石榴子石是榴辉岩、石榴麻粒岩及石榴橄榄岩等多种壳幔岩石的重要组成矿物,具有比与其共生硅酸盐矿物更高的流变强度和脆-韧性转变温度,其流变学性质是影响板块俯冲和折返动力学过程的关键因素之一,而研究其显微构造是获得这些动力学过程中流变学信息的重要途径。本论文以大别-苏鲁变质带典型超高压榴辉岩和造山带石榴橄榄岩为样品,首先借鉴橄榄石位错构造高温氧化缀饰法和晶体缺陷预熔理论建立了石榴子石位错构造预熔缀饰方法,并将其应用于石榴子石位错密度差异应力计的优化研究,然后综合利用该缀饰方法和电子探针、红外光谱、显微CT、电子背散射衍射及透射电镜等多种微观分析技术研究了不同变形程度石榴子石的颗粒形态、位错及其亚构造组态等显微构造特征与化学成分、差异应力及结构水赋存状态的关系,总结了其塑性变形过程及变形机制,主要获得了如下认识:(1)榴辉岩和石榴橄榄岩中石榴子石位错构造缀饰实验表明,其自由位错和亚晶界可通过高温处理(940-1020°C)而被缀饰出来,其缀饰温度与镁铝榴石端元含量呈正相关。在光学显微镜反射光模式下,缀饰出的自由位错及位错列、位错壁等亚晶界构造形态与透射电镜明场像模式下的典型位错组态相似,主要呈暗色的短线状、斑点状、环状或半环状以及它们的各种组合形态。基于二次电子像和原子力显微镜的形貌分析结果表明,缀饰区域因体积膨胀而凸出于抛光表面,进而导致反光镜下入射光发生不规则折射而显示为暗色线条。基于背散射电子像、拉曼光谱和透射电镜的成分和结构分析结果表明,缀饰线条是由位错和亚晶界等晶体缺陷部位发生了微量熔融而形成的。在晶体表层熔融区域因氧逸度较高形成赤铁矿 磁铁矿 熔体的物相组合,而晶体内部则由于氧逸度较低形成了含铝磁铁矿微晶 熔体的物相组合。因此,石榴子石的这种位错高温缀饰机制与橄榄石的氧化缀饰不同,应属于预熔缀饰机制。这种位错构造缀饰方法可称为预熔缀饰法,为研究石榴子石位错构造特征及其地质意义提供了新的途径。(2)分别利用位错构造预熔缀饰法和氧化缀饰法对碧溪岭、南山岭及许沟地区的造山带石榴橄榄岩中石榴子石和橄榄石的位错构造研究结果表明,橄榄石位错密度约是与其共生石榴子石的10～20倍,其分布范围分别为5.00～12.10×10~6cm~(-2)和1.46～5.22×10~5cm~(-2)。将橄榄石位错密度代入其差异应力计得到三地样品的差异应力分布在24.87～38.69MPa之间。根据本论文和前人的实验数据,发现当石榴子石的材料系数修正为2.8的时候,其差异应力计计算结果和与之共生橄榄石的差异应力比值更接近1:1等值线,据此计算的石榴子石差异应力更具有代表性。(3)利用红外光谱和透射电镜对双河榴辉岩中石榴子石结构水赋存状态和位错构造特征的研究表明,石榴子石颗粒平均水含量为66～2256ppm,主要以水合钙铝榴石置换机制的方式存在,但3600-3655cm~(-1)和3540-3580cm~(-1)之间的OH吸收峰分别是由不同大小的水合钙铝榴石和钙铁榴石分子团引起的,表明结构水在颗粒内部存在着微米-纳米尺度上的不均一性分布特征。这些颗粒的位错密度和亚晶界密度分别为1.22～15.55×10~6cm~(-2)和1.61～24.34×10~5cm~(-2),其相应的差异应力为65～234MPa。通过对比它们与水含量的关系发现,前者主要受差异应力控制且与水含量没有相关性,而后者则呈正相关关系。由于亚晶界是自由位错通过滑移和攀移运动形成的,它们与水含量的关系说明结构水可以促进位错的运动和增殖速度,即在协助差异应力维持位错密度稳定的同时形成更多亚晶界,促使石榴子石变形进入动态恢复和动态重结晶阶段。(4)利用位错构造预熔缀饰法和多种微观分析技术对大别超高变质带典型片麻岩中、硬玉石英岩中、大理岩中及与石榴橄榄岩共生榴辉岩中石榴子石的宏观和微观构造特征、化学成分、结构水赋存状态及其相互关系的研究表明,其石榴子石变形程度与围岩性质、化学成分、粒度大小、差异应力及变形阶段有关。比如变形条件较为相似的片麻岩中榴辉岩的石榴子石变形程度与粒度、位错密度、Flinn系数呈负相关,并与亚晶粒发育程度呈正相关,表明其塑性变形是由伴随恢复和动态重结晶作用的位错蠕变机制主导。根据石榴子石形态和位错构造特征可将塑性变形过程分为位错蠕变初始、位错蠕变、动态恢复和动态重结晶4个阶段,其中以位错蠕变为主导的较弱-中等榴辉岩样品中石榴子石记录的古差异应力(50～60MPa)应能代表峰期变质阶段的应力状态。