大别超高压榴辉岩高温高压下地震波速和密度的初步实验研究——对造山带地壳深部组成和莫霍面性质的启示

<正>深部岩石高温高压下物理性质是制约地球物理测深成果解释、建立岩石圈物质组成和结构模式、探讨超高压变质带俯冲和折返机制的先决条件,也是大陆科学钻探先行研究的重要基础性工作.地震各向异性(Seismic anisotropy)和S波分裂(Shear wave splitting)研究已成为揭示岩石圈动力学机制的新方向,但目前有关超高压岩石的实验数据尚十分缺乏例如,目前国际上对榴辉岩地震波速实验研究最详细的成果应属Fountain等1994年对挪威加里东造山带榴辉岩的研究,该研究系统测定了至600MPa不同压力下榴辉岩和有关麻粒岩的P波速度和波速各向异性,但未研究S波以及温度对波速的影响.本文报道了大别超高压榴辉岩及其围岩在高温高压和组构定向条件下精确测定地震P波、S波、波速各向异性、S波分裂、泊松比、密度和体积变化的初步成果,探讨了实验结果在大别超高压带深部结构、组成和莫霍面性质研究中的意义.     

大别-苏鲁造山带超高压变质岩矿物水含量和氢同位素组成

将热分解元素分析仪(TC/EA)与同位素气体质谱仪(MS)连接起来,建立了TC/EA-MS在线连续流方法,分析了大别-苏鲁造山带超高压变质岩中矿物的水含量和氢同位素组成.采用分步加热方法,研究了石榴石中不同形式水(分子水和结构羟基)的含量和氢同位素组成.通过对若干典型露头超高压变质岩进行系统的矿物氢同位素和水含量测定,认识到在深俯冲板块折返过程中,超高压片麻岩能够比榴辉岩释放出更多的水.在榴辉岩和片麻岩接触带的降压脱水,释放的水会从片麻岩进入榴辉岩从而导致邻近片麻岩的榴辉岩发生显著的水化.通过测定榴辉岩中矿物最高水含量,得到石榴石和绿辉石在峰期超高压条件下所能溶解的最大水含量分别约为2500和3500 ppm.     

广角反射地震探测得到的中国东部地壳三维P波速度结构

利用人工地震探查所取得的广角反射及折射地震资料, 探讨研究了中国东部区域地壳三维P波速度结构的区域特征. 结果表明, 研究地域的西部地区Moho面埋深较深, 深度为35~48 km, 反映了西部厚地壳特征. 中部的苏鲁-大别造山带地区, 20 km以上的上地壳波速明显呈高速异常分布; 而下地壳30 km处的速度结构却显示为低速度异常特征. 苏鲁-大别山区的Moho面深于其周围邻区, 苏鲁地区达到32~33 km; 大别地区其Moho面深达36~38 km. 苏鲁-大别地区上地壳P波高速异常结构特征, 可能与这些地区存在的高压、超高压变质带构造演化有关. 大别-苏鲁地区在下地壳深处存在地壳山根, 因此与周围邻区相比P波速度呈现为低速结构. 这些P波速度高速和低速区带在大别地区都位于郯庐断裂的南端西侧, 在苏鲁地区异常区则都位于郯庐断裂的北段东侧, 似乎是被郯庐断裂错断所致. 且错动从地表延伸到30 km深处. 上述结果, 可为岩石圈地壳构造与郯庐断裂演化分析提供地震学新证据.     

河南桐柏地区榴辉岩的特征及其地质意义

首次在河南桐柏地区发现了榴辉岩及相应的高压变质带 .榴辉岩和可能由榴辉岩退变形成的石榴角闪岩呈透镜状产于云母片岩中 .新鲜的榴辉岩由石榴石、绿辉石、石英、金红石、多硅白云母、冻蓝闪石等组成 .石榴石的成分特点和有关的地质温压计表明它们属于低温榴辉岩 .云母片岩由多硅白云母、石英、石榴石和金红石等组成 ,也为高压组合 .榴辉岩及有关高压变质带的时代可能为早古生代 ,与大别印支期高压、超高压变质带不同 .     

高温高压下碱性橄榄玄武岩的P波速度及其影响因素

地震波反演是认识地球深部结构的有效手段之一,尽管近年来高温高压波速就位测量的实验技术得到了发展,所能达到的压力已很高,但仍然缺乏作为反演基础的地球深部物质在高温高压条件下的波速及其影响因素的实验数据。笔者选择蛇纹石化碱性橄榄玄武岩,在2.0～5.0GPa和温度达1500℃范围内测量了P波速度,探讨了温度、压力、相变及其蛇纹石脱水对P波速度的影响,发现在熔融前存在声软化效应,并分析了声软化效应产生的机制。     

大别造山带深部地缝合线与地表地缝合线的解耦及大陆碰撞岩石圈楔入模型: 中生代幔源岩浆岩Sr-Nd-Pb同位素证据

中国东部华北和华南陆块的中生代镁铁质岩浆岩的Nd-Pb同位素存在显著差异 华北陆块中生代幔源岩浆岩的εNd值可低至-15～-21, 206Pb/204Pb<17.9, 而华南陆块的εNd值>-10, 206Pb/204Pb>18.3. 大别造山带北部发育的中生代辉石-辉长岩的εNd值可低至-19, 206Pb/204Pb<17.3. 这说明北大别带深部岩石圈的地球化学特征与华北陆块岩石圈类似, 而不同于华南陆块. 因此, 虽然大别造山带华北与华南陆块地表地缝合线位于北大别带北侧, 但是切割中国东部的中生代深部岩石圈Nd同位素剖面显示其深部地缝合线应位于北大别带以南. 这与前人建议的郯庐断裂以东深部地缝合线南移现象是一致的, 但与华南陆块地壳向北俯冲相矛盾. 这一深部地缝合线与地表地缝合线的解耦现象可以用大陆碰撞岩石圈楔入模型来解释. 俯冲板片断离后, 两陆块的持续会聚可形成缝合带的强挤压环境, 从而导致已折返的俯冲陆壳与未折返的镁铁质下地壳及岩石圈地幔分离, 并使华北陆块下地壳及岩石圈楔入扬子陆块北缘俯冲陆壳和岩石圈地幔之间. 这一构造作用导致华南陆块原俯冲陆壳向北仰冲, 而华南陆块深部岩石圈向华北陆块下俯冲. 它是导致大别山侏罗纪超高压变质岩的第2次快速抬升和岩石圈拆离(delamination)及相应岩浆作用的重要构造机制. 大别-苏鲁造山带深部地缝合线南移也为早白垩纪沿长江中下游一带发生的大规模中生代岩浆-成矿作用创造了深部构造条件.     

超高压变质与大陆碰撞研究进展: 以大别-苏鲁造山带为例

大陆深俯冲研究已经成为21世纪发展板块构造理论的前沿和核心课题. 大别-苏鲁造山带出露有世界上最大的超高压变质构造单元, 地球科学家以此作为天然实验室, 在超高压变质和大陆碰撞的一些重要领域取得了国际上有影响力的系列成果. 本文概括了其中12个方面的突出进展, 主要包括超高压变质岩的空间分布范围、超高压变质作用的年龄、超高压变质作用的持续时间、深俯冲陆壳的原岩性质、大陆碰撞过程中的俯冲侵蚀和地壳拆离、大陆地壳俯冲的可能深度、大陆俯冲带深部流体活动、大陆碰撞过程中的部分熔融、大陆俯冲带深部元素活动性、俯冲大陆地壳物质再循环、碰撞后岩浆作用的地球动力学机制、碰撞造山带岩石圈结构等. 对今后研究的问题和方向也提出了建议.     

1.5~3.0 GPa压力条件下多硅白云母榴辉岩的脱水熔融实验研究

以大别山东部碧溪岭超高压变质榴辉岩为实验样品, 使用活塞圆筒式高温高压装置, 在1.5~3.0 GPa, 800~950℃下进行封闭体系的脱水熔融实验. 结果表明: (1) 1.5~2.0 GPa下, 含5%多硅白云母榴辉岩的初始熔融温度(Tm)≤800~850℃, 熔融形成比例为3%的花岗质熔体; (2) 随着温度和压力变化, 榴辉岩中多硅白云母脱水熔融形成不同反应产物. 1.5~2.0 GPa和800~850℃下, 多硅白云母和黝帘石在亚固相下析出流体使岩石部分熔融, 蓝晶石形成斜长石反应边; (3) 随着温度升高, 多硅白云母与绿辉石、石英发生熔融反应, 形成更长石、蓝晶石和熔体, 更长石是多硅白云母在榴辉岩中主要的脱水熔融反应产物; (4) 1.5~3.0 GPa, ≥900℃的脱水熔融反应形成镁铝榴石分子较高(37.67%~45.94%)的新生石榴石; 在2.4~3.0 GPa, ≥900℃下, 反应产物中形成钾长石和硬玉, 代表反应体系处于更高压力下的流体不饱和状态. 实验初步约束了1.5~3.0 GPa下多硅白云母榴辉岩的脱水熔融固相线. 将实验结果与大别-苏鲁地区超高压榴辉岩的部分熔融特征相结合, 推断大别-苏鲁多硅白云母榴辉岩在折返过程中发生脱水熔融的压力和温度区间应为1.5~2.0 GPa, 800~850℃, 并指示超高压榴辉岩在不同变质相转变过程中可能经历了流体活动性明显不同的部分熔融过程.     

高温高压下碱性橄榄玄武岩的P波速度及其影响因素

<正> 地震波反演是认识地球深部结构的有效手段之一,尽管近年来高温高压波速就位测量的实验技术得到了发展,所能达到的压力已很高,但仍然缺乏作为反演基础的地球深部物质在高温高压条件下的波速及其影响因素的实验数据。笔者选择蛇纹石化碱性橄榄玄武岩,在2.0～5.0GPa和温度达1500℃范围内测量了P波速度,探讨了温度、压力、相变及其蛇纹石脱水对P波速度的影响,发现在熔融前存在声软化效应,并分析了声软化效应产生的机制。     

青藏高原腹地榴辉岩研究进展及其地球动力学意义

近年来在青藏高原腹地的中羌塘构造带、班公湖-怒江构造带的八宿变质杂岩及拉萨地体内部的松多和蓬湖等多处, 发现了榴辉岩, 在八宿和蓬湖榴辉岩中还甄别出辉石中出溶石榴石条带等多种典型的超高压变质现象. 这些榴辉岩所记录的超高压变质作用均发生于早中生代. 伴随这些超高压变质岩的折返, 在中羌塘带、班-怒带东部和拉萨地体东部都发生了广泛的(后)碰撞型岩浆活动. 这些早中生代榴辉岩的厘定揭示特提斯演化的无序性, 它们本身可能是西羌塘-拉萨复合陆块不规则大陆边缘与东羌塘陆块, 沿着连接的班-怒带东部至羌塘中部构造带穿时碰撞拼贴的结果, 相关岩浆岩则是岩石圈加厚熔融和拆沉的产物. 中羌塘和八宿榴辉岩都是大陆俯冲的产物, 它们的折返和剥蚀分别为松潘-甘孜三叠纪复理石沉积和班-怒带西部侏罗纪复理石沉积提供了重要的物源. 青藏高原榴辉岩研究尚属起步阶段, 亟需在岩石分布、典型岩石-矿物序列及其形成的温、压条件、形成和折返的时限和机制、原岩特征及构造背景、与特提斯演化和大型盆地关系上, 深入进行研究.     

大陆俯冲带流体活动和元素迁移:大别-苏鲁超高压变质岩和变质脉的研究

大别-苏鲁超高压变质岩和变质脉的岩石学及地球化学研究表明,在大陆俯冲带流体-岩石反应过程中,伴随着显著的元素迁移和同位素分馏.大别-苏鲁造山带高压脉中单矿物(如金红石和多硅白云母)具有明显的生长环带,指示变质脉是流体-岩石相互作用的结果.较高的流体/岩石比和强烈的二者相互作用是导致Nb-Ta迁移和分异的主导因素.对中国大陆科学钻探主孔石榴橄榄岩、榴辉岩和变质脉的Li和B同位素地球化学研究,表明在陆壳深俯冲和折返过程中Li和B发生了明显的分馏且表现出不同的地球化学行为.富集Si,Al,Na,LILE(如Rb,Ba和Sr)和HFSE(如Nb,Ta和Ti)的高压变质脉的存在以及不同岩性接触带高度变化的地球化学特征指示,在峰期超高压变质条件下可能形成了超临界流体,它对微量元素的迁移起到了非常重要的作用.     

新疆西南天山超高压变质带的空间分布、峰期变质时代和P-T轨迹特征

总结了近年来有关新疆西南天山超高压变质带研究取得的进展.根据新发现的柯石英矿物包体,结合以前报道的一些超高压变质矿物学证据,在西南天山蓝片岩-榴辉岩带中确定了长约80 km,宽10 km以上的超高压变质带,这是目前出露规模最大的洋壳岩石深俯冲超高压变质带,并确定了其由南向北的俯冲带极性.对含有柯石英的石榴石云母片岩中变质生长锆石边的定年,获得超高压变质时代为320±3.7 Ma,结合退变榴辉岩中获得的233-226 Ma变质边锆石的时代,确定了其退变过程经历了漫长的变质演化.根据详细的岩石学相平衡模拟计算,确定了西南天山含柯石英榴辉岩和石榴石多硅白云母片岩的P-T轨迹都具有热弛豫特征,即温度峰值期滞后于压力的峰值期,表明超高压变质岩石在俯冲通道中经历了缓慢的、长时间的升温减压抬升过程.根据少量的榴辉岩透镜体包裹于大面积的云母片岩中的野外产状特征,而且含柯石英榴辉岩和云母片岩都具有相似的P-T轨迹,提出了西南天山超高压变质榴辉岩的抬升可能是由于大面积的低密度的云母片岩抬升折返过程中把密度较大的榴辉岩携带到地表的新认识.     

西大别超高压榴辉岩中石英脉锆石年龄和Hf同位素组成

对西大别红安地区超高压榴辉岩中石英脉的锆石进行了U-Pb年代学和Hf同位素组成的研究. 结果提供了超高压变质岩石折返阶段流体活动的时间、条件和流体来源等方面的信息. 石英脉中的锆石具有非常完好的晶型, 振荡环带或弱分带结构, 表明它们是从石英脉形成过程中的流体中结晶出来的. 它们的206Pb/238U加权平均年龄为(224.7 ± 1.3) Ma, 是石英脉形成时间的最佳估计值, 记录了超高压岩石早期榴辉岩相折返阶段流体的活动. 热液锆石具有非常低的Lu/Hf同位素比值, 与它们形成于榴辉岩相变质作用阶段相一致. 这些锆石的Hf同位素组成与寄主榴辉岩中的锆石一致, 指示石英脉形成过程中只有小规模的流体活动, 流体为内部来源. 因此, 热液锆石的Lu-Hf同位素体系可以为流体的形成条件、性质以及来源提供有效的制约.     

大别山超高压变质带内浅变质岩片的发现及意义

大别山中南部分布着约1000余平方公里的超高压变质(UHP)带,可谓世界出露规模最大的造山带超高压变质带.UHP岩石形成与折返机制成为大陆造山带研究热点.目前人们的工作焦点集中于UHP岩石的矿物、地球化学、年代学和变质作用(PTt轨迹),而UHP带内部岩石变形和组成研究相对较少,但已引起重视.作者自1992年在苏北赣榆UHP岩石之下发现“石桥浅变质岩构造窗”后,近年在大别山UHP带又找到了浅变质岩片,并进行露头填图、年代学及组成研究.本文现就其地质特征和年代学的初步成果进行讨论.1 浅变质岩片地质产状与特征作者发现的浅变质岩,位于岳西县菖蒲南4km港河桥(图1).菖蒲是大别山UHP带典型出露区,产出与大理岩的榴辉岩、片麻岩的榴辉岩,以及超基性岩的榴辉岩等不同类型的UHP岩石伴生.在其北约3km为大别山最大的榴辉岩体——碧溪岭岩体(约0.7km~2),这是与石榴橄榄岩伴生的UHP类型,浅变质岩片夹在榴辉岩-片麻岩和榴辉岩-大理岩中,出露宽约80m,长>300m(未控制).岩性为酸性火山碎屑岩和火山沉积岩(板岩),变质程度低,由火山碎屑指示的原生层面依稀可辨,其SiO_2为68.46～72.04,Al_2O_3为18.52～21.56,K_2为O3.25～3.46,Na_2O为1.04～1.18;面理平行接触带,平行UHP带的面理产状,倾向南东(120°～140°/40°).接触带     

大别山区中酸性麻粒岩和变形花岗岩的锆石U-Pb年龄

大别山不仅出露含柯石英和含金刚石的榴辉岩,而且有相当面积的麻粒岩相岩石和角闪岩相岩石。近年已应用多种年代学方法对榴辉岩进行了较为系统的定年研究,但有关麻粒岩相岩石的年代学研究少有报道,因而尚不能为了解麻粒岩与榴辉岩的成因联系,特别是为探索大别杂岩前寒武纪构造演化提供年代学制约。本文拟对中酸性麻粒岩和侵入其中的变形花岗岩的单晶-微量锆石U-Pb定年结果进行报道。     

西藏米林Ms6.9级地震余震定位和地壳浅层速度结构

北京时间2017年11月18日06时34分,西藏自治区林芝市米林县发生了Ms6.9级地震.为监测余震活动,震后围绕震中架设了28套宽频带地震台站获取了180 d观测数据.利用hypoDD双差地震定位法和LOTOS-12算法对余震事件进行精定位.结果表明,余震以主震为中心NW-SE向展布长约50 km、宽约30 km,根据余震分布推测存在3条与西兴拉断裂走向基本一致的,倾角自西北端向东南端逐渐变陡的活动断裂.结合LOTOS-12算法同时获得地壳浅层约20 km深度以上的P波和S波速度扰动分布结果.主震处于波速高低异常转换带,余震主要发生在地震波P波和S波速度负异常区,反映震源区地层破碎、断裂分布集中的特点.整体上,以南迦巴瓦峰为界, P波和S波大致呈北部高速异常,南部低速异常特点.该现象可能与北侧拉萨地体相对完整且岩性古老刚冷,而南侧及南迦巴瓦变质体相对破碎且岩石生成年代较新岩性软热有关.此外,紧邻南迦巴瓦峰西北侧区域的体波高速异常现象可能与该区域石榴子石矿物富集有关.     

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.     

大别-苏鲁造山带碰撞后的岩石圈拆离

应用地质、各市地球化学及地球物理3个方面已有的研究结果，探讨大别-苏鲁造山带碰撞后岩石圈撤拆离发生的可能性及发生时代，大别山超高压变质（UHPM）岩第1次快速冷却时代（226～219Ma）与秦岭-苏鲁地区同碰撞花岗岩年龄（220～205Ma）的一致性，说明UHPM岩石第1次快速抬升与俯冲板块断离有关，因此它们的第2次快速抬升（180～170Ma）需要碰撞后的岩石圈拆离，同时导致大别山170Ma左右的岩浆事件，此外，早白垩世（130～110Ma）大别山穹隆的迅速隆升及相对应的大规模岩浆事件也需要另外一次岩石圈拆离，碰撞后幔源镁铁-超镁铁岩侵入体的同位素年代学及相互关系的研究表明，大别-苏鲁造山带碰撞后的早白垩世大规模岩浆事件源于深部软流圈地幔上涌，辉石-辉长岩随MgO降低，SiO2也下降的分离结晶演化趋势，及典型的下地壳地球化学特征表明，这一幔源岩浆在侵入地壳之前曾经历过岩浆的板底垫托（underplating）过程及与下地壳相互作用，岩石圈拆离可能是引发造山带碰撞后地幔上涌及岩浆板底垫托事件的原因，大别-苏鲁造山带的地震层析结果显示，大别山南北两侧岩石圈均已显著减薄，除合肥盆地靠近郯庐断裂部分的岩石圈减薄可能与新生代玄武岩事件有关系外，因为大别山缺乏新生代玄武岩事件，大别山区的岩石圈减薄可能主要是岩石圈拆离造成的，此外，在40km处该带普遍存在一薄的低速层，以及该带白垩纪存在盆地 穹隆 盆地的耦合关系，均显示了该造山带两侧曾发生了岩石圈拆离和岩浆板底垫托作用。     

地球深部科学中的静态超高压实验研究

目前超深钻探的最大深度只有13km,幔源岩石所提供的上地幔物质成分资料一般涉及的深度也仅在200km以内,全球性地球物理测量虽然能提供地球深部从地幔直至地球核心的物理参数,但无法了解地表以下各层圈的物质组成,因而开展超高压下的模拟实验研究对于了解地球深部物质的成分、性质和状态非常重要.超高压实验技术分为两大类型:动态超高压实验技术和静态超高压实验技术.动态超高压实验技术是利用各种爆轰装置产生冲击压力,同时在瞬间产生高温.在地球内部,物质一般处于静高压状态,因而动态超高压实验一般仅用来进行核幔边界区和地核物质状态方程的测定,所获得的实验结果可为静高压实验研究提供基础资料,而其他关于地球深部的模拟实验研究主要是在静态超高压实验装置中进行的.     

通化地区印支期花岗岩锆石U-Pb年龄及其与大别-苏鲁超高压带碰撞造山作用之间的关系

应用颗粒锆石U-Pb法, 对出露于吉林省南部通化地区的岔信子岩体、小苇沙河岩体和龙头岩体进行了侵位年代测定, 确认它们形成于印支期, 年龄为203~217 Ma. 地质与地球化学研究显示, 该时期形成的岩体主要包括石英闪长岩和花岗岩两大岩石类型, 前者来自于基性下地壳或者岩石圈地幔的部分熔融; 而后者来源于加厚地壳的部分熔融, 且岩浆源区存在石榴石残留相. 尽管上述两类岩石的源区不同, 但它们具有完全一致的形成年龄. 由于这些花岗岩与北侧兴蒙-吉黑造山带中的同期岩石性质差别较大, 而其年代仅比大别-苏鲁超高压变质作用的年代晚10~20 Ma左右, 与超高压变质岩的第1次快速折返和碰撞后花岗岩的年代一致, 推测其形成应与大别-苏鲁超高压碰撞造山带作用有关.