金世超, 胡 剛, 劉莉茗

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心,湖北 武漢 430205; 2.江西省地礦資源勘查開發(fā)中心,江西 南昌 330030; 3.湖北省國土資源廳,湖北 武漢 430071)

大陸下地殼活動及巖石學(xué)特征研究進展

金世超1, 胡 剛2, 劉莉茗3

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心,湖北 武漢 430205; 2.江西省地礦資源勘查開發(fā)中心,江西 南昌 330030; 3.湖北省國土資源廳,湖北 武漢 430071)

大陸下地殼是地球深部地殼生長和變形、殼—幔物質(zhì)與能量交換及殼內(nèi)物質(zhì)分異的重要場所。對大陸下地殼結(jié)構(gòu)、成分與性質(zhì)的認識,是更好地探索地殼形成、演化等地球動力學(xué)過程的前提?？偨Y(jié)前人根據(jù)地震反射、區(qū)域麻粒巖和麻粒巖包體等的研究,對大陸下地殼物質(zhì)組成進行歸納;總結(jié)大陸下地殼巖石的流變性質(zhì),在此基礎(chǔ)上對大陸下地殼流動的幾種模式進行對比。

下地殼;巖石;流變

大陸下地殼是指位于莫霍面以上和康拉德地震不連續(xù)面以上的大陸地殼結(jié)構(gòu)層,深度通常在20～25 km以上。大陸下地殼是地幔與深部地殼之間的聯(lián)系紐帶,是殼—幔物質(zhì)交換、大陸生長的重要場所。

由于大陸下地殼深埋在地下,無法直接觀察,現(xiàn)有的科學(xué)深鉆技術(shù)也不能全面探測地球深部的秘密,對于下地殼的性質(zhì)及形成過程,主要是通過出露于地表的深部地殼剖面和麻粒巖包體來進行探討研究。目前,對于下地殼的研究主要有:下地殼的物質(zhì)組成、下地殼的流動模式、實驗室波速測定。

1 下地殼物質(zhì)組成

1.1 深部地震反射

下地殼是殼—幔分異與物質(zhì)交換的最關(guān)鍵部位,其物質(zhì)組成和性質(zhì)是各不相同的,并影響到表層構(gòu)造活動。由于下地殼難以接近,人類對大陸下地殼(深度>15 km)的物質(zhì)成分、巖石成因、演化過程的認識是很模糊的。對深部地殼的研究,只能間接地通過深部地殼的地震反射、出露于地表的大陸地殼剖面、區(qū)域性麻粒巖和麻粒巖捕虜體的研究以及高溫高壓實驗來獲得深部地殼。

對中、下地殼巖石各向異性影響因素的分析表明,當(dāng)溫度<700 ℃時,隨溫度變化,巖石的各向異性變化不大,溫度升高,巖石各向異性略有升高。在低壓下(P<200 MPa),多數(shù)巖石的各向異性隨壓力增加而快速降低,裂隙的定向排列對巖石各向異性的貢獻較大;在高壓環(huán)境下,巖石中的微裂隙關(guān)閉,巖石的各向異性趨于一個穩(wěn)定值,其主要由礦物晶格優(yōu)級選方位和形態(tài)優(yōu)選方位引起。通過研究發(fā)現(xiàn),中酸性巖石的各向異性特征主要由云母的含量及分布狀態(tài)所決定;基性巖石各向異性特征主要由角閃石含量與分布所決定。

現(xiàn)已證實,下地殼內(nèi)地震波速度有很強的各向異性,高速度及各向異性表明,下地殼內(nèi)含閃石類和含橄欖石類巖石豐度較高。從波速上看,下地殼分為四種類型:①具有較多高波速反射層的下地殼,可能與深變質(zhì)巖中的基性侵入體有關(guān);②具有波速低的反射層的下地殼,主要見于增生大陸邊緣,可能與俯沖海洋沉積和高孔隙壓有關(guān);③波速和反射率關(guān)系復(fù)雜的下地殼,與殼內(nèi)糜棱巖有關(guān);④波速與反射率不明,波速隨深度增加。地震波速依賴于巖石學(xué)類型,圖1為一特殊實例(EGT剖面)。

1.2 區(qū)域麻粒巖和麻粒巖包體

大多數(shù)區(qū)域麻粒巖區(qū)形成于較高的P-T條件及較低的H2O/CO2,因此目前廣泛認為,麻粒巖區(qū)代表深部陸殼的變質(zhì)條件,形成于大陸中下地殼,對麻粒巖的研究,能夠反映深部地殼的構(gòu)造作用過程。區(qū)域性麻粒巖區(qū)常具有以下幾方面的特征:①巖性以變火成巖為主,轉(zhuǎn)變到以變沉積巖為主;②長英質(zhì)正片麻巖的Mg/Fe比率中等,太古宙麻粒巖區(qū)的長英質(zhì)正片麻巖SiO2含量較高,后太古宙麻粒巖區(qū)的SiO2含量變化大,以中等為主;③高峰期變質(zhì)P-T為:0.6～0.8 GPa,650～850 ℃;④麻粒巖區(qū)之下仍有30～40 km的大陸殼未剝露,表明剝蝕前地殼厚達50～70 km,因此其代表不了最下部地殼;⑤大多數(shù)麻粒巖區(qū)為中等虧損大離子親石元素。

圖1 歐洲綜合地質(zhì)調(diào)查(EGT)剖面的下地殼巖石學(xué)模型(按巖石類型)(地震波速結(jié)構(gòu)引自Stegena和Meissner,1985)Fig.1 Along the European comprehensive geological survey(EGT) profile of the lower crust rocks lithology model,modify after Stegena and Meissner(1985)

麻粒巖是下地殼高溫變質(zhì)的產(chǎn)物,目前露出在地表的麻粒巖大多數(shù)是前寒武紀的麻粒巖,經(jīng)歷了長期而又復(fù)雜的變動,將不同階段的變質(zhì)歷史記錄下來,以捕虜體形式存在的中、新生代麻粒巖能直接反映中、新生代以來下地殼經(jīng)歷的熱事件[1-2]。對于下地殼的化學(xué)組成,很多學(xué)者進行了研究,發(fā)現(xiàn)由火山巖中麻粒巖包體和出露的麻粒巖地體兩類巖石樣品獲得的下地殼組成特點存在比較大的差異,前者較后者在下地殼組成上偏基性,SiO2和K2O、Na2O相對偏低,FeO、MgO和CaO相對偏高,過渡元素偏高,不相容元素相對偏低。關(guān)于這兩種麻粒巖誰更能代表下地殼的組成,目前存在兩種看法:①兩種麻粒巖分別代表了下地殼不同深度層次的下地殼組分,其中麻粒巖體可能代表下地殼中上部,麻粒巖包體則代表下地殼底部或殼—幔過渡帶;②地殼成分和地殼生長機制隨時間演化,麻粒巖包體是玄武質(zhì)巖漿底侵在殼—幔邊界上的產(chǎn)物。

大陸下地殼的物質(zhì)組成和同位素成分經(jīng)歷了多次構(gòu)造熱事件的改造。目前許多學(xué)者認為大陸下地殼存在墊托-ACF模式及麻粒巖相變質(zhì)事件,Sr、Nd同位素組分及離子探針質(zhì)譜對單顆鋯石測年的結(jié)果有力地證實了墊托作用和混合過程的發(fā)生。目前關(guān)于大陸下地殼主要有以下結(jié)論:①大陸下地殼的物質(zhì)組成具有雙峰式分布特征;②大陸下地殼組成可劃分為A、B兩大組分,前者為幔源墊托巖漿的結(jié)晶分凝產(chǎn)物,后者為大陸殼物質(zhì)。

1.3 巖石圈流變特征

自20世紀60年代以來,大陸巖石圈流變學(xué)取得了較大進展,通過地震及高溫高壓實驗,認識到大陸巖石圈在流變學(xué)上不是單一模式,流變特征具有復(fù)雜性,并且下地殼流變特性更為復(fù)雜。目前提出的大陸巖石圈流變學(xué)結(jié)構(gòu)模型主要有3種(圖2):①“Jelly Sandwich”(果醬三明治)模型,力學(xué)強度相對軟弱的中—下地殼韌性層夾在相對強的上地殼和巖石圈地幔之間;②“Crème Brulee”模型,認為大陸下地殼的力學(xué)強度可能高于上地幔,大陸巖石圈的強度幾乎全部集中于地殼中;③“Banana Split”模型,認為由于不同的應(yīng)變軟化和恢復(fù)作用,可導(dǎo)致貫穿整個巖石圈的主要地殼斷裂帶力學(xué)強度降低。

地殼流變和地溫梯度、地殼分層、物質(zhì)組成及其流變參數(shù)和變形機制之間有著密切的關(guān)系。因此,在不同構(gòu)造的環(huán)境,下地殼的流變性質(zhì)也有著明顯的差別[3]。

2 下地殼流動模式

地質(zhì)學(xué)家目前已經(jīng)重視造山帶下地殼的韌性變形對山體形成及演化的影響。造山帶下地殼的韌性變形行為在山體形成和演化中的作用已經(jīng)受到地質(zhì)學(xué)家的重視。Birc提出,在重力均衡的約束之下,大陸下地殼巖石所受到的有效側(cè)向壓力梯度和地貌加載在其上的重力梯度相等,當(dāng)山體處于不均衡的狀態(tài)時,彌補的重力均衡使得山體與平原相對應(yīng)的下地殼之間形成一種韌性流動,所以,在山體之下的地殼物質(zhì)就被移走[4-5],認為山體加載的重力是下地殼物質(zhì)韌性流形成的動力,甚至是下地殼韌性流流動速率的決定性因素。在此基礎(chǔ)上,Birc提出了大陸下地殼渠流模式,認為加厚的造山帶和下地殼的變形物質(zhì)在地貌負荷的側(cè)向壓力作用下從山根向外側(cè)流動擴張。Gratton認為在地殼縮短和重力均衡作用的背景下,下地殼流動控制著年輕造山帶或高原的演化和構(gòu)造特征,下地殼內(nèi)的韌性流動影響著山體變化。渠流模式的動力來源主要有重力勢能和剝蝕兩種(圖3)。地表剝蝕帶來地表物質(zhì)的重新分配,構(gòu)造抬升帶來的物質(zhì)彌補了剝蝕產(chǎn)生的損失量,剝蝕作用與地殼抬升就產(chǎn)生了一種耦合的關(guān)系,剝蝕作用越強烈,構(gòu)造抬升就越強,山體的隆起就越強烈。

圖2 大陸巖石圈流變學(xué)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Continental lithosphere rheological structure model A.“Jelly Sandwich”(果醬三明治)模型;B. “Crème Brulee”模型;C. “Banana Split”模型。

圖3 喜馬拉雅渠流模式(據(jù)Harris,2007)Fig.3 Himalayan channel flow model(modify after Harris 2007)1.下地殼層流方向;2.幔源及殼?；煸磶r漿流向；3.下地殼部分熔融(混雜型)巖漿流向；4.推覆體逆沖方向；5.中地殼部分熔融巖漿流向；6.剝蝕物搬運方向;7.滑覆方向;8.盆地充填物拆離、沉陷方向；9.盆緣拗陷帶拖曳方向；10.造山帶伸展拆離方向；①沿Moho面殼幔剪切帶；②沿Conrad面剪切滑脫帶；③逆沖疊覆系；④厚殼變質(zhì)核雜巖；⑤地幔柱(枝);Moho.莫霍面；Conrad.康拉德面。

由于大陸下地殼低速層、低阻層的發(fā)現(xiàn),李德威提出了大陸層流模式[6](圖4),認為在地幔柱上升和地幔巖漿底侵作用產(chǎn)生的熱動力作用下,下地殼物質(zhì)由盆地向造山帶方向流動。由于受到大陸內(nèi)部地幔柱上升而熱軟化的盆地下地殼物質(zhì)在熱動力作用下,向相鄰山根部位流動,致使盆地地殼減薄,造山帶地殼增厚,而隆升的山體在重力勢能作用下,發(fā)生側(cè)向擴張,造山帶粗碎屑巖在盆緣堆積。

圖4 大陸下地殼層流模式(非對稱式或喜馬拉雅式)Fig.4 Continental laminar flow model(Asymmetry type or Himalayan type)1.印度蓋層；2.低喜馬拉雅巖系;3.印度地盾；4.特提斯喜馬拉雅沉積巖系;5.高喜馬拉雅結(jié)晶巖系;6.岡底斯地殼;7.部分熔融;MBT.主邊界逆沖斷層;MCT.主中央逆沖斷層;STD.藏南拆離斷層;Suture belt.縫合帶。

3 結(jié)語

大陸下地殼是地球深部地殼生長和變形、殼—幔物質(zhì)與能量交換及殼內(nèi)物質(zhì)分異的重要場所。對大陸下地殼結(jié)構(gòu)、成分與性質(zhì)的認識,是更好地探索地殼形成、演化等地球動力學(xué)過程的前提,通過大陸下地殼活動及巖石學(xué)特征最新成果的總結(jié)與對比,作者認為目前主要存在4個方面的認識。

(1) 根據(jù)深部地震反射,下地殼分為四種類型:①具有較多高波速反射層的下地殼;②具有波速低的反射層的下地殼;③波速和反射率關(guān)系復(fù)雜的下地殼;④波速與反射率不明,波速隨深度增加。

(2) 關(guān)于區(qū)域麻粒巖和麻粒巖包體誰更能代表下地殼的組成,目前存在兩種看法:①麻粒巖體可能代表下地殼中上部,麻粒巖包體則代表下地殼底部或殼—幔過渡帶;②地殼成分和地殼生長機制隨時間演化,麻粒巖包體是玄武質(zhì)巖漿底侵在殼—幔邊界上的產(chǎn)物。

(3) 目前提出的大陸巖石圈流變學(xué)結(jié)構(gòu)模型主要有3種:①“Jelly Sandwich”(果醬三明治)模型;②“Crème Brulee”模型;③“Banana Split”模型。

(4) 下地殼流動模式現(xiàn)在主要有兩種觀點:①渠流模式;②層流模式。

作者認為進一步的研究方向為:①要加強地殼包體和地幔包體的綜合研究對比,以探討地殼與地幔之間的耦合作用;② 加強高溫高壓變形實驗研究,用現(xiàn)存的理論推斷進行定量化和直觀化[7]。

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(責(zé)任編輯：于繼紅)

Research Progress of Activity of Continental Lower Crustand Petrologic Characteristics

JIN Shichao1, HU Gang2, LIU Liming3

(1.WuhanCenter,ChinaGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430205; 2.CenterofExplorationandDevelopmentofGeologyandMineralResourcesofJiangxiProvince,Nanchang,Jiangxi330030; 3.DepartmentofLandandResourcesofHubeiProvince,Wuhan,Hubei430071)

Lower continental crust is an important place where the deep-seated earth’s crust growth and deformation,the crust-mantle matter and energy exchanging and shell material differentiation occur.A deeper probe into the structure,component and properties of the crust provides premise for the better exploration of crust formation,evolution and geodynamic processes.Based on the former researches on seismic reflection,regional granulite and granulite xenoliths,this paper concludes crustal components and rheological property of crustal rocks,thus providing a summary of and comparison among several models of crustal flow.

lower crust; rock; rheological

2015-01-21;改回日期:2015-02-03

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)大調(diào)查項目(12120114047001)資助。

金世超(1988-)，男，助理工程師，碩士，地質(zhì)學(xué)專業(yè)，從事礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查與研究工作。E-mail:328176518@qq.com

P542; P58

A

1671-1211(2015)03-0248-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503002

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150422.1029.007.html 數(shù)字出版日期:2015-04-22 10:29