大别-苏鲁造山带含柯石英榴辉岩的形成深度研究

岩石圈的地压梯度东华理工大学2018-4-22，北京1胡宝群汇报提纲一压力有多大？二深度有多大？ 地压梯度——压力换算成深度的关键三岩石圈的地压梯度：组成，理论计算，温压统计，基本规律四地压梯度变化的意义：渐变，突变相对应的意义五板块运动的“地压梯度驱动说”六结论2一压力有多大？1.1高压、超高压矿物和岩石1.2成矿作用及成矿压力1.3地震、火山等地质过程中压力变化1.4相互有何关联？通过什么关联？1.1高压、超高压矿物和岩石

——超高压变质岩峰期变质压力大别超高压变质岩的变质峰期压力大于2.5GPa.大别北部超高压变质大理岩峰期变质组合为方解石+白云石+金红石+镁橄榄石+钛-斜硅镁石+富镁的钛铁矿±文石±石榴子石等,类似于苏-鲁超高压大理岩,形成压力为2.5-3.5GPa（刘贻灿等,2001）。太湖毛屋含钛-斜硅镁石的石榴辉石岩的温压条件约为740℃和4.0GPa以上,由此表明大别山南部镁铁-超镁铁岩曾俯冲到大于100km的地幔深度（SchertlandOkay,1994).4牛贺才等（2007）:在新疆北部扎河坝-阿尔曼泰早古生代造山带的扎河坝地区石榴子石单斜辉石岩中，发现了超硅石榴子石及同样具有超高压特征的超钛石榴子石。其稳定存在的压力>5GPa，认为形成深度不小于300km寄主岩石-石榴辉石岩是与洋壳超深俯冲有关的超高压变质岩.5张金凤和张泽明:（2006）喜马拉雅超高压变质带主要由表壳岩石组成,其中的长英质变质岩已经全部退变质,只在基性的榴辉岩中保留有某些超高压变质矿物。这些超高压变质矿物在锆石、石榴石及其他一些化学和机械性质稳定的矿物中以微米级的包裹体形式产出。在TsoMorari结晶穹隆和上Kaghan谷喜马拉雅结晶岩中发现了超高压指示矿物柯石英和多晶石英假像。TsoMorari结晶穹隆中超高压变质岩的形成条件约为750℃和3.9GPa。Kaghan谷超高压变质岩形成条件为700-770℃和2.7-3.2GPa,相当于90-110km的上地幔深度。6张泽明等(2005):苏鲁造山带超高压变质作用峰期发生在1000~1100℃和6~7GPa条件下,俯冲深度相当于200km,形成年代为240~250Ma苏鲁地区超高压变质岩作用P-T-t轨迹7如宋述光（2007）等研究，都兰地区高压岩石得出:北带榴辉岩峰期变质温度范围为631~687℃，压力为2.87~3.17GPa，位于柯石英的稳定域之上。 南带榴辉岩的峰期变质温压条件为p＝2.86~3.26GPa，T＝729~768℃。 麻粒岩相 变质的压力p＝1.86~1.98GPa，874~947℃ 角闪岩相变质温度为660~695℃，压力为0.7~0.9GPa。8片麻岩河南新县浒湾乡鄢山村藕圹冲组村后小山上的榴辉岩9安徽岳西菖蒲镇南的金鸡山产于大理岩中的榴辉岩10安徽岳西碧溪岭榴辉岩中的柯石英（视域直径4mm)1112大别-苏鲁等地区的超高压变质岩的峰期变质压力:2.5~7GPa为地壳岩石131.2成矿作用及成矿压力共性：热液参与，断裂控矿，充填与交代，常有隐爆，温度变化范围（100-450℃之间）。超强富集，隐爆结构超临界流体就一定能成大矿？不是充分条件。成矿物质超强富集（极富矿石的机制和硅化现象普通的原因）诸广745,201,相山邹家山15井胶东蓬莱黑岚沟石英脉型金矿含金石英脉矿石（极富矿石）秦岭祁雨沟地区金矿床171.3地震、火山等地质过程中压力变化地震、火山等地质过程:压力变化，水为主体的流体参与，1.4相互有何关联？通过什么关联？（1）相互有何关联？体系性质变化有机无机相通(油气和热液矿床)，地震-成矿-火山-侵入，（2）通过什么关联？通过压力和地压梯度来连接二深度有多大？

地压梯度——深度计算的关键20这些岩石形成时的深度到底有多大？如何计算深度？在求得地质作用的压力（P）之后，如何计算相对应的深度？深度（H）＝压力（P）/地压梯度求得压力后，深度计算则取决于地压梯度！21若地压梯度发生明显变化,相同压力就可以得到明显不同的深度。1倍静岩压力梯度为0.03GPa/km,H=80km如P＝2.4GPa2倍静岩压力梯度为0.06GPa/km,H=40km3倍静岩压力梯度为0.09GPa/km,H=27km——这不仅影响超高压变质作用的深度计算，还将影响与深度有关的许多地质作用解释。岩石圈中的地压梯度研究是一个涉及面很广的研究课题！4倍静岩压力梯度为0.12GPa/km,H=20km22三岩石圈的地压梯度3.1理论推导:考虑重力和热应力的叠加，经过初步计算(胡宝群等,2001,2003,2008)，可知:岩石圈地压梯度可达静岩压力梯度的2~4倍，前提条件是封闭体系中。另:若物质发生相变，则可造成局部地压梯度按数量级剧增的突变，甚至瞬间趋于无穷、破坏封闭体系，引起突变。23(dP/dh)V=(∂P/∂h)V+(∂P/∂T)V(dT/dh)V其中:(∂P/∂h)V=gρ为静岩压力梯度，(∂P/∂T)V=γρCV为热压系数，(dT/dh)V为地温梯度，γ是热力学Grüneisen参数，CV是等容热容封闭体系条件（无相变时）下岩石圈中的地压梯度24(∂P/∂T)V变化规律据德国地学研究中心(GFZ-Potsdam)提供的许多矿物的α和β值,可计算出常压下100多种矿物和无机化合物的(∂P/∂T)V变化范围0.33~9.22MPa/K,平均值3.05MPa/K。主要集中1.08~4.88MPa/K,平均值2.76MPa/K。25为克服比重随深度变化对地压梯度的影响，用静岩压力梯度标准化，求出岩石圈中的地压梯度与静岩压力梯度的比值（β）。如下式所示:β=(dP/dh)V/(∂P/∂h)V=1+γg-1CV(dT/dh)V。26考虑热压和重力叠加后岩石圈和地壳的平均压力梯度估算γCV/J·g-1·k-1（

dT/dh）V/K·km-1β=1+γ

g-1CV(dT/dh)V温度范围/K岩石圈1.30.78(假设不受温度影响)10(岩石圈平均值)2.04298~1573地壳假设地壳全由石英组成0.7封闭体系中CV≌CP=0.782+5.718×10-4T-1.883×104T-219(地壳平均值)2.00~2.6830(上地壳的平均值)2.59~3.6617.5(上地壳的地盾区)1.94~2.5840(上地壳构造活动区)2.82~4.54273.2事实依据:岩石圈中地压梯度可达静岩地压梯度的2-4倍

--来自变质岩和橄榄岩类温压统计分析的证据据麻粒岩、橄榄岩、榴辉岩等岩石的温压统计分析显示：超高压榴辉岩的地压梯度与封闭体系的地压梯度相对应、可达静岩压力梯度的2~4倍！2829岩石的温压数据还将不断积累,加入这些温压研究新成果后,这些数学关系式可能有少许变化,但总体认识不会变30不同体系性中的地压梯度（相同地温条件）体系性质温压关系T/℃,P/GPa）地压梯度对应地质环境完全封闭体系(榴辉岩上限）P=0.0001T1.5352或T=408.66P0.622914.6234T-0.2145倍静岩地压梯度,T变化于250~500~1000~1350℃时,相应倍数为4.47~3.86~3.32~3.12,平均为3.69±锆石,超高压榴辉岩,含柯石英或金刚石榴辉岩,无塑性变形.dP/dH=0.09±GPa/km较好封闭体系(总体上限）P=0.0001T1.4958或T=374.04P0.663214.2482T-0.2539倍静岩地压梯度，T变化于250~500~1000~1350℃时，相应倍数为3.51~2.95~2.47~2.28。平均为2.8±较好封闭体系（榴辉岩平均）P=0.0003T1.3509或T=516.97P0.489138.60376T-0.3988倍静岩地压梯度，T变化于250~500~1000~1350℃时，相应倍数为4.27~3.23~2.46~2.18。平均为3.04±中等封闭体系（榴辉岩下限）P=0.0006T1.1751或T=541.32P0.736167.1601T-5746倍静岩地压梯度,T变化于250~500~1000~1350℃时,相应倍数为2.81~1.89~1.27~1.07,平均为1.76±低压石榴-辉石岩P/dH=0.054±GPa/km中等开放体系(麻粒岩类平均)P=3E-06T1.9195或T=834.2P0.35840.5485T0.1698倍静岩地压梯度,T变化于250~500~1000~1350℃时,相应倍数为1.40~1.58~1.77~1.86.平均为1.65±高压麻粒岩dP/dH=0.05±GPa/km完全开放体系(麻粒岩类的下限)P=6×10-6T1.7497或T=954.63P0.56761倍静岩地压梯度变形强烈的长石和石英dP/dH=0.03±GPa/km31经统计分析,在500~1000℃之间,岩石圈地压梯度较完美封闭体系时,3±倍中等封闭体系时,1.7±倍较完美开放体系时,1±倍静岩地压梯度(或重力地压梯度)323.3岩石圈的地压梯度变化的根源（1）温度、组成、体系性质等存在时空变化。（2）有水。流动性和热容等明显异于岩石,水在岩石圈时空中的不均匀性和变化,是地压梯度变化的动因,更是岩石圈几乎所有地质现象的原因。时空演化不同阶段,使水的空间分布发生变化,可形成高导低速带,应该是许多重大地质作用发生的物质基础。（3）物性差异。各种物质组成在不同温压条件的性质和行为差异,特别是相变线上溶解行为异常和力学性质的突变等。（4）天体的节律和地质过程的节律。3.4岩石圈的地压梯度组成及基本变化规律（1）总体包括重力梯度和热压梯度两部分。重力梯度（gρ）来自引力,是普遍存在的,对于不同相态只是其密度不同而已。热压梯度｛γρCV(dT/dh)V｝是来自温度,其存在的前提是封闭条件。岩石圈的地压梯度为两者之和(dP/dh)V=gρ+γρCV(dT/dh)V。（2）既有渐变也有突变。等容时两部分梯度叠加、可达重力梯度的2-4倍,与重力梯度分别代表岩石圈地压梯度渐变的上、下限。在岩石圈主要物质组成的相变线上、特别临界点处,即在很小时空,将发生地压梯度突变而趋势于无穷大、发生爆炸。四地压梯度变化的意义研究的几个方面:1不同状态和条件下地压梯度差异相对应的意义。2变化时的意义（1）渐变相对应的意义（2）突变相对应的意义3增压和降压的不同性质，相对应的地质意义地压梯度变化时引发的物理化学行为的地学意义:压力降低，岩石矿物熔点下降甚至相变、脱水温度下降、力学性质变化、矿物组合重组，含水体系水相变及所溶组分的溶解度变化等。4.1含柯石英榴辉岩的深度计算按理论推导和事实统计,显示出超高压变质岩的地压梯度可达2-4倍静岩地压梯度。1）按3倍静岩地压梯度计算。即dP/dH=0.09±GPa/km。所以含柯石英榴辉岩的压力为2.5~4GPa时,大致深度为28~44km,而不是以前认为的1倍静岩地压梯度计算出来的83~133km2）考虑到这些榴辉岩的形成温度时,按前表500-1000℃之间,则地压梯度为2.5~3.0倍的静岩地压梯度。按2.5倍静岩地压梯度计算,2.5~4GPa时对应的深度为33~53km因此:含柯石英榴辉岩形成深度不一定那么大,为40±10km364.2高压麻粒岩中的两种地温梯度如:信阳邢集闫庄地区玄武岩筒中的包体，出现两种差异明显的地温梯度。16~18，25~31℃/km又如:冀西北麻粒岩中出现两种地温梯度（20℃/km和30℃/km）及“温压不同步”的现象（王仁民等,1996；翟明国等,1992）。再如:若麻粒岩及尖晶石二辉橄榄岩的地压梯度与开放体系的静岩压力梯度相对应，则能解释正常（而非高压）麻粒岩温压较集中的现象。为两种地压梯度，极可能是体系性质变化而呈现开放体系和封闭体系的两种地压梯度。总之:变质作用的等温降压过程、同一样品中出现明显不同的两种地温梯度，很有可能是因为岩石圈体系性质（封闭与开放）改变所致，或有部分贡献。374.3对热液矿床形成的影响影响矿床的形成深度计算结果,进而影响矿床的评价。随体系性质由封闭转向开放,将出现等温降压过程,原赋存于岩石和矿物中的水会释放,也应是热液的来源之一。若岩石圈局部某含水体系由封闭转为开放,可能引发水的一、二级相变,影响成矿物质活化、迁移和沉淀,水的(拟)相变线(点)将控制着热液成矿作用。通过水相变可建立构造期次与成矿期次之间关联,进而探索成矿大爆发过程等。38在100~450℃（最大不超过550℃）之间水的相变线（含临界点）和拟相变线,控制着热液成矿作用。39热液矿床的成矿温度多局限于100~400℃之间。这几乎成了一个共识（邓晋福等,1999）。其原因极有可能是这一温度段正是水一、二级相变（含临界点及超临界区拟相变线）、物理化学参数变化明显的温度段,在这一温度段之外的温压变化不会引起热容、溶解度等物理化学参数的明显变化,成矿的可能性不大。40芳香族化合物的等温溶解度曲线（a）苯（b）甲苯(ConnollyJF.SolubilityofHydrocarbonsinWaterNeartheCriticalSolutionTemperatures[J].JournalofChemicalandEngineeringdata,1966,11(1):13-16.)转引自陈文霄,2015有机物在水临界点处溶解度的突变41链状烃的等温溶解度曲线（a）正戊烷（b）正庚烷（c）2—甲基—戊烷423.4地震触发在岩石圈中,除了有随地温变化的地压梯度渐变外,当处于物质相变线（及点）附近时的热压突变趋于无穷、破坏封闭体系,可能触发地震等。4