汉诺坝地区下地壳与壳-幔过渡带岩石波速实验研究

通过对汉诺坝新生代玄武岩中镁铁质麻粒岩相斜长辉石岩、榴辉岩相石榴辉石岩和辉石岩捕虏体,以及普通的太古代地体麻粒岩,进行高温高压下的波速测定和研究表明:高V_p(7.0～8.0km/s)镁铁质捕虏体揭示现今下地壳和壳-幔过渡带组成特征,为幔源岩浆底侵导致地壳垂向增生和壳-幔过渡带形成提供了新证据;低V_p(<7.0km/s)太古代地体麻粒岩,乃早期下地壳或上部下地壳的特点。

中国东部地区的壳-幔过渡带结构

莫霍面是地壳和上地幔的边界,但莫霍面并不是一个简单的"面",而是一个反映地壳和地幔物质交换、相互作用等动力学意义的"过渡带".本文综合深地震反射、宽角地震折射和高温高压岩石物理实验结果,确定壳-幔过渡带的地震P波速度变化范围为6.8~7.5km·s-1.在克拉通等构造活动稳定地区壳-幔过渡带内的速度梯度强且壳-幔过渡带厚度薄,而在造山带等构造活动区域壳-幔过渡带内的速度梯度弱且壳-幔过渡带厚.中国东部地区的壳-幔过渡带的平均厚度约为5~10km,在四川盆地下方最薄(<5km),而在华北克拉通中部造山带下方的壳-幔过渡带最厚(~30km).综合地球化学结果,华北中部巨厚壳-幔过渡带主要是幔源岩浆的底侵作用和堆晶作用而形成.

壳-幔过渡带首波传播特征

上地幔速度结构是影响Pn波几何衰减特征的主要因素,本文利用合成理论地震图方法,研究了壳-幔过渡带速度梯度对Pn波几何衰减特征的影响.结果表明,Pn波的衰减特征对上地幔的速度梯度十分敏感,如:1000 km处Pn波的振幅,在相当于将均匀上地幔经展平变换后的等效速度梯度(0.0013 s-1)模型下,约为在半无限空间上叠加一层的简单模型下的10倍;当震中距大于某一距离后,具有速度梯度模型下的Pn波振幅随震中距衰减的速度明显小于无速度梯度的半无限空间模型下Pn波振幅的衰减速度,速度梯度越大,衰减速度越慢,在某一距离范围内,振幅甚至有增大的趋势;当存在速度梯度时,Pn波的几何衰减随频率而变化.上述结果对深入理解Pn波在区域震中距范围内的衰减规律提供了理论依据.

新疆榆树沟麻粒岩-橄榄岩地体：南天山北缘出露地表的古生代大陆壳-幔过渡带

对于大陆造山带内部的超基性岩体,除了蛇绿岩成因之外还有其他或许更为合理的解释。例如,位于新疆托克逊库米什地区南天山北缘的榆树沟麻粒岩和橄榄岩分别代表早古生代时塔里木板块北部大陆地壳莫霍面附近的下地壳底部与上地幔顶部的岩石,由于应变的局部化,被剪切分割成两个透镜状冲断岩片,顺着切割整个地壳直达上地幔顶部的韧性剪切带被挤出,最终呈固态挤侵到中地壳内绿片岩-低角闪岩相的变沉积岩(构造片岩、长英质糜棱岩)之中。最后,两个构造透镜体被剪切叠合到一起。榆树沟麻粒岩-橄榄岩地体为研究塔里木板块北部大陆地壳古莫霍面及其附近的岩石流变学与地球物理性质提供了一个十分难得的研究基地,因为大陆古莫霍面很少直接出露地表。榆树沟麻粒岩-橄榄岩组合的地体的大地构造意义与蛇绿岩所代表的截然不同。

阿尔巴尼亚布尔齐泽壳-幔过渡带豆荚状铬铁矿成因及其对富Ti熔体交代作用的记录

豆荚状铬铁矿是关键金属铬的重要来源之一,尽管豆荚状铬铁矿的研究取得了诸多进展,但对于发育于蛇绿岩壳-幔过渡带的铬铁矿成因却涉及较少。阿尔巴尼亚布尔齐泽岩体壳-幔过渡带中产出的Cerruja豆荚状铬铁矿矿床,其矿体及纯橄岩围岩普遍被辉石岩脉穿切,辉石岩脉与矿体接触带以及辉石岩脉中的铬尖晶石强烈破碎,在铬尖晶石的裂隙和包裹体中发育大量富Ti矿物相,如金红石、钛铁矿和榍石等,是研究壳-幔过渡带铬铁矿成因的理想对象。Cerruja豆荚状铬铁矿及纯橄岩围岩中铬尖晶石Cr#分别为0.56~0.58和0.52~0.55,属于高铝型铬铁矿。接触带及辉石岩脉中的铬尖晶石Cr#明显升高(分别为0.57~0.67和0.72~0.83),且Ti、V、Mn、Sc、Co、Zn和Ga含量也升高。本文依据铬尖晶石的结构及矿物化学成分变化特征,提出布尔齐泽壳-幔过渡带铬铁矿经历多阶段演化叠加:首先,Mirdita-Pindos洋盆在侏罗纪(约165 Ma)发生洋内初始俯冲,软流圈物质上涌生成的MORB-like弧前玄武质熔体随着俯冲的进行逐渐向玻安质熔体演变,期间产生的过渡型熔体与地幔橄榄岩反应生成高铝型铬铁矿;然后,部分MORB-like弧前玄武质熔体随着堆晶间隙分离结晶往富Fe和Ti的方向演化,改造早期形成的高铝型铬铁矿并结晶高铬型铬铁矿,同时生成金红石、钛铁矿和榍石等富Ti矿物相。

托云深源岩石包体计算波速与地震波速共同约束西南天山壳-幔过渡带

对我国西部新疆托云地区中新生代火山岩中的深源岩石包体进行了波速计算,并与地球物理深部探测技术相结合,共同限定了西南天山深部壳-幔过渡带的组成和性质.托云地区麻粒岩、橄榄岩的计算波速分别是6.98～7.36km/s、7.96～8.47km/s.这些结果与地震反射探测地震波速的对比,说明在西南天山岩石圈剖面中的40～48km处存在较明显的壳-幔过渡带.过渡带自上而下主要由石英麻粒岩、辉石麻粒岩和橄榄石/石榴石麻粒岩组成,然后进入尖晶石相二辉橄榄岩组成的上地幔.这样的岩石圈壳-幔结构可以用岩浆底侵-变质作用来解释.

壳-幔过渡带及其在岩石圈构造演化中的地质意义

经典的地球物理学把地壳和上地幔之间的界面叫做莫霍面,是根据地震波的速度在地壳(V_P=5.8～6.5km/s)和上地幔(V_P=8.0～8.3 km/s)之间的不连续来定义的。由于大陆岩石圈结构的横向不均匀性,并不是所有地方的莫霍界面都十分清晰。在一些地区的下地壳与上地幔之间存在着一个P波速度的“递变层”或“过渡带”,其V_P大约为6.8～7.8 km/s。因此,莫霍界面不是那么清楚,这是地震学家在岩石圈速度结构剖面研究中经常感到困惑的问题。

汉诺坝麻粒岩相-榴辉岩相堆晶岩捕虏体——壳-幔过渡带的证据

地质产状、层状堆晶构造、矿物岩石学、年代学、REE地球化学和高温高压波速实验表明,汉诺坝新生代玄武岩中的麻粒岩相和榴辉岩相堆晶岩捕虏体是显生宙以来由幔源岩浆底侵于壳-幔边界形成的镁铁质堆晶岩,分别经历了下地壳麻粒岩相变质作用和上地幔榴辉岩相变质作用。

不同构造环境下的壳─幔过渡带结构

位于中国西北部的天山造山带与准噶尔盆地是典型的盆岭构造。通过对横跨天山造山带与准噶尔盆地的沙雅-布尔津地学断面地震宽角反射、折射资料进行小波分析，获得了天山造山带与准噶尔盆地壳-幔过渡带的详细结构。结果表明，天山造山带的壳-幔间是以多个薄层过渡的。这些薄层的层厚度2～3km不等，层速度高低相间，总厚度约20km，平均速度较低，接近塔里木盆地下地壳的速度。塔里木盆地北缘与准噶尔盆地的壳-幔间不具有这种特点，其壳-幔间主要表现为一级间断面。而位于中国东北部的间阳-海城-东沟深地震测深剖面所揭示的辽东台隆-辽河盆地-燕山台褶带壳-幔过渡带的结构似乎具有完全相反的特征：辽河盆地的壳-幔过渡带比较复杂，它由数个薄层叠合而成，总厚度达15km；辽东台隆与燕山台褶带壳-幔过渡带结构十分简单，皆以一级间断面过渡为主。研究认为，造成二者差异的主要原因是它们所处的构造环境不同：前者为挤压环境，而后者为伸展环境。在挤压环境下，复杂的壳-幔过渡带形成于造山带的下面；而在伸展环境下，复杂的壳-幔过渡带形成于盆地的下面。壳-幔过渡的复杂程度与构造活动性相联系，在一定程度上反映了岩石圈目前的构造活动水平。

联合利用地震深反射与折射资料研究延怀盆地壳幔过渡带的性质

根据１９９２年延怀盆地的深地震反射共中心点（ＣＤＰ）叠加剖面图，提出了延怀盆地的壳幔过渡带初始模型．对于１９９３年通过延怀盆地的北京—怀来—丰镇剖面的宽角反射与折射剖面资料，进行震相分析．在一维模型基础上进行走时反演和二维射线追踪．最后，采用反射率法对延怀盆地壳—幔过渡带的上下界面的反射波ＰＭ′和ＰＭ进行了波形拟合，证明了其存在；同时明确了延怀盆地莫霍不连续面是高低速相间的薄层组成的过渡带性质．这一结构与邢台地震区壳幔过渡带结构相似．这一特征说明由于延怀盆地莫霍面附近存在深大断裂，有可能从地幔中“贯入”熔体或流体的透镜体，从而形成低速层多层结构．

垂向非均匀介质中首波特征分析

利用合成理论地震图方法研究了存在高速层或低速层的地壳模型及壳-幔过渡带模型中首波等震相的动力学特征,指出首波的特征对于高速层的结构变化比较敏感.当高速层厚度与特征波长相比较小时,地震波的衍射现象明显,这种情况下高速层不能屏蔽在其下面一层的上界面传播的首波,且该首波震相的强度随高速层厚度或速度的增加而递减;当高速层厚度与特征波长相当时,高速层底面的反射波震相与首波震相到时接近,会因互相干涉而减弱;对于低速层,首波震相强度较弱且随低速层速度的减小而递减;在壳-幔间断处引入一定厚度和速度变化范围的过渡带,可以得到更加明显的视首波震相,强度随过渡带厚度或速度变化范围的增加而增大.

塔里木西克尔新生代碧玄岩中辉石岩捕虏体的发现及其地质意义

首次在塔里木西克尔地区新生代碧玄岩中发现了辉石岩捕虏体。其主要矿物为ol+opx+cpx+pl+sp,含少量次生amp和phl。辉石岩中单斜辉石和斜方辉石普遍发育出溶结构。尖晶石明显分为晶形和产状不同的两个世代。变质成因的斜长石包裹大量高度自形的微小尖晶石颗粒。通过结构分析,出溶成份恢复,矿物温压计投图和P-T视剖面图分析确定:辉石岩捕虏体最初可能为无斜长石的尖晶石二辉岩,在降压至～1.5GPa,温度为1100～1200℃的过程中新生变质斜长石包裹了第二世代的自形尖晶石微晶;进一步的降温降压过程导致单斜和斜方辉石出溶和斜长石、橄榄石的生长,最终斜方辉石所记录的压力为～0.9GPa,温度为800～900℃。该变质作用过程说明辉石岩从尖晶石二辉岩稳定深度(>45km,A'点)抬升至斜长石二辉岩稳定深度(～28km,B点)并发生冷却,该过程可能代表了塔里木板块的壳幔过渡带曾发生了较大幅度的抬升,可能与地幔上涌造成的大陆岩石圈伸展、减薄有关。

石榴辉石岩的电导率及对岩浆底侵的约束

河北汉诺坝新生代玄武岩携带的石榴辉石岩为岩浆底侵于上地幔顶部40～45km形成的堆晶岩，是壳幔过渡带的典型样品。本文使用S01artron1260阻抗分析仪，测量1．2GPa和380～900℃下石榴辉石岩WD958的电阻率。样品电导率（d）与温度的关系遵守Arrhenius方程：d=exp（=AH／kT），其中T是样品的绝对温度，k是Boltzmann常数，指前因子GO为97．5S／m，活化焓AH为1．27eV。使用傅立叶红外光谱仪测定样品中单斜辉石的平均含水量为117×10-6 H2O，橄榄石无水，石榴子石的含水量凶蚀变无法测定。使用Hashin—Shtrikman平均方法计算样品WD958的电导率，发现样品可看作由含水单斜辉石、无水石榴子石和无水橄榄石组成的高阻集合体，电导率同时受小极化予导电和质子导电的影响。如果原位的石榴辉石岩的矿物含水量保持平衡，其电导率将提高1个数量级，质子导电成为主控导电机制。石榴辉石岩在高温的壳一幔过渡带（～1000℃）表现为高导层，而在正常地温梯度上，与尖晶石二辉橄榄岩的电导率近似，为高阻层。闪此，在岩浆底侵作用下，电性上的壳一幔边界将随着温度和含水量的变化而改变。

北京西山髫髻山组火山岩的地球化学特征与岩浆起源

对北京西山髫髻山组粗安岩斜长石Ar-Ar年龄测定获得全坪年龄和等时线年龄分别为148.91Ma± 2 .98Ma和 146 .6 0Ma± 2 .93Ma(相关系数r =0 .9997) ,本文将其时代划为晚侏罗世。元素 -同位素地球化学显示 ,西山髫髻山组火山岩主要为高钾钙碱性系列 ,低Ti、K ,高Al、Ca和Na ,轻稀土元素富集 ,Eu异常不明显 ,大离子亲石元素Rb、Sr、Ba等相对富集 ,高场强元素Nb、Ta、Ti、Zr、Hf相对亏损 ,Nd、Sr和Pb同位素比值较低 ,反映出火山岩形成于岛弧或活动大陆边缘 ,其源岩为富集地幔。据此认为髫髻山组火山岩形成于陆内挤压环境 ,由中生代玄武质岩浆底侵于下地壳 -壳幔过渡带诱发古老 (太古宙 )的玄武质岩石部分熔融形成的。