中国大陆科学钻探主孔100～2000m岩石热导率及其各向异性:对研究俯冲带热结构的启示

系统研究了中国大陆科学钻探工程主孔100-2000米岩石的热导率和生热率特征。初步研究了岩石热导率随矿物组成的变化关系、岩石热导率的各向异性及其影响因素。主孔2000米的岩心热导率介于1.873-4.062 Wm-1K-1之间,平均热导率2.967 Wm-1K-1。整体上热导率出现的频率主峰分布在2.8-3.0 Wm-1K-1。榴辉岩热导率随着其退变质程度的增加而降低,新鲜榴辉岩热导率集中分布于3.6-3.7 Wm-1K-1,角闪石化榴辉岩的热导率分布在3.1-3.2 Wm-1K-1,强退变的榴辉岩热导率分布于2.4-2.5Wm-1K-1。片麻岩热导率主要分布于2.8-3.0Wm-1K-1。从垂向上看,主孔100-735米主要由榴辉岩组成,热导率整体比较大,平均3.265 Wm-1K-1;1200-1600米主要以花岗质片麻岩为主,热导率比其它层位偏低,平均2.755 Wm-1K-1。通过对面理发育的样品进行测试,东海地区各类岩石的热导率具有较明显的各向异性。榴辉岩和片麻岩热导率的各向异性平均值分别为4.66％和22.99％,超基性岩的热导率平均值为3.322Wm-1K-1,各向异性 16.08％。岩石热导率在垂直于面理的方向上具有最小值,在平行于面理的方向上具有最大值。上述资料对超高压地体热结 构特征的研究提供了重要数据基础。

利用超高压变质岩的P波速度估算地下岩石的热导率

岩石热导率是了解地球内部热传导过程的重要参数之一，但热导率的测量在室内和野外都比较复杂．如何利用容易获得的岩石物理参数（如超声波速度）来估算岩石的热导率就显得非常重要．通过对中国大陆科学钻探（CCSD）主孔655件样品热导率和超声波速度的相关分析，把样品分为新鲜榴辉岩、退变质榴辉岩、副片麻岩和正片麻岩4类，并分别建立了利用岩石P波速度估算热导率的计算方程．回归计算表明，榴辉岩热导率和P波速度之间的相关性较大，相关系数在0．7左右，片麻岩显示的相关系数比较小，在0．4～0．5之间．鉴于样本数量较大，这种结果足以表明热导率和P波速度之间可以用给定的线性关系来表达．为了检验获得的方程，在CCSD主孔中选取典型的岩性单元，利用测得的P波速度估算相应的热导率，结果显示估算值和实测热导率平均值非常接近，表明利用P波估算岩石热导率的方程是可行和实用的，为本区和相似地区大地热流和热结构计算提供了热导率的计算方法和依据，因而具有重要的岩石物理学和地球物理意义。

江苏东海超高压榴辉岩的热导率及对大陆科学钻探研究的意义

对采自江苏东海毛北地区 (中国大陆科学钻探先导孔附近 )的新鲜榴辉岩样品进行了岩石热导率的测定 ,初步查明了该区榴辉岩热导率随矿物组成的变化关系 ,探讨了岩石结构特征和温度变化对热导率的影响 .本次所测东海超高压榴辉岩的热导率介于 3 .2 2 2～ 3.716Wm-1·K-1之间并随岩石中 2种主要矿物的相对含量比而变化 ,随着榴辉岩中石榴石对绿辉石体积比 (VGrt/VOmp)的增加而降低 ,近似的函数关系满足K =3 .76 7- 0 .18× (VGrt/VOmp) .岩石中矿物分布的不均匀性和面状构造的发育对榴辉岩热导率的影响较大 ,由此产生的热导率各向异性可达近 10 % .温度是影响热导率的另外一个重要因素 .结合本次的实测资料和相应的热导率 -温度关系 ,建立了东海地区榴辉岩热导率随温度的变化关系方程K(T)=1/ ( 7.85× 10 -2 +6 .95× 10 -4 ×T) ,根据这一方程并结合东海地区的地热梯度资料推算了榴辉岩热导率随 5 0 0 0m钻孔深度的变化关系 ,推测东海地区科学钻探施工至 5 0 0 0m深度时 ,榴辉岩的热导率将比地表平均降低 2 4% .该成果为钻探测井资料的解释以及该区地热结构模型的建立提供了重要依据和约束资料 .

超高压变质岩物理性质的相关性对建立结晶岩区地球物理解释标尺的意义

大陆科学钻探为认识深部地壳的结构、组成、力学性质和物理状态提供了重要的基础数据。岩石物理性质的测量对于原位测井资料的校正和地表地球物理测量的解释具有重要意义,岩石物理性质和岩石学研究相结合,还能为岩石的变质作用以及变质过程中化学成分的迁移提供必要的约束。本文主要对CCSD100-3100m的综合岩石物理资料进行了相关性调查和聚类分析,并得出如下结论:(1)岩石物理性质中的地震波速度、密度、热导率之间具有强相关性,他们都受岩石中主要矿物的组成和含量所控制;(2)岩石的电阻率和磁化率受金属氧化物含量的控制,与岩性有相关性;孔隙度、渗透率与岩性没有相关性;(3)利用岩石的物理性质可以反演不同的岩性,其中地震波速度、密度和热导率对榴辉岩和片麻岩大类具有很好的分类效果,而结合磁化率和电阻率则能更好的区分出超基性岩、正片麻岩和副片麻岩。上述结论对综合地球物理解释中物理参数的选取和结晶岩区地球物理解释标尺的建立具有重要的意义。

壳幔混合层的物质过程及其动力学意义

以评述壳幔混合层的物质过程为主，对壳幔混合层的概念、研究现状、形成机制及作用过程等作了简要综述。底侵作用、拆沉作用和部分熔融作用是壳幔混合层的主要物质过程。底侵和拆沉构成壳幔物质循环，部分熔融则为其提供物质和条件，这三者相互作用，影响和制约着壳幔物质交换，在大陆地壳变形中起着极其重要的作用。

辉长岩韵律层厚度的分形结构与模拟计算——以攀枝花层状侵入体为例

运用分形理论对四川攀枝花层状侵入体的韵律层厚度进行分维计算 ,并结合计算机模拟手段 ,对韵律层理的成因进行了探讨 .通过分形计算表明 ,攀枝花层状侵入体的韵律层在厚度上具有分形结构 ,其分维数介于 1.4～ 1.8之间 ,不同级别韵律层的厚度分维数不同 ,韵律演化的级别越高 ,厚度分维数越大 .通过模拟计算的韵律色度分维数与实测韵律层的厚度分维数比较接近 ,变化规律也比较相似 ,这不仅说明在韵律的演化过程中 ,厚度和色率之间有一定的内在联系 ,也说明了重力在韵律形成机制中是一个重要的影响因素 .地球的重力作用与地球的其他物理化学作用在空间和时间上耦合 ,形成了这种具有时空分形结构的韵律现象 .

层状侵入体及其韵律层成因

层状侵入体以其独特的韵律结构记录了岩浆的演化分异过程。围绕韵律层理的成因 ,不同学者提出了很多成层机制 ,归纳起来大体有两类 :一类与岩浆流动和动力成层有关 ,包括流动分异、对流成层、化学成因等 ;另一类为非动力成层机制 ,主要有火成堆积、重力分异、压实作用和固化收缩等观点。影响韵律形成的因素很多 ,通常包括岩浆成分、对流作用、扩散作用、热梯度、氧逸度、温度和压力等。在评述这些成层机制和影响因素的基础上 ,结合攀枝花层状侵入体的特点 ,认为该岩体的韵律结构是在岩浆的固化收缩和压实作用下 ,晶体定向生长和自组织排列的结果 ,是二元 (辉石 ,斜长石 )、固 (岩石 )—液 (岩浆 )相转变系统中动量、能量和物种质量的复杂耦合所形成的分形自组织现象。对层状侵入体的进一步研究应集中在加强实验 (尤其是高温高压实验 )、引入非线性分析以及与成矿研究相结合等方面。

中国大陆科学钻探主孔100～2000m岩石弹性波速度:对地震深反射的约束

在常温常压条件对中国大陆科学钻CCSD主孔岩心的700样品进行了弹性波速度测量,并建立了主孔2000m的波速(Vp和Vs)连续剖面,为检验地球物理模型的合理解释提供了岩石物理学方面的宝贵资料。主孔中新鲜榴辉岩纵波速度(Vp)最大(7.86km/s),正副片麻岩波速最小,又分别为5.53km/s和5.71km/s,榴辉岩的波速随着退变质作用的增强而明显减小。主孔2000m总平均Vp速度为6.2km/s,它与地球物理探测方法获得的大别-苏鲁造山带上地壳具有6.2-6.3km/s 高速层结论是一致的。大部分岩石具有明显地震波各向异性。水饱和度使岩石纵波(Vp)速度和剪切波速度(Vs)分别增加19％和6％,而使Vp的各向异性降低3％-4％。不同岩性界面的反射系数(Rc)是产生地震反射的主要原因。金红石榴辉岩与片麻岩之间具有很高的反射系数(0.24-0.31)。韧性剪切带中糜棱岩化片麻岩和面理化榴辉岩使岩石各向异性和反射强度明显增加。岩石微裂隙与主孔原位波速变化有密切关系。饱水岩石速度(Vp和Vs)可以代表CCSD主孔原位状态的地震波速度。上述成果为本区地震反射体成因提供了重要的岩石物理性质约束。

中国大陆科学钻探(CCSD)主孔地区岩石圈热结构

岩石圈热结构是指地球内部热量在壳幔的配分比例、温度以及热导率和生热率等热学参数在岩石圈中的分布特征。岩石圈的热结构直接影响着岩石的物理性质和流变学性质,同时还控制了化学反应的类型和速度,从而制约着岩石圈的发展和演化。本文在前人CCSD主孔岩石主、微量元素研究基础上,利用Rybach生热率公式计算了钻孔岩石的放射性生热率,并结合岩石热导率的测定研究了CCSD主孔100-2000m岩石的热结构和主孔榴辉岩在不同退变质程度下生热率、热导率的变化:钻孔中岩石的平均生热率为0.95μWm-3,平均热导率为2.96mWm-1K-1。,其中片麻岩生热率高迭1.01-1.7μWm-3,热导率为2.76-2.96mWm-1K-1;基性超基性岩石生热率最低(<0.21μWm-3),热导率则高达3.20mWm-1K-1以上;新鲜榴辉岩生热率、热导率居中,分剐为0.16-0.44μWm-3和3.31-3.85mWm-1K-1。钻孔中榴辉岩生热率、热导率变化主要受岩性控制:从新鲜榴辉岩到完全退变榴辉岩,热导率总体上降低,但从强退变榴辉岩到完全退变榴辉岩,岩石热导率升高;而在此过程中岩石生热率总体上升高,仅当从中等退变质榴辉岩退变为强退变质榴辉岩时,岩石生热率出现降低趋势。在综合研究的基础上预测CCSD主孔5000m深度处温度为139℃,温度范围为131-151℃。根据区域深部地球物理探测成果对CCSD主孔地区岩石圈热结构进行了研究:上地壳底部温度为256℃,中地壳底部温度为492℃,Moho面温度为683℃,岩石圈底部温度为1185℃,来自地幔的热流为44.1mWm-2,对地表热流的贡献率为58%。研究结果表明,由岩石物理方法获得的CCSD主孔地区岩石圈地温曲线与石榴石-二辉橄榄岩包体推断的中国东部地温曲线十分吻合。

韧性剪切带中片麻岩和超高压榴辉岩变形特征及其与地震波速各向异性的关系:来自中国大陆科学钻探(CCSD)680～1200米岩心的证据

中国大陆科学钻探(CCSD)680-1200米区段发育了多个韧性剪切带,带中主要岩石类型包括片麻岩和超高压榴辉岩。片麻岩中的变形石英、面理化榴辉岩中的拉长石榴石和绿辉石的应变轴比都表现为X>Y>Z,Flinn系数分别为0.11-0.27、0.22-0.23和0.23-0.24。随着糜棱岩化作用的增强,变形石英的C轴组构由Z轴极密逐渐向Y轴极密和叶理面上的大圆环带转变。在常温常压下测试了样品的波速,计算出片麻岩Vp和Vs的各向异性分别为30.17％-60.97％和11.52％-35.79％,榴辉岩Vp和Vs的各向异性分别为0.17％-11.19％和2.41％-6.70％。影响各向异性的主要因素有岩石的结构构造、矿物的晶格优选方位(LPO)、形态优选方位(SPO)和定向微裂隙。随着糜棱岩化作用的增强,岩石的P波各向异性逐 渐升高。变形岩石中的黑云母、石英、绿辉石的LPO和SPO是地震波各向异性的主要控制因素。饱水后的片麻岩样品的P波各向异性明显低于干燥片麻岩样品。在东海钻井中的强反射带主要是由于不同岩层之间的波阻抗差异而造成的,榴辉岩/强退变榴辉岩和黑云斜长片麻岩之间的接触界面会产生较强的地震深反射。此外,与LPO相关的地震波各向异性会增强地震波的反射,所以韧性剪切带中的糜棱岩化片麻岩可能是地震反射的良好载体。

超高压榴辉岩退变质作用对岩石磁化率的影响

系统测量了中国大陆科学钻探 (CCSD)主孔 10 0～ 2 0 0 0m超高压榴辉岩的磁化率及其各向异性 ,并进行了相应的岩石学和矿物学分析 .研究结果表明 ,不同退变质程度榴辉岩的磁化率特征具有明显差别 :新鲜 -弱退变质榴辉岩对应超高压榴辉岩相 ,平均体积磁化率κ =1.4× 10 -3 SI ,磁化率各向异性度Pj=1.0 9,磁性载体主要是顺磁性矿物石榴子石和绿辉石 ;中等 -强退变质榴辉岩对应角闪岩相 ,κ =5 .1× 10 -3 SI ,Pj=1.2 0 ,磁性载体主要是退变质所产生的磁铁矿和钛铁矿 -钛磁铁矿 ;完全退变质榴辉岩对应绿帘角闪岩相 -绿片岩相 ,κ =1.3× 10 -3 SI,Pj=1.0 8,磁性载体主要来自顺磁性矿物角闪石、绿帘石、黑云母等 .该研究为超高压变质岩石地区磁异常的解释提供了基础数据和重要的科学约束 。

江苏东海县幔源橄榄岩包体及其深部构造意义

东海县境内仅有两个碱性玄武岩火山口(平明山和安峰山)形成于晚新生代,K-Ar同位素年龄测定,平明山为4.02～6.38Ma,安峰山为7.3～12.3Ma。岩石学和地球化学特征揭示包体寄主岩为碧玄岩,岩浆没有经历明显分异和同化混杂作用。平明山碧玄岩含有丰富幔源包体,包括尖晶石二辉橄榄岩、方辉橄榄岩和二辉岩。采用Bertrand等(1985)和Kohler等(1990)的温度-压力计估算了包体平衡温度和压力分别为830～900℃和1.5～1.7GPa。根据温压资料构建的古地温曲线,对应于大陆热流值75mW/m^2和岩石圈厚度55km。氧化缀饰法揭示本区橄榄岩包体经历了高温低应变速率塑性流动变形,形成各种类型的位错构造。高温高压实验测定,二辉橄榄岩Vp速度为8.0～8.2km/s,Vs速度为4.50～4.77km/s。中国大陆科学钻(CCSD)附近幔源橄榄岩包体的发现对东海地区岩石圈厚度、物质组成、热结构和底侵作用动力过程提供了重要约束。

岩石密度和超高压岩石折返速率

在常温常压条件下对中国大陆科学钻CCSD主孔100-3000米岩心样品进行了密度测量,建立了密度连续剖面,并界定了不同超高压岩石的密度值。通过对比高温高压物性实验资料,岩石密度随着退变程度增强而降低,榴辉岩密度变化序列为3.52g/cm3→3.49g/cm3→3.07g/cm3→2.93g/cm3。超高压长英质岩石密度变化序列为3.00g/cm→2.80g/cm3→2.65g/cm3。上述实验资料是讨论不同折返阶段岩石所受浮力的基础,为研究折返速率大小提供了基本参数。本文通过折返板块运动平衡时,上浮力与粘滞力平衡这一关系式,定量研究了大陆俯冲板块的折返速率,认为密度差产生上浮力从而引起折返,温度对板块折返速率的影响最为显著;密度差大小、折返角度、折返板块大小对折返速率也有直接的影响。定量模拟分析表明,在温度高于850℃时,板块的折返速率可以超过100mm/a;当温度降至700℃时,折返速率则低于1.5mm/a。作者认为在折返早期,温度较高,板块快速折返至60-70km榴辉岩相深度;随着传导散热,温度降低,板块以较慢的速率折返至中下地壳。折返速率的估算表明,浮力是板块折返第一阶段(从>100km深部折返至<40km的中下地壳)的主要驱动力。

磁化率和密度对中国大陆科学钻探主孔100～2000m岩石类型的判别

为查明磁化率和密度对于中国大陆科学钻探工程（CCSD）主孔100-2000m岩性的响应和判别特征，利用SPSS10．0统计分析软件进行了判别分析．研究结果显示，岩石的密度和体积磁化率主要受岩性的控制．采用迫人法建立全模型，对CCSD主孔100-2000m井段岩心的岩性判别率达84．8％．其中，蛇纹石化橄榄岩、正片麻岩、副片麻岩、榴辉岩、角闪岩和退变质榴辉岩的判别率分别为100％、87．1％、89．7％、89．6％、96．7％和63．7％．该研究表明，密度和磁化率可以为超高压变质岩石的岩性鉴别和区分提供定量约束，有利于地球物理探测成果和测井资料的准确解析．同时，本文也是SPSS统计分析软件在超高压变质岩石类型判别方面的一个应用实例，对于其他岩石类型的判别分析具有借鉴意义。

平南幔源包体中橄榄石的显微构造研究及其意义

平南玄武岩中的尖晶石二辉橄榄岩包体的平衡温度为 930～ 980℃ ,平衡深度为 5 9～ 74km ,包体中橄榄石的扭折带滑移系多为 (0 10 ) [10 0 ],但也有 (0 0 1) [10 0 ]的滑移系类型 ;斜方辉石的滑移系为 (10 0 ) [0 0 1],它们均为高温低应变速率下的滑移系 ,说明该区的上地幔主要是在高温低应变速率条件下经历了塑性变形作用 .橄榄石位错组态多样 ,有自由位错、位错壁、位错弓弯、缠结、{ 110 }滑移带 ,反映了上地幔的塑性变形特征 .根据位错壁的大小估算 ,上地幔差异流动应力为 2 4.5～ 42 .1MPa ,流动速率为 2 .93× 10 -17～ 8.36× 10 -16s-1,有效粘度为 1.72× 10 2 3 ～ 2 .80× 10 2 4 Pa·s,特征与中国东部新生代上地幔较为一致 ,反映同处于拉张环境 .

中国大陆科学钻探主孔100～2000m岩心的磁化率各向异性及其地质意义

在常温常压条件下获得了中国大陆科学钻探(CCSD)主孔331块岩心的磁化率各向异性(AMS)数据,并建立了主孔100—2000m的体积磁化率和AMS连续剖面。数据统计分析显示,主孔100—2000m岩心的磁化率(κ)介于1．05×10-4SI和0．12SI之间,几何平均值为1．855×10-3SI;磁化率各向异性度(Pj)介于1．04和2．10之间,几何平均值为1．155。该井段出露的主要岩石类型有榴辉岩、退变质榴辉岩、角闪岩、正片麻岩、副片麻岩和蛇纹石化橄榄岩,它们的垂向分布特征控制着磁化率剖面的变化。主孔的超高压变质岩石在折返过程中普遍经历了强烈的角闪岩相退变质作用的改造。其磁化率特征也发生相应的改变。蛇纹石化橄榄岩具有很高的磁化率(8．58×10-2SI)和各向异性度(1．335)。这主要源于橄榄岩蛇纹石化过程中产生的大量磁铁矿。榴辉岩、退变质榴辉岩和角闪岩代表榴辉岩从新鲜到完全退变质的三个阶段,它们的磁化率和磁化率各向异性度分别为榴辉岩(1．28×10-3SI、1．077)、退变质榴辉岩(3．19×10-3SI、1．206)、角闪岩(1．02×10-3SI、1．104)。正片麻岩的磁化率和各向异性度分别为5．34×10-3SI和1．167。副片麻岩的磁化率和各向异性度分别为3．46×10-4SI和1．150。对58个变形岩石的AMS测试结果显示,其磁化率椭球体的主轴方向与岩石组构基本一致,即最大磁化率主轴κ1平行矿物线理,最小磁化率主轴κ3垂直岩石面理。同时,这些变形岩石的AMS椭球体多呈现明显的压扁状特征,反映超高压变质岩石在折返过程中处于强烈挤压变形的构造应力环境,为苏鲁超高压变质板片的挤出折返模式提供了佐证。该研究成果也为超高压变质岩石地区磁学研究、地球物理调查和测井成果的解释提供了重要的实验约束。

湖南道县辉长岩包体的组构与波速各向异性研究及其意义

辉长岩包体的主要造岩矿物斜长石、单斜辉石的组构测定结果表明 :条带状辉长岩的斜长石组构为结晶b轴的优选定向 ,推测其成因是在重力作用占主导并伴有低应力的情况下形成的。宏观呈块状的辉长岩 ,在微观组构上仍有定向线理存在。经由组构、岩石密度、矿物组成计算得到的理论波速各向异性与实测波速得到的一致 ,从而表明地震波的各向异性对矿物组构的强烈依赖性。推测道县辉长岩包体的波速各向异性反映了下地壳地震波的一般特征。其组构特征反映了该区中、新生代下地壳的变形特征。

下地壳地震深反射的可能载体:来自层状辉长岩组构和高温高压波速实验的证据

通过对四川攀西地区层状辉长岩中斜长石和普通辉石晶格优选方位(LPO)的测量, 发现矿物定向主要表现在斜长石的[010]极密与辉石的[100]极密分别与面理垂直, 显示出一种与晶体结晶习性有关的生长组构, 与晶体在岩浆中结晶并受到一定的压实作用有联系. 利用矿物组构数据计算的地震波速度结构反映出较强的各向异性, Vp, Vs的各向异性分别为5.81%和5.54%. 高温高压条件下波速的测定结果显示出相似的特征: 层状辉长岩的纵波速度介于6.44～6.97 km/s, 纵波最大各向异性值为5.22%, Poisson比介于0.28～0.31. 通过对攀西层状辉长岩组构和波速结构的研究, 推断该区下地壳可能存在较大规模的层状辉长岩体或类似的层状地质体, 这种具有明显地震波各向异性的层状似层状介质是下地壳地震深反射的可能载体.