作為上地幔的主要造巖礦物之一，單斜輝石可以儲存比其他礦物（橄欖石、斜方輝石）更多的結構水；而且由于地幔不均一性、交代作用和地殼循環等，透輝石在上地幔局部區域富集。因此，研究水對單斜輝石流變行為的影響對于理解上地幔很多地質動力學過程至關重要。然而，已有的流變學研究多針對殼源的Sleaford?Bay次透輝石開展，且含水實驗多采用滑石脫水組裝在水飽和條件下開展，過剩的顆粒邊界水，很可能高估水對單斜輝石流變行為的影響；且自然界中的巖石塑形變形多發生在水不飽和條件下。
為了更好地理解上地幔中單斜輝石的流變行為，中國科學院廣州地球化學研究所李建峰博士與宋茂雙研究員等采用含有一定量結構水的天然透輝石顆粒（富鎂，與幔源單斜輝石成分接近）為初始原料，熱壓合成水不飽和多晶集合體，然后利用氣體介質Paterson流變儀在~300MPa圍壓、1323-1523K溫度和10-6–10-4?s-1應變速率下開展了軸向壓縮實驗；紅外光譜分析表明變形實驗在水不飽和條件下開展。
顯微結構觀測表明，透輝石多晶集合體主要在位錯蠕變域變形（圖1）；對力學數據擬合獲得透輝石多晶集合體在水不飽和條件發生位錯蠕變的冪律流變方程參數：應力指數n為 4.3?±?0.3,活化能Q為427 ± 31 kJ/mol和水含量指數r為1.2?± 0.2（圖2）。將流變律外推到無水和水飽和條件下，發現利用流變律計算的流變強度與由變形實驗測定的流變強度基本一致，但在水飽和條件下存在顆粒邊界水的貢獻（圖3）。我們的研究成果表明，透輝石或上地幔單斜輝石發生位錯蠕變在無水條件下具有與橄欖石相當的強度，但是在水飽和條件下比橄欖石弱。因而，在上地幔中單斜輝石富集區域，透輝石應當主導巖石變形。
圖1 透輝石多晶巖變形樣品的TEM圖像：自由位錯、位錯網和陣列分布的位錯表明透輝石變形在位錯蠕變域
圖2 水不飽和條件下透輝石多晶集合體變形力學數據與流變參數計算
圖3?流變律外推至無水和水飽和條件以及與實驗數據對比圖
相關成果近期發表于《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》。李建峰為文章第一作者，宋茂雙研究員為通訊作者。該項研究成果獲得了中國科學院先導項目（B）國家自然科學基金和廣東省基礎與應用基礎基金等項目的聯合資助。
論文信息：Jianfeng Li（李建峰）,Maoshuang Song*（宋茂雙）,Hao Wang（王浩）,Guinan Zhang（張桂男）,Shenghua Mei（梅圣華）,Xiaodong Zheng（鄭小東）,Xiaoning Wang（王曉寧）,Zhexuan Jiang（姜哲軒），2024.?Dislocation creep?of diopside aggregates under unsaturated hydrous conditions at a confining pressure of 300 MPa. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,e2024JB029472
論文鏈接：?https://doi.org/10.1029/2024JB029472
附件下載：