大别山地区岩石高压弹性波速及其对岩石圈组成和壳-幔循环的限制

在室温和等静水压下测定了大别超高压变质带榴辉岩和麻粒岩至1 GPa压力下的P波和S波速度.研究表明,超高压榴辉岩具有高密度(3.3～3.6g·cm^(-3))、高波速和弱的各向异性(1.4％～2.6％),麻粒岩呈现了低的密度(2.8～3.1g·cm^(-3))和波速、高的Poisson比(0.28～0.29),高压榴辉岩具有最强的各向异性(6.1％～8.4％).岩石波速同深地震测深剖面对比表明,大别造山带下地壳可能存在榴辉岩,但是数量应很少,而上地幔具有同超高压榴辉岩或者蛇纹石化/含水纯橄岩相似的地震波速度.推测地壳物质以榴辉岩的形式,通过拆沉作用进入地幔,少部分榴辉岩折返回地壳.

大别山榴辉岩的密度和波速及其对壳—幔循环的启示

测定了大别山地区榴辉岩和麻粒岩的密度和高温高压 (至 5 .0GPa和 130 0℃ )的纵波速度 (Vp)。超高压榴辉岩具有较高的密度和Vp 及较弱的各向异性。榴辉岩的压力系数为 0 .2 2～ 0 .33km/s·GPa ,超高压榴辉岩的温度系数为 - 3.41× 10 -4 km/s·℃。榴辉岩的密度和波速的分析表明 ,地幔深部的超高压榴辉岩形成后可能包含了两个过程 ,即一部分榴辉岩通过拆沉作用进入深部地幔 ,另一部分快速折返至地壳内或地表 ,榴辉岩的形成过程代表了壳幔物质循环。现今的大别山深部可能只存在少量榴辉岩。

超高压变质作用与壳幔循环

榴辉岩相的高压超高压变质作用发生在俯冲或碰撞增厚的大陆地壳的底部或上地幔中（深度可达１２０ｋｍ），并导致岩石密度增大。超高压岩石同一些地球动力学问题关系十分密切，如榴辉岩可能是在拆沉作用中被拆沉的地壳物质，超高压变质作用可能是实现壳幔循环的一种途径等...

地壳增长与壳—幔再循环

在会聚边缘的地壳增长目前是由地壳从地幔中的萃取作用所支配的,这是一个只能间接观察到的过程。在现代的会聚边缘,常见于地壳最上部的玄武岩和安山岩(及相应的侵入岩)并非直接源于地幔(如它们不是地幔的初始成分)。例如,在阿留申岛弧,橄榄拉斑玄武岩已被认作是初始岩浆,它与普通高铝玄武岩有关,而后者是由积聚在莫霍面深处的橄榄石和辉石的分离作用所形成的,并代表一个新生的上地幔,更常见的浅部富铝质火山岩及深成岩可以由高铝玄武岩的壳内组分分异、岛弧地壳低熔组分的同化、地壳熔融所形成,或者是诸过程结合的产物。

地球的层圈结构与穿越层圈构造

从1906年发现地核到20世纪60年代,地球物理学、地质学和矿物物理学的研究揭示了地球具有物理化学性质截然不同的层圈结构,并根据全球地震波速度和密度的变化建立了初始参考地球模型。1967年提出的板块构造理论假定刚性的岩石圈板块在塑性的软流圈之上发生运动,在洋中脊不断形成的洋壳逐渐在海沟俯冲,由于板块是刚性的,变形将主要集中在板块边界。板块构造理论成功地解释了大洋岩石圈的形成和消亡、火山和地震活动带的分布以及全球构造格局,给地球科学带来了一场革命。但是,经典的板块构造理论尚未解决板块运动的起源和驱动力、大陆岩石圈的弥散性变形、大陆深俯冲等问题,因此大陆动力学成为对板块构造理论的重要补充。近年来的研究表明:在板块汇聚边界,大洋岩石圈可以俯冲至地幔过渡带、下地幔,乃至核幔边界;而大陆岩石圈可以俯冲至150~300 km深度,然后相对低密度的陆壳物质快速折返形成含柯石英和微粒金刚石的超高压变质带。地幔柱活动是是俯冲板块再循环的产物,不仅可以形成大火成岩省和洋岛玄武岩,还可以把俯冲到地幔过渡带的物质带回浅部,导致蛇绿岩中保留金刚石和深地幔矿物。因此,俯冲带和地幔柱不仅提供了穿越层圈的物质和能量交换的通道,也驱动了对地球宜居性至关重要的水循环和碳循环,是研究地球物质组成和动力学演化的重要窗口。

榴辉岩的弹性波速评述

文中评述了榴辉岩的密度和高温高压下的纵波速度、速度各向异性、泊松比以及榴辉岩声软化现象的成因 ,着重介绍了榴辉岩的密度和波速对探讨岩石圈物质组成、莫霍界面性质、超高压岩石对实现壳幔物质交换的重要意义。榴辉岩的密度为 3 2～ 3 6 5g·cm-3 ,其中超高压榴辉岩具有更高的密度 (3 4～ 3 6 5g·cm-3 )。榴辉岩的纵波速度 (vp)在 1GPa时为 7 3～8 9km·s-1,其裂隙闭合压力可能高于 1GPa。榴辉岩的压力系数为 0 3～ 0 4km·s-1·GPa-1,温度系数为 - 3 4× 10 -4 km·s-1·℃ -1。它具有最弱的vP 各向异性 (<3% )。超高压榴辉岩的泊松比为 0 2 54～ 0 2 75。大别山榴辉岩的密度和波速研究表明 ,现今的大别山深部地壳可能依然存在榴辉岩 ,但数量应很少 ;大别山上地幔具有同超高压榴辉岩类似的弹性特征 ;拆沉作用是解释超高压榴辉岩折返机制的重要模式之一 ;榴辉岩的形成过程包含了壳幔物质循环作用 ,一部分榴辉岩已拆沉进入深部地幔 ,另一部分则快速折返至地壳内或通过其他构造作用进一步抬升、暴露地表。