论文部分内容阅读
青藏高原是研究大陆动力学的理想天然实验室，地球物理研究，特别是地震波各向异性观测结果提供了大量关于青藏高原构造演化的信息。但是，地球物理方法存在多解性，在解释上带有很大推测性。目前，从橄榄岩流变学角度探讨青藏高原上地慢的研究仍然很少，在很大程度上限制了我们对青藏高原上地慢构造演化和流变学特征的了解以及地震波各向异性观测成果的解释.橄榄石(岩)是上地慢最重要的组成，其流变学性质在很大程度上决定着上地慢的流变性质，并进而控制着岩石圈的力学行为以及地慢对流动力学.青藏高原中部班公湖一怒江缝合带中段东巧地区出露有蛇绿岩套中地慢橄榄岩，为我们研究该地区上地慢流变学性质提供了难得的机会。本文通过对东巧地区地慢橄榄岩的流变学特征研究和橄榄岩高温流变学实验研究，获得如下有意义的成果:
·岩石学和地球化学研究表明，东巧地区广泛出露的蛇绿岩套地慢方辉橄榄岩和纯橄榄岩是原始地慢岩石高度部分熔融的产物。对东巧地区采集的8个方辉橄榄岩样品氧化缀饰法研究发现，残斑橄榄石中发育了丰富的位错组态类型，主要有(100)位错壁、位错弓弯、自由位错以及位错网等.这些位错亚构造反映了东巧地区上地慢经历了明显塑性变形，特别是，(100)位错壁是橄榄石在稳态流动变形过程中通过刃型位错滑移和攀移多边化作用形成的。结合橄榄石和斜方辉石中发育的扭折带和波状消光现象，我们认为东巧地区方辉橄榄岩所反映的上地慢塑性变形机制主要是位错蠕变占主导。
·东巧地区橄榄石位错显微构造研究揭示位错壁分为宽阔型和紧密型两种类型，其平均位错壁间距值分别为25.52μm和8.91μm。根据两种位错壁间距估算的差异应力值分别为43.9 MPa和150.9NTa〔均为加权平均值)，前者反映其对应的宽阔型位错壁是上地慢流动变形的产物;而后者则可能反映了蛇绿岩构造侵位过程中经受了较大的构造应力作用。据此，我们将东巧地慢岩的变形划分为两个阶段:
阶段一:地慢缓慢塑性流动变形
地慢橄榄岩在地慢高温塑性流动中产生变形形成宽阔型位错壁(对应应力值为43.9MPa)。此外橄榄石中还发育了自由位错和位错弓弯等位错亚构造。这一阶段变形应该是在中晚侏罗世之前的一个弧后或弧间的小洋盆上地慢中完成的。
阶段二;蛇绿岩侵位过程中的变形
中晚侏罗世(175-180Ma)时，东巧地慢橄榄岩体开始侵位。在侵位过程中，橄榄岩又经历一次变形的改造，产生紧密型位错壁(应力值约为150.9MPa)。这一阶段的变形使第一阶段变形过程中产生的自由位错重新活动，从而可能改变了自由位错密度。
·上地慢流变学参数估算:由于东巧橄榄岩中缺少单斜辉石，我们根据单辉石温度计估算了平衡温度为摄氏1014-1096度。借助于橄榄石中位错壁亚构造，我们估算了东巧地区具有代表性的上地幔流变学参数，获得差异流动应力为43．9MPa(根据宽阔型位错壁间距计算)，这一数值与根据幔源包体估算的上地幔差异应力值相吻合；流动速率为6．67 X10<-14>S<-1>-9．98×10<11>s<-1>，有效粘度为1．47×10<17>Pas～2．19×10<20>Pas。这些参数为进行古岩石圈地球动力学模拟和与现今青藏高原地区上地幔流变参数对比以探讨它们随时间的演变情况提供了有益资料。
·利用费氏旋转台初步测定了东巧地区三个地幔方辉橄榄岩中残斑橄榄石的晶格优选方位特征。TD0021和TD0024样品的组构与目前已有组构资料不同，其成因有待进一步研究。样品TD0018中橄榄石晶格优选方位特征反映橄榄石的主导活动滑移系为(010)[001]，与经典的橄榄石A型组构不同，属于异常B型组构，是在高含水量和／或较高应力条件下形成的。傅立叶红外光谱分析表明，该样品中橄榄石结构水(OH)含量为128ppm，对应的吸收峰为3686em<-1>,斜方辉石中则没有测到结构水。结合研究区所处的构造背景(俯冲带环境)以及地震方面的资料解释，推断东巧地区上地幔可能富含“水”，并主要赋存在橄榄石中。B型异常组构的发现暗示东巧地区上地幔存在着近南北向的地幔水平流动。此外，B型组构还揭示橄榄石最大Vp方向并不一定与地幔流动方向一致，特别是在富水的岩石圈地幔地区。
·利用0．1MPa高温流变仪对人工热压合成的尖晶石二辉橄榄岩(65％橄榄石，20％斜方辉石，10％单斜辉石和5％尖晶石)在常压、温度1140-1200℃、差异应力4-7lMPa、和氧逸度lO<-7>-10<-11>MPa条件下进行了60个变形实验，成功模拟了动态条件下部分熔融上地幔岩石的流变学实验，获得的应变速率介于1．70×10<-5>-4.70×10<-8>s<-1>。虽然国内外已经在1atm条件下对单晶矿物进行了大量流变学实验，但多相矿物岩石的流变学实验很少报道，其原因是没有围压条件下实验难度大，成功率低。我们分别进行了三种类型实验：(1)在固定温度和氧逸度的条件下，通过逐步改变负载(相当于改变差异应力)大小观测应变速率对差异应力的依赖关系，发现应变速率随差异应力增加而增大，获得应力指数n=1．6±0．6：(2)固定差异应力和氧逸度，逐步改变温度，研究应变速率对温度的依赖关系，温度增加也使应变速率增大，活化能Q=1428±48kJ／mol：(3)固定差异应力和温度，逐步改变氧逸度，考查应变速率对氧逸度的依赖关系，应变速率随氧逸度增加而增大，氧逸度指数m=0．05±O．02。描述岩石高温蠕变的流变学本构方程一般具有如下形式：根据我们的高温流变学实验资料建立的尖晶石二辉橄榄岩的流变学本构方程，在考虑压力以及颗粒大小影响的前提下，上述成果为我国西藏地区上地幔动力学模拟提供了重要的流变学实验约束资料。
·利用光学显微镜和扫描电子显微镜对变形实验样品进行显微构造观察，结果显示橄榄石和斜方辉石中没有明显的扭折带和波状消光现象；实验变形样品中含有相当数量的微米级熔体，熔体比例约为2-4％。熔体主要分布在颗粒之间的三联点和四联点空间中，形成的两面角一般都小于60<。>，但是经常可以观察到三联点熔体呈锥形楔入相邻的颗粒边界中，形成<5<。>的两面角。同时，也有相当一部分熔体以相对较厚的熔体层(厚度一般<1μm)和接近纳米级的熔体薄膜形式存在于两个颗粒边界之间，其中，熔体层常常构成充填三联点熔体之间连接的通道。结合应力指数(1.6±0.6)和活化能(1428kJ／mol)，我们认为实验样品的主导变形机制以位错蠕变为主，同时伴有熔体强化的扩散蠕变变形。在假定上地幔橄榄岩的颗粒大小与我们实验样品一致的前提下，我们认为仅仅由位错蠕变导致的橄榄石LPO可能不足以解释羌塘地区砌波缺失区十分强烈的剪切波分裂观测结果，而很可能是岩石圈地幔主要矿物的晶格优选方位和定向分布熔体(MPO)共同作用的结果。
电子探针分析结果表明，相对于原始材料，实验后样品由于发生部分熔融作用而使Al、Ca和Si大量进入熔体，形成拉斑玄武岩。在部分熔融过程中原岩的尖晶石和辉石提供的铬元素相结合，形成了铬铁矿。利用能谱(EDAX)对三个样品中充填三联点的熔体以及颗粒边界的熔体层进行了线分析，靠近熔体的橄榄石颗粒边界相对于颗粒内部明显富集Al、Ca和Na，而亏损Fe和Mg：斜方辉石也具有相同的趋势。这些趋势充分反映了部分熔融过程中造岩矿物中的Al、Ca．和Na等易熔组分更趋向分布于熔体中，而使矿物中的耐熔元素(如Fe和Mg)比例相对增大，这也与电子探针分析结果相吻合。