云南高黎贡山典型斜长角闪岩地震波速、各向异性及其晶格优选定向的研究

斜长角闪岩和角闪岩相变质岩石是大陆中—下地壳、岛弧深部地壳以及俯冲大洋地壳中最重要的组成岩石之一,查明目前地壳中斜长角闪岩的体积含量、空间分布及其应变状态对于深入研究大陆地壳的形成与演化过程极其重要。笔者等实验测量了云南高黎贡韧性剪切带典型变形斜长角闪岩7个关键性方向上的地震(P和S波)波速随静水围压(0～600MPa)的变化规律,并利用电子背散射衍射(EBSD)技术测定了主要造岩矿物角闪石、斜长石和石英的晶格优选方位,查清斜长角闪岩中地震波速各向异性与剪切波分裂的成因,确定斜长角闪岩中有限应变椭球与波速椭球的对应关系,为今后利用原地地震波速的各向异性调查地壳深部区域构造应变场提供必要的实验和理论基础。

橄榄石的晶格优选定向、含水量与地震波各向异性：对大陆俯冲带变形环境的约束

橄榄石在不同热动力学条件下形成的晶格优选定向是认识上地幔塑性变形与地震波各向异性的基础。本文通过总结橄榄石的晶格优选定向、含水量与地震波各向异性的研究进展,探讨大陆俯冲带的变形环境。绝大部分天然变形橄榄岩中的橄榄石都发育了[100](010)组构:[100]轴近平行于线理,(010)面平行或近平行于面理,使橄榄岩的最快P波速度近平行于线理,最大S波分裂平行面理并垂直线理。但来自超高压变质带的石榴石橄榄岩可发育[001](100)组构,使橄榄岩的最快P波速度和最小S波分裂方向垂直面理。近年来的变形实验与理论计算表明:超高压和低温是橄榄石组构从[100](010)向[001](100)转变的关键因素,而水对橄榄石流变行为的影响还有待进一步研究。对170个天然橄榄石结构水含量的统计结果表明:橄榄石含水量变化很大(0～170×10^(-6)H_2O),玄武岩中橄榄岩包体的橄榄石比较贫水,而所有富水橄榄石均来自克拉通金伯利岩中的石榴石橄榄岩。因此,除了水在上地幔的不均匀分布,橄榄岩折返过程中氢的扩散会强烈影响橄榄石的含水量。苏鲁芝麻房橄榄岩提供了以超高压、低温、贫流体为特征的大陆俯冲带中[001](100)橄榄石组构的实例。在俯冲的大陆板片中,橄榄石组构在120～220 km从[100](010)向[001](100)的转变可导致地震波各向异性突然降低,而且最快P波速度垂直于俯冲方向。

榴辉岩组构运动学与大陆深俯冲——中国大陆科学钻探主孔榴辉岩的EBSD研究

中国大陆科学钻探主孔位于苏鲁超高压带南部的东海县毛北榴辉岩体之上。主孔0～600米深度的榴辉岩的塑性变形以具中等倾角的东倾面理,近南北向的水平拉伸线理、“A”型剪切褶皱和一系列平行面理的微型韧性剪切带为特征。使用电子背散射(EBSD)技术测量的主孔7个榴辉岩样品的石榴石和绿辉石的晶格优选定向(LPO)表明:石榴石基本上无序排列,而绿辉石表现出强烈的LPO。绿辉石的[001]轴近平行于拉伸线理方向,(010)面的法线和[100]轴垂直面理分布,{110}的法线形成垂直面理的环带,反映绿辉石的位错蠕变由[001](100)和1／2<110>滑移系控制,其不对称的LPO指示了由北向南的剪切指向。根据单斜辉石的高温实验结果,毛北榴辉岩经历了800-900℃的超高压变质作用。通过构造重塑,揭示毛北榴辉岩体为剪切流变褶皱,形成于扬子板块深俯冲时的超高压变质过程。因此榴辉岩中保留的早期岩石组构特征可以为板块的深俯冲运动学和俯冲极性提供重要信息。

岩石地震波性质的实验与理论研究

岩石的地震波性质是解释地震观测资料的基础。本文首先以中国大陆超深钻主孔的榴辉岩为例,将榴辉岩在高温高压(最大为500MPa和700℃)下观测矿物组成、晶格优选定向(LPO)、温度和压力对其地震波性质的影响。然后对岩石地震波性质数据库进行统计分析,指出长英质岩石的波速与石英或长石的含量没有相关性;从酸性岩、基性岩到超基性岩,随着SiO2含量的降低和铁镁矿物含量的增高,岩石波速逐渐增高,云母和角闪石的LPO是陆壳地震波各项异性的主要来源;波速与孔隙率的负相关受流体与压力的影响。

大别山超高压变质岩的显微构造与有效黏度

超高压变质岩提供了研究大陆俯冲隧道中岩石的变形机制和流变差异性的窗口。文章使用电子背散射衍射技术分析了大别山超高压变质带的榴辉岩和长英质片麻岩的显微构造。榴辉岩中的石榴子石基本呈无序分布,绿辉石发育较强烈的晶格优选定向,[001]轴的极密平行或近平行于拉伸线理,(100)面的法线近垂直于面理,退变榴辉岩中角闪石的(100)[001]组构可能继承了绿辉石的晶格优选定向。退变榴辉岩和长英质片麻岩中的石英记录了(0001)低温底面滑移和{1010}中温柱面滑移,反映了超高压变质岩折返到中地壳的韧性变形;而斜长石的(001)<110>和(010)[100]组构形成于折返到下地壳的角闪岩相变质条件(>600℃)。根据主要矿物的流变律计算了俯冲与折返过程中无水矿物的有效黏度变化。俯冲过程中,钠长石=硬玉+石英的分解反应以及石英-柯石英相变导致长英质片麻岩的有效黏度和密度都显著增高,有利于陆壳深俯冲。但是折返过程中由于温度较高,这两个反应带来的有效黏度变化较小。>80 km深度,石榴子石的流变强度>硬玉>绿辉石>柯石英,俯冲上地壳的流变由柯石英和硬玉控制,下地壳的流变由绿辉石和石榴子石控制。超高压变质岩流变强度的差异有助于上—下地壳力学解耦,使相对低密度、低黏度的上地壳物质在俯冲隧道内快速折返。

青藏高原东南缘中-下地壳地震波各向异性成因——来自云南六合深源包体组构学的约束

本文通过对出露于青藏高原东南缘云南六合地区的新生代深源岩石包体(斜长角闪岩、角闪石岩和石榴石透辉岩)的显微组构和地震波各向异性的研究来约束新生代青藏高原东南缘的地壳各向异性.通过角闪石地质压力计计算得知斜长角闪岩、角闪石岩和石榴石透辉岩包体来源于地壳28~36km,为中-下地壳岩石包体.EBSD测量结果显示包体中角闪石的CPO(晶格优选定向)为Type-IV型和(100)[001]滑移,单斜辉石的CPO为SL型和(100)[001]滑移,暗示中-下地壳为高温强变形的特征.通过CPO数据计算获得斜长角闪岩、角闪石岩和石榴石透辉岩包体全岩VP各向异性为1.9%~13.3%,最大分裂的剪切波各向异性(AVS)为1.17%~8.01%.结合前人的研究结果,该地区的地壳岩石能够解释利用Pms震相测量获得的分裂延迟时间,表明云南西北地区的壳内各向异性源于中-下地壳矿物的定向排列.云南西北地区的Pms快波方向近NW-SE向分布并与SKS的快波方向相近,暗示岩石圈变形是耦合的,受控于青藏高原向东南挤出的构造背景.

滇西哀牢山变质杂岩中含石墨岩石的变形-变质温度、构造特征及流变弱化意义

前人研究表明石墨化作用与变质温度具有良好的相关性,同时室内摩擦实验研究认为少量石墨就能够有效地降低断层摩擦阻力,进而被认为对断层弱化起着重要的固体润滑作用而开始受到大家的关注。但是由于技术手段的限制,我们对天然断裂带中含石墨岩石的宏观-微观构造、变形机制、变形-变质环境以及对岩石流变行为的贡献仍然还不是很清楚。本文在详细的野外地质观测的基础上结合室内实验分析,对新生代红河-哀牢山走滑断裂带内哀牢山深变质杂岩东南侧边界发育的含石墨岩石开展了深入的研究。其中主要侧重利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)以及拉曼光谱(Raman Spectra)技术方法和手段,对宏观及显微构造变形行为、石墨拉曼温度、矿物晶格优选定向(LPO)以及其变形-变质环境进行了综合分析。结果表明,含石墨岩石显微构造特征表现为典型的塑性到超塑性流动构造特征,通过石墨拉曼光谱地质温度计,获得了哀牢山杂岩东部边界与上盘未变质岩石接触的含石墨岩石变形-变质的石墨拉曼温度为462~505℃;而靠近深变质岩含石墨岩石的石墨拉曼温度在511~529℃。基质中强烈细粒化的石墨、石英及长石具有明显的晶格优选定向,其中石墨和石英均表现出强烈的(0001)<a>方向上的滑移系。细粒化的石墨滑移系的发育与长石、石英共同对岩石整体的晶质塑性变形起着重要的流变弱化作用。

白云石有序度与流变特征的研究进展

白云石CaMg(CO3)2常见于白云岩、灰岩及大理岩中,其稳定的温压范围很广,是研究俯冲隧道变形、全球碳循环和地幔交代作用的重要矿物。白云石的有序度可能与重结晶过程相关,温度是影响白云石有序度的关键因素,压力对白云石有序度的影响较弱。在1~3 GPa下白云石完全无序的转变温度为1150~1200℃,Fe、Mn、Cd离子含量的增高可显著降低白云石结构无序化的转变温度。天然变形的白云石常发育由底面c滑移控制的晶格优选定向。根据白云石的流变律,在天然应变速率下(10^-15~10^-12s^-1),>400℃细粒白云石以扩散蠕变为主;而粗粒白云石以位错蠕变为主,只有在高温下(>600~700℃)扩散蠕变才成为主控变形机制。分解反应或者动态重结晶可导致白云石流变强度的显著下降,应变集中。白云石c滑移的临界剪应力随温度升高而增大的现象可能与白云石有序度的变化有关,而围压、水逸度和成分对白云石流变的影响尚不清楚,定量研究白云石的有序度与流变学性质的相关性将为追踪碳酸盐岩和大理岩的成岩和变形历史提供新的信息。

电子背散射衍射和傅里叶变换红外光谱结合测量橄榄石的原位含水量

橄榄石的含水量对上地幔的物理化学性质具有重要影响。傅里叶变换红外光谱(简称FTIR)是目前最常用的测量名义上无水矿物含水量的方法。由于矿物中红外光谱的吸收系数是各向异性的,理论上应使用偏振光来测量橄榄石的含水量,但是该方法需要把橄榄石颗粒分离出来进行定向,非常费时。前人大多使用非偏振光来测量薄片中多个橄榄石的含水量,并使用Paterson(1982)的校正方法计算样品中橄榄石的平均含水量。非偏振光的使用忽略了颗粒定向造成的影响,会低估橄榄石的含水量。上地幔橄榄石常发育晶格优选定向,为快速准确地获得橄榄石的原位含水量,该文将电子背散射衍射技术(EBSD)与FTIR相结合,提出测量薄片中橄榄石含水量的新方法。首先使用Bell等(2003)的红外偏振光实验结果,通过橄榄石[100]、[010]和[001]方向的含水量吸收系数建立一个椭球体。然后使用EBSD测量某一颗粒在薄片中的取向,根据欧拉角计算该方向的含水量吸收系数Ws,再根据Beer-Lambert公式获得该颗粒的含水量。对加拿大Slave克拉通Muskox金伯利岩携带的石榴橄榄岩中橄榄石的含水量研究表明,该方法可用于测量显微尺度的橄榄石原位含水量分布,为橄榄石含水量与组构关系的研究提供基础资料。

青藏高原东南缘岩石圈变形特征及各向异性成因分析

新生代印度大陆和欧亚大陆的碰撞引起了青藏高原强烈的变形和隆升,青藏高原东南缘作为在板块碰撞作用下高原物质向东南扩展的重要场所,其结构和动力学过程对于了解青藏高原的构造演化至关重要。地震波各向异性是了解地球内部物质变形方式的重要手段,近年来在青藏高原东南缘开展了大量的地震波各向异性测量,包括Pms 震相、SKS 震相等,并针对相应的地球物理测量结果提出了构造模型,但这些构造模型缺乏来自深部岩石学方面的约束来确定地球物理测量结果解释的合理性和可靠性。

红河-哀牢山剪切带角闪岩中角闪石变形特征及地震波各向异性

角闪岩作为中下地壳的重要物质组成,其岩石和矿物的变形行为及力学强度表现直接制约着中下地壳力学属性与状态,因此开展对其中重要组成矿物角闪石的变形行为和地震波各向异性研究,具有重要地质意义.以红河-哀牢山剪切带中出露的变形角闪岩中角闪石为研究对象,其中显微构造分析表明,变形角闪岩分别呈现出粗、中粒条带状糜棱岩和细粒条带状超糜棱岩.分别对这3种变形岩石中的角闪石矿物颗粒进行了EBSD晶格优选定向分析和地震波各向异性计算,结果表明3种变形角闪岩中的角闪石呈现出不同取向及典型晶质塑性变形特征,(100)[001]主要滑移系发育,同时发育不同程度的(010)[001]和(110)[001]次级滑移系.我们认为在剪切变形过程中,角闪石双晶滑移和解理面滑移共同作用致使角闪石细粒化.从粗粒到细粒条带状角闪石,随着角闪石颗粒粒度减小,角闪石中AV_p也有逐渐变小的趋势,表明角闪石变形行为、形态优选定向及晶格优选定向共同影响着地震波各向异性.

橄榄石的同系温度T/T_m:对上地幔蠕变与橄榄石组构转变的启示

同系温度为晶体材料的绝对温度(T)与其熔点(T_m)的比值,是对比晶体流变强度的重要参数之一.橄榄石(Mg,Fe)_2Si O_4的熔点随含铁量和含水量的增加而降低,随压力增加而升高,高压下橄榄石的相变可导致熔点随压力发生不连续变化.本文对前人的铁橄榄石(Fe2Si O_4)熔融实验结果进行校正,确定铁橄榄石-γ相Fe2Si O_4-熔体的三联点位于6.4GPa和1793K.然后使用广义混合律建立了常压至6.4GPa,无水橄榄石的固相线和液相线与含铁量和压力的关系.橄榄石T/T_m随深度的变化可用于定性对比具有不同热状态和橄榄石成分的上地幔流变强度,T/T_m=0.5的深度界定了上地幔从半脆性变形到完全塑性变形的转换深度.克拉通岩石圈地幔的橄榄石T/T_m显著低于造山带和伸展盆地,一直到岩石圈-软流圈边界才与周围地幔趋于一致(T/T_m>0.66),表明克拉通的岩石圈强度较高.此外,使用T/T_m分析橄榄石的变形实验结果,发现含水量对橄榄石组构的影响与压力密切相关,但是水对橄榄石流变强度的弱化作用及其与橄榄石同系温度的关系尚需进一步研究.低于6.4GPa(<200km),T/T_m控制了橄榄石[100]和[001]位错滑移的转变.在上地幔10^-(12)~10^-(15)s^(-1)的应变速率和低应力条件下,橄榄石[100](010)位错滑移系(A型组构)的稳定域为T/T_m>0.55~0.60.T/T_m<0.55~0.60时,[001]位错滑移更易于发生,低T/T_m使橄榄石的主控位错滑移系转变为[001](100),形成C型组构.这与天然变形的橄榄岩普遍发育橄榄石A型组构,而超高压变质带中经历了深俯冲的橄榄岩发育橄榄石C型组构一致.而[001](010)位错滑移系(B型组构)受T/T_m和应力的共同影响.因此,橄榄石的同系温度建立了将变形实验结果外延到上地幔流变的桥梁.克拉通地区的上地幔地震波各向异性需要一个四层模型来拟合:上层为残留的A型组构,中间为B型组构,岩石圈-软流圈边界为新生的A型或B型组构,以及Lehmann不连续面之下以扩散蠕变为主的软流圈地幔.对橄榄石组构转变机制的认识是通过地震波各向异性追踪上地幔含水量的分布和地幔流动的关键.