中国东部地区上地幔组成和结构的研究

中国东部地区上地幔组成和结构的研究

目前，对上地幔组成和结构的研究主要来自地球物理数据、高温气压实验和上地幔包体的研究。地球物理资料的地质解释通常是间接的、多解的,高温高压实验往往受限于实验材料的选择,因而对于能直接获取上地幔信息的包体研究就显得尤为重要了。国内外学者自20世纪70年代便开展了对地幔包体的研究工作,并在碱性玄武岩类、金伯利岩等岩石中找到了大量的地幔橄榄岩包体。上地幔橄榄岩包体为了解上地幔物质组成、结构构造、流变学性质和热状态等提供直接证据(Xuetal.,1996;林传勇等,1998;金振民等,2003;史兰斌等,2003),为地球物理资料解释提供了有效约束(王勤等,2007),为大陆岩石圈伸展减薄和壳幔动力学过程提供了有力证据(金振民等,2003)。对于地幔物质成分的反演、状态分层,研究大陆岩石圈的动力学演化也具有重大意义(鄂莫岚等,1987;池际尚,1988)。1辉南地区的热辐射中国东北幔源包体主要出露地区有吉林江清辉南、伊通;辽宁宽甸;黑龙江牡丹江、五大连池、镜泊湖等,其中除宽甸和龙岗产于华北克拉通外,其他包体产地归属于兴蒙造山带(周琴等,2007)。中国东北部橄榄岩包体主要是随新生代玄武岩喷发而出露,尤其在第三纪—第四纪的玄武岩中分布十分广泛。中国东北区被分为两个大的构造单元,北部古生代的兴蒙造山带和南部太古宙的华北克拉通,大致在东经125°以东,北纬40°～50°的范围内(图1)。辉南地区位于华北克拉通东北缘,在大地构造上靠近岩石圈规模的壳-幔韧性剪切带———郯庐断裂系的北端,接近以近东西向志峰-开源岩石圈断裂为界的华北北缘与兴蒙造山带南缘结合部位(图1)。本次采样地点位于辉南地区的大龙湾(DLW)和龙泉龙湾(LQLW)。发育的火山群属于龙岗火山群。龙岗火山喷发年龄小于0.6Ma(FanQichengetal.,2000),喷发活动从早更新世持续到全新世,具有多旋回、多期次、多阶段特点及爆破式火山作用包括岩浆爆破射汽岩浆和岩浆爆发交替进行的爆破式火山作用,四周多为射气岩浆喷发形成的玛珥湖(樊祺诚等,1999,2002;白志达等,2006)。该地区所在的中国东部中、新生代岩石圈减薄作用经历了软流圈地幔对古老岩石圈的侵蚀和最终的置换过程(张志海等,2006),在新生代时期岩石圈是类似于澳大利亚东南部高地表热流、高地温梯度的地区(Zhengetal.,2006)。中国东部新生代岩石圈地幔整体上也具有拉张性和不均一性。上地幔地温梯度以55～65km为界明显不同,且上地幔至少经历过两期地幔交代作用(徐义刚等,1996,2003),深部地幔至少经历过变质分异事件和隆升事件(罗照华等,2001)。2包体样品的采集辉南地区超镁铁包体岩石主要为二辉橄榄岩、方辉橄榄岩和纯橄岩3类(罗照华,1984)。本次研究所采集的包体样品属于Ringwood对上地幔岩划分的中部———尖晶石二辉橄榄岩。本文依据样品手标本及镜下特征,选取典型标本,采用电子探针、氧化缀饰和电子背散射衍射(EBSD)等技术方法,对标本的各种组构特征及流变学特征进行了系统研究。2.1b矿物晶体特征包体形态大小不一多呈椭球状或近椭球状最大包体直径可达22cm,最小的仅6cm(图版Ⅰ-1)。所采集的橄榄岩包体较新鲜,少见风化蚀变面。橄榄岩包体大都属于中粗粒结构,橄榄石和辉石颗粒一般较大,部分样品甚至可见辉石巨晶。橄榄岩受后期变形较弱,包体中仅有两个样品(LQLW08-2,LQLW08-15)可见较为明显的辉石条带,其他均未见明显的线理或面理。光学镜下橄榄岩包体多呈粒状变晶结构,也可见残斑状结构和原始粒状结构。可见三连点(图版Ⅰ-3),显示了平衡共生的结构特征和静态重结晶的过程。样品LQLW08-2和LQLW08-15单斜辉石颗粒中可见呈定向排列的含铬尖晶石出熔体(图版Ⅰ-5)。样品LQLW08-18中可见新变晶粒(图版Ⅰ-6)。此外样品LQLW08-15中局部见辉石间反映部分熔融特征的海绵边结构(图版Ⅰ-5)。各种矿物整体上而言,橄榄石呈粒状,晶形不完整。发育有塑性变形的标志之一的扭折带(图版Ⅰ-3),与晶内滑移有关。部分橄榄石残斑中可见波状消光。斜方辉石呈板状、短柱状,辉石的晶面多遭受熔蚀破坏而呈残斑状形态。单斜辉石呈板状、粒状,部分样品中的单斜辉石可见亚晶粒结构(图版Ⅰ-4),具有不同的消光位。尖晶石为棕褐色,一般呈港湾状、冬青叶状分散于矿物颗粒之间。部分样品(LQLW08-18)中可见尖晶石呈定向排列,样品LQLW08-15可见较大粒度的尖晶石出现(图版Ⅰ-2)。2.2矿石成分之间的关系依据镜下观察,本文选取了4块典型橄榄岩标本进行了电子探针分析(表1)。橄榄石的Mg对部分矿物相应成分之间的关系进行研究(图2)。从图中可以看出这些上地幔包体具有去克拉通(offcraton)性质,表明新生代时期该地区岩石圈地幔为非克拉通型。3应力吸收及控制率岩石的流动是通过位错的运动完成的,橄榄石作为二辉橄榄岩中含量最多(典型的上地幔橄榄岩包含40%～60%的橄榄石)和强度相对较弱的矿物,吸收大多数的应力并且控制着变形的速率(Jinetal.,1989)。因此,橄榄石的位错显微结构能够反映和代表整个二辉橄榄岩形成时的变形特征。同时,橄榄石作为上地幔分布最为广泛的矿物,它的变形特征和流变性质很大程度上能够作为上地幔流变学特征的代表。因而,橄榄石的位错构造研究作为一种有效的途径可以揭示地幔变形环境、变形机制和变形过程(王永锋等,2005),也为研究变形时的温压条件提供重要依据。3.1位错观察和样品制备目前位错研究技术方法主要有3种:化学浸蚀法、氧化缀饰法透射电镜分析法。对于橄榄石,化学浸蚀法需要对不同晶面选择不同的试剂,操作繁琐且危险性相对较高;透射电镜法,需要制作超薄光片并且成本较高;氧化缀饰法则对设备要求和制作成本相对较低且观察位错效果明显,是揭示橄榄石位错结构简易有效的方法(Kohlstedtetal.,1976;Zeuchetal.,1977)。氧化缀饰法对于铁元素含量不同的橄榄岩操作方法略有不同,具体操作方法为:将样品切制成大小约为1cm×2cm×3cm小方块,将宽面进行精细抛光。然后,放入数控高温炉中以每200℃升温一次,持续约15min的方式升温至900℃时保持约1.5h后,关闭电源,使样品自然冷却至室温再按常规方法制成标准薄片。由于镁铁橄榄石中的FeO组分沿着矿物中定向分布的位错发生氧化,降温时浅棕色或棕色赤铁矿(或磁铁矿)在位错线上沉淀下来,从而缀饰和衬托了位错组态特征。3.2位错构造样式二辉橄榄岩包体氧化缀饰后的位错观察发现本区各种位错类型较为齐全。有亚颗粒,位错环、位错网等位错构造样式,反映了本地区上地幔的橄榄岩包体塑性变形机制可能是以位错蠕变为主兼有稳态流动的特征。样品中主要的构造样式及相关特征如下:(1)自由位错:单个离散分布的位错。7块橄榄岩样品中均不同程度地发育有自由位错。样品中自由位错一般呈随机无定向排列。偶尔可见呈直线状定向排列(图版Ⅱ-3)。(3)位错弓弯、位错环、位错网格:如图版Ⅱ-5中,平直型位错在塑性流动中位错两端轧钉,位错中部向前滑移产生弓弯(箭头所示)。图版Ⅱ-5中矩形区域标示了典型位错环构造,为位错的交叉滑移形成。此外,样品中可见由位错交叉多级滑移形成的位错网格(图版Ⅱ-4)。这些构造样式作为高温塑性流变的典型标志,表明橄榄石经历了以位错蠕变为机制的塑性流动以及在演化后期可能经受过较低温、高应变速率的变形事件。(4)亚颗粒:是样品中较为发育的一种位错构造样式。亚颗粒是在塑性变形的恢复过程中自由位错的攀移和交滑移而形成的,由位错壁围限的一种多边形亚构造,并且位错壁两侧晶格方位存在小角度的偏转。如图版Ⅱ-2所示,亚颗粒呈矩形分布,边界平直。可见残留的或后期叠加的自由位错。亚颗粒构造是高温稳态流动显微构造的重要标志,它指示了高温位错蠕变。(5)位错的流动:如图版Ⅱ-6中所示,位错夹在位错壁之间且与位错壁大致平行,前端呈辫状向前延伸。这种位错构造样式可能是多种位错弓弯定向聚合加上后期的叠加变形的影响而形成。也可能是复杂位错的一种雏形形态。这种位错样式在该区域较少见,也未见前人报道类似位错形态。对于它的准确判断需要进一步的实验模拟和分析。4上地幔的物理状态和发展参数4.1温度分布的选择本文采用了Wood等(1973)、Nehru等(1974)、Wells(1977)、Bertrand等(1985,单斜辉石)、Brey等(1990)温度计计算了样品的平衡温度。从计算的结果看,Wood等(1973)、Wells(1977)、Brey等(1973)三者的计算结果较为接近。因此,本文选择上述3种温度计。去除与其他3个样品温度区别较大的LQLW08-18样品,得到该区主体上的温度范围为982～1085℃,平均值为1037℃。可见,该区上地幔的温度,高于徐义刚等(1995)利用较可靠的温压计和精确的数据资料计算得到的汪清地区尖晶石二辉橄榄岩包体温度位于中国东部大量辉石数据所建立的温度范围内(支霞臣等,1990);与吉林龙岗(周琴等;2010)、云南马关(陈忠等,2004;喻学惠等,2006)、青藏高原(赵志丹等,2008)、苏北盆地(刘建宏等,2007)等地区相近。尖晶石相地幔岩石包体压力计目前较少,而且作为唯一适用的橄榄石-单斜辉石压力计的准确度还太低,至少目前还不能作为可靠的研究工具来适用(吴春明,2009)。再者,本文的矿物化学成分数据均为电子探针数据,不能满足对于目前主要采用的Brey等(1990)橄榄石-单斜辉石压力计中计算压力所需的橄榄石Ca含量的测试精度。因而,本文没有对该区上地幔的压力值进行估算。4.2位错间距和几何间距岩石在稳定流动变形过程中会形成一系列显微构造,包括位错密度、亚颗粒大小和重结晶颗粒大小等,这些参数与应力呈一定函数关系,因此可以利用这种关系计算古应力值。自从上世纪70年代中期Geoetze等通过矿物变形实验,将金属物理学中估算应力大小的理论应用到地质学中后,越来越多的人将其应用到定量估算上地幔流动韧性剪切带的应力值,并且取得一定的成果。橄榄石自由位错等位错构造对后期叠加的应变和复原较新变晶粒要敏感得多,同时考虑到本区橄榄石动态重结晶颗粒难以分辨,亚颗粒构造相对较发育。因而本文采用相对稳态、分布均匀的亚颗粒构造的位错壁间距估算上地幔流动差异应力。样品LQLW08-1中较均匀和典型的橄榄石亚颗粒,本文主要对该样品的(100)位错壁间距进行统计测量。对这些统计数据取对数后可以看出近似服从正态分布(图3)。而这种分布反映了橄榄石的位错壁间距存在最佳取值,即几何平均值(Jinetal.,1989;彭松柏等,1990;王永锋等,2005)。计算结果如表2所示,取几何平均值计算,同时列出算术平均值作为参考。获得上地幔差异流动应力为:21.3～36.5MPa,平均值为:28.4MPa,位于正常上地幔稳态流变应力值(20～50MPa)范围内。所得的数值与Jin等(1989)测的东部的宽甸地区相近,略高于东部地区的整体水平。4.3上地禾平衡压力依据得出的上地幔平衡温压和流动差异应力,可以进一步推算出上地幔的应变速率和等效粘度。考虑到橄榄石是以位错蠕变为主的变形机制,且上地幔平衡压力并未进行估算。本文采用Chopra等(1984)的高温幂律公式:其中﹒ε为应变速率(1/s);A为物质结构参数(1/MPa·s);Q为蠕变激活能(J/mol);R为气体常数(J/mol·K);T为绝对温度(K);σ:应力(MPa);n为应力指数;η为有效粘度(Pa·s);Q为535×105电子投资和材料之间的运动通过对橄榄石组构的测量来探讨不同构造环境下橄榄岩的成因和机制已成为研究地幔对流和板块运动的一条有效途径(许志琴等,2005);对含水量和地震波各向异性的综合研究还有助于深入理解上地幔橄榄岩的塑性变形机制,为解释地震波观测结果和建立地球动力学模型提供重要依据(王勤等,2007)。5.1应的滑移系橄榄岩组构的研究,近年来通过对橄榄石实验和天然样品两个方面的测定已经取得了较多成果。目前实验室模拟和野外天然样品测定发现的橄榄石组构类型主要有A型、B型、C型、D型,E型5种类型,其典型样式与形成条件及所对应的滑移系如图4所示(Jungetal.,2001,2006;Karatoetal.,2008)。橄榄石在高温高压下的塑性变形主要包括位错蠕变、扩散蠕变和颗粒边界滑移,当位错蠕变为主时橄榄石会形成晶格优选方位(LPO)(王勤等,2007)。对橄榄石LPO影响因素主要有:水含量、温度、应力(Karatoetal.,2008;许志琴等,2005)。大多数天然橄榄岩样品由于受所处的动力与流变环境的局限,常见A型组构(滑移系为[100](010),产生于低剪切应力贫水条件下)(图4)。在深部上地幔样品中,橄榄石组构除A型组构外,也可以见到C型组构(产生于中等剪切应力和富水条件下)。5.2组构特征选取本次测试是在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室的环境扫描电镜实验室使用EBSD技术完成。所使用的测试系统是丹麦HKL技术有限公司制造的Nordlys-Ⅱ&Channel5.0。测试条件为20kV加速电压,21mm左右的工作距离,样品倾斜70°,有效束流～5nA。同时,为避免橄榄石准对称性(pseudo-symmetry)误差,采用人机交互式操作,测定了对应4块标本中橄榄石(及两种辉石)的晶格优选方位(LPO)。样品无明显线理和面理故没有制作定向薄片。但是斜方辉石常常在线理面理上形成特定的组构类型。因而,可以根据斜方辉石的组构特征可以来推断和校准橄榄石的组构特征。所得最终结果如图5所示。不同样品中标本橄榄石组构类型基本相似,呈现出与大陆岩石圈地幔橄榄岩中发现的橄榄石组构类型一致的A型组构。4块标本橄榄石组构特征具体如下:LQLW08-3:[100]在X轴(线理方向)上形成极密,右端极密较强,左端极密较弱。极密点偏离X轴(线理方向)约5°～10°;[010]点在Z轴(垂直面理方向)附近形成极密,极密程度相对较弱,偏离Z轴约10°～15°;[001]在Y方向上形成极密,偏离Y轴约10°～15°。最大极密为4.77。组构滑移系为[100](010),组构样式为典型的A型组构。LQLW08-15:[100]在X轴(线理方向)上形成极密,极密程度较弱。[010]点在Z轴(垂直面理方向)附近形成极密,极密程度较强,偏离Z轴约15°～25°;[001]在Z轴方向呈现大圆环带的优选方位,但是,在Y轴附近也存在较弱的点极密,偏离Y轴约5°～10°。最大极密为4.85。组构滑移系为[100](010);组构样式为A型组构。LQLW08-18:[100]在X轴(线理方向)上形成大圆环带,[010]在Z轴(垂直面理方向)附近形成强烈的点极密,偏离Z轴约5°～10°;[001]仅可见在Z轴方向上微弱的小圆环带优选方位。最大极密为4.58。无显著意义的组构类型。6al.制度简介通过地震波各向异性可以间接获取岩石圈厚度、地球深部的部分结构、地球深部物质流动等信息。本文结合获得的橄榄岩中矿物的组构,以弹性理论为基础,根据岩石矿物组成、晶体弹性参数和密度参数等,借助UnicefCareware软件包模拟计算了橄榄岩及橄榄岩中橄榄石的地震波各向异性值(Mainprice,1990;Mainpriceetal.,1994),如图6、7所示。图6与图7样品中LQLW08-1、LQLW08-3、LQLW08-15均显示出最大Vp方向与橄榄石[100]轴极密方向平行,最小的Vp方向与橄榄石[010]轴极密方向大致平行。样品LQLW08-18最大Vp方向位于面理内近于垂直于线理,最小的Vp方向与其他3个样品保持一致。这样的结果和橄榄石的LPO较大程度上相吻合,符合“橄榄石的地震波各向异性与橄榄石LPO有直接的成因关系”的说法(金振民等,1994)。4块橄榄岩的地震波各向异性值在的范围内变化位于王勤等统计的二辉橄榄岩地震波各向异性4.8±2.7%范围内,可见本区与整体的上地幔在一定程度上环境相似。对于橄榄石和橄榄岩的纵波各向异性,可以看出橄榄石的AVp(各向异性)值明显高于橄榄岩。表明了橄榄石是橄榄岩产生各向异性的主要矿物。样品LQLW08-1、LQLW08-3、LQLW08-15、LQLW08-18中橄榄岩中橄榄石与橄榄岩的纵波分别为1.5、2.4、3.9、2.2。结合橄榄岩中各矿物含量,可以看出橄榄岩各向异性差值随斜方辉石的含量的增加而降低。可见,斜方辉石降低了橄榄岩整体的各向异性。7讨论7.1显微变形特征及晶轴选择差异薄片的观察与温度等流变学条件的推导得出的橄榄石变形机制以位错蠕变为主,而这也是形成优选方位的先决条件,也印证了橄榄石优选方位的形成。样品总体上的A型组构特征与地质产出背景相符合,表明橄榄石的变形能够在一定程度上客观反映上地幔的变形特征。微观上的橄榄石的晶格优选方位又能与宏观上的橄榄岩的变形程度相联系,极密的程度反映了变形程度的强弱。图5中可以看出橄榄石整体极密程度为较弱与测得的差异应力值和观察到的较弱的颗粒变形及无宏观上的线理、面理相一致,反映了橄榄岩相对中低程度的变形特征。橄榄石的优选方位主要受控于差异应力、温度和水含量3种因素。样品LQLW08-18中橄榄石[100]晶轴在X轴(线理方向)上形成大圆环带,不同于其他3块标本,而其流变学参数中温度也存在着差异。这似乎暗示了可能是温度差异产生的橄榄石组构类型上差异的一个效应,而这个效应则更倾向于作用在[100]晶轴上。7.2关于上地禾岩石圈厚度变化的地质意义作者搜集了部分前人计算得到的不同区域尖晶石二辉橄榄岩的流变学参数(表3),通过与本区的流变学参数进行对比,从而获得研究区流变学各种参数对该区上地幔的启示作用以及研究区所处的特殊位置对华北克拉通破坏的启示作用表3中可以发现不同地区的流变学参数都存在着差异。首先,这说明了上地幔不仅在大的区域,而且在相隔较近的区域范围内也可能存在着不均一性。其次,对于华北克拉通而言,岩石圈厚度的变化是华北克拉通的破坏标志之一。而地球各层圈的构造变形归根到底就是多矿物岩石的变形,这些多矿物岩石变形又受控于多矿物岩石的流变学性质。正如,岩石圈减薄实质上就是岩石圈底部流变强度弱化的过程(嵇少丞等,2008),而影响地幔岩石流动变强度的因素包括温度、应变速率、等效粘度、水含量、变形机制等流变学参数。可见,这些流变参数的变化在一定程度上反映和影响了岩石圈厚度的变化,流变学参数变化的程度则很可能标示了岩石厚度变化的大小。辉南二辉橄榄岩流变学参数表明,该区橄榄岩流变学特征与前人对有关地区的研究成果有些不同。刘若新等(1990)在前人的资料基础上建立的华北地区地幔最上层岩石-物性分层模型,其中尖晶石相二辉橄榄岩应变速率为108显微组构特征为上地禾变岩组构的提出和应用奠定了基础通过对辉南地区上地幔包体的化学成分、温压条件、位错特点、组构特点、相应的流变参数及地震波性质的综合研究,本文获得以下几点认识:(1)该地区幔源包体主要为尖晶石二辉橄榄岩。橄榄岩