累。此外,垂直温度梯度在烧结中可能有一定的影响。

随着冰变得埋,垂直压缩和拉伸纵向和横向有时也。哪里的纵向和横向应变率与大小,应力场称为单轴压缩(图4.14),而如果横向应变率可以忽略不计是纯剪(图4.14 b)。在这种压力配置,滑最容易发生在基底平面的晶体c-axes在~ 45°斜压缩轴(图4.14 d)。因此晶体在这个方向有核,这些晶体生长的相邻高度强调的,导致一个锥形

单轴压缩

压缩

^ ^解决剪切

扩展

纯剪

压缩

简单剪切

压缩

扩展

纯剪

图4.14。和他们的关系取向c-axes压力配置。(一)单轴压缩。纯剪切(b)。没有图的平面应变正常的。(c)简单的剪切。(d) c-axes、基底的飞机在单轴压缩新有核的晶体或纯剪。继续压缩,c-axes旋转的轴向压缩。(e)简单剪切认为平行剪切方向与基底飞机也平行于织物的剪切方向图4.13 f。符号(+)和Q表示应力矢量定向的页面,分别。 (f) Simple shear viewed normal to the shear direction with basal planes inclined to the shear direction as in the fabric of Figure 4.13g. In (d)-(f) short-dashed lines show orientations of basal planes.

分布在单轴压缩c-axes(小圆织物:图4.13 b。)和两个极大值一致的方向扩展在纯剪切(图4.13摄氏度)。(小圆织物通常也称为带面料,虽然“腰带”意味着一个大圆)。垂直压缩和横向扩展,然而,旋转基底的作用飞机左侧顺时针和逆时针右边图4.14 d。因此,随着晶体生长,c-axes向压缩轴旋转(小巷,1992),结果意味着压缩轴之间的夹角和c-axes通常只有30°~ -35°,不是45°(Kamb, 1972;胡克和Hudleston, 1980)。晶体的旋转太远,因此变得高度紧张,再吸收,而新晶体成核发展更有利的方向。

如果冰在这个深度接近床上,拖床结果施加的压力配置近似简单剪切平行于床上(图4.14摄氏度)。晶体与垂直c-axes然后优先。由此产生的面料,这是常见的在冰盖(麻醉品和威廉姆森,1976;胡克和Hudleston, 1980),有一极大值,从相对广泛(图4.13 d)很紧(图4.13 e)。

面料在图4.13 b, c, d似乎都形成压力大致相当的累积。它们之间的差异主要是由压力引起的配置。作为一个类,我们将称他们为广泛single-maximum面料。

尽管蠕变速率的增加与再结晶通常开始于有效的菌株,ee(见方程(2.11))~ 0.01(图4.8 b),在实验室广泛single-maximum(等效)面料并不是特别明显,直到ee = 0.04,只有成为发达ee = 0.4 (Kamb, 1972;Jacka Maccagnan, 1984)。,胡克和Hudleston(1980)发现,这种面料首先出现在ee -0.8 = 0.7。作为参考,圆已变形到椭圆的菌株这些大小有轴向比率为1.02,1.08,2.22 ~ 4.5,分别。因此,蠕变率增加之前检测到首选c-axis方向发展。

在简单剪切在低温或高应变率(或高累积压力),single-maximum织物加强(图4.13 e)。然而,在低应变率和温度高于-10°C,出现一个意想不到的织物。首先,单一最大分裂为两个,最大剪切方向的两侧(图4.13)。基底平面对应于这些c-axis取向仍然剪切方向平行,但没有最优方向(图4.14 e)。增加累积应变,应变率,或温度,第一个和第二个最大的方向似乎倾向于剪切(图4.13克和4.14 f)。这些飞机绝对不是面向滑移,因此必须强化冰,至少。这些面料多极值出现在ee = 1.3(胡克和Hudleston, 1980)。对应的轴向应变椭圆~ 15的比例。

这些多极值面料不是理解的起源。他们一直归因于退火条件下接近停滞(巴德和Jacka, 1989),已经在实验室中重现

小

.Boreholes

面向弱Single-maximum”

多极值

800牛

Single-maximum 4

.Boreholes

800牛

600 -

面向弱Single-maximum”

多极值

Single-maximum 4

600 -

分裂,距离公里

白色泡沫(更新世)冰| |变形叠加冰垂直夸张,4 x

图4.15。垂直截面沿着一条流水线上巴恩斯冰帽显示区域特殊面料的特征。箭头显示核心的位置用于确定织物类型。(胡克和Hudleston之后,1980)。

通过不断压缩样本然后退火(黄et al ., 1985)。然而,这些过程不符合的发生此类面料在冰积极变形,如巴恩斯冰帽(图4.15)(胡克和Hudleston, 1980)。

松田和Wakahama(1978)测量了a-axes的方向以及c-axes与多极值冰面料。为了做到这一点,他们在薄片观察腐蚀坑。在冰four-maximum面料,他们发现a-axes相邻晶体系统一致的方式提出机械孪生。指出需要强烈的剪切变形在高温下产生这样的面料,他们建议产生的大量的塑性应变能量从而可以被传播的双边界不改变相对结构晶体或晶界结构之间的关系,并没有导致强烈的泡沫伸长。

因为各种面料看起来相当特定条件下形成的累积应变,应变率,和温度,因为这些参数都随深度的增加系统的冰川积累区,织物类型也随深度。例如,在巴恩斯冰盖从弱面向广泛single-maximum(或同等)面料发生在80 - 140米深处,和广泛的单一最大让位给多极值面料在140 - 200米(图4.15)。在伯德站在南极洲,过渡到广泛的单一最大面料(小圆品种)发生在~ 350米的深度。然后,一个强大的single-maximum织物出现在~ 1200 m和多极值面料出现在~ 1830米。温度的差异可能是主要负责不同深度转换,虽然累积应变可能也扮演了一定的角色;巴恩斯

冰帽是接近或超过-10°C,而伯德车站温度超过-10°C仅低于1900米。在巴恩斯冰帽,各层向外流水他们成为消融区暴露在地表(图4.15)。

总结

鉴于这些不同的再结晶和晶体变形的过程,有人可能会问我们应该如何可视化poly-crystalline冰晶粒间规模的变形。现有证据表明,压力是异类,晶内滑移发生在基底平面内个人谷物,这种滑移导致内部晶体结构的旋转,这成核颗粒与基底平面平行于最大剪切应力解析和吸收的谷物旋转的定位结果与首选面料的发展方向。相邻颗粒之间的不匹配所导致的不平等在晶界滑动是通过晶粒间迁移和谷物的旋转和翻译。这些晶粒的过程因此可能速度限制。计算机模型将这些原则成功模拟织物的许多特点和演变在冰盖(Etchecopar, 1977;和Whillans范德维恩准备研究,1994)。

继续阅读:变形机制的地图

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