大陸下地殼活動及巖石學特征研究進展

金世超, 胡 剛, 劉莉茗

(1.中國地質調查局 武漢地質調查中心,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特征研究進展

金世超1, 胡 剛2, 劉莉茗3

(1.中國地質調查局 武漢地質調查中心,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—幔物質與能量交換及殼內物質分異的重要場所。對大陸下地殼結構、成分與性質的認識,是更好地探索地殼形成、演化等地球動力學過程的前提。總結前人根據(jù)地震反射、區(qū)域麻粒巖和麻粒巖包體等的研究,對大陸下地殼物質組成進行歸納;總結大陸下地殼巖石的流變性質,在此基礎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構層,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)有的科學深鉆技術也不能全面探測地球深部的秘密,對于下地殼的性質及形成過程,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:下地殼的物質組成、下地殼的流動模式、實驗室波速測定。

1 下地殼物質組成

1.1 深部地震反射

下地殼是殼—幔分異與物質交換的最關鍵部位,其物質組成和性質是各不相同的,并影響到表層構造活動。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,可能與深變質巖中的基性侵入體有關;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;③波速和反射率關系復雜的下地殼,與殼內糜棱巖有關;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,轉變到以變沉積巖為主;②長英質正片麻巖的Mg/Fe比率中等,太古宙麻粒巖區(qū)的長英質正片麻巖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 歐洲綜合地質調查(EGT)剖面的下地殼巖石學模型(按巖石類型)(地震波速結構引自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的產物,目前露出在地表的麻粒巖大多數(shù)是前寒武紀的麻粒巖,經歷了長期而又復雜的變動,將不同階段的變質歷史記錄下來,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歷的熱事件[1-2]。對于下地殼的化學組成,很多學者進行了研究,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巖漿底侵在殼—幔邊界上的產物。

大陸下地殼的物質組成和同位素成分經歷了多次構造熱事件的改造。目前許多學者認為大陸下地殼存在墊托-ACF模式及麻粒巖相變質事件,Sr、Nd同位素組分及離子探針質譜對單顆鋯石測年的結果有力地證實了墊托作用和混合過程的發(fā)生。目前關于大陸下地殼主要有以下結論:①大陸下地殼的物質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晶分凝產物,后者為大陸殼物質。

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上不是單一模式,流變特征具有復雜性,并且下地殼流變特性更為復雜。目前提出的大陸巖石圈流變學結構模型主要有3種(圖2):①“Jelly Sandwich”(果醬三明治)模型,力學強度相對軟弱的中—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,認為由于不同的應變軟化和恢復作用,可導致貫穿整個巖石圈的主要地殼斷裂帶力學強度降低。

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

2 下地殼流動模式

地質學家目前已經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受到地質學家的重視。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向壓力梯度和地貌加載在其上的重力梯度相等,當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就被移走[4-5],認為山體加載的重力是下地殼物質韌性流形成的動力,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在地貌負荷的側向壓力作用下從山根向外側流動擴張。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造特征,下地殼內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的重新分配,構造抬升帶來的物質彌補了剝蝕產生的損失量,剝蝕作用與地殼抬升就產生了一種耦合的關系,剝蝕作用越強烈,構造抬升就越強,山體的隆起就越強烈。

圖2 大陸巖石圈流變學結構模型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生的熱動力作用下,下地殼物質由盆地向造山帶方向流動。由于受到大陸內部地幔柱上升而熱軟化的盆地下地殼物質在熱動力作用下,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 結語

大陸下地殼是地球深部地殼生長和變形、殼—幔物質與能量交換及殼內物質分異的重要場所。對大陸下地殼結構、成分與性質的認識,是更好地探索地殼形成、演化等地球動力學過程的前提,通過大陸下地殼活動及巖石學特征最新成果的總結與對比,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波速和反射率關系復雜的下地殼;④波速與反射率不明,波速隨深度增加。

(2) 關于區(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巖漿底侵在殼—幔邊界上的產物。

(3) 目前提出的大陸巖石圈流變學結構模型主要有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]。

[1] 邵濟安,韓慶軍,李惠民. 華北克拉通早中生代麻粒巖捕虜體的發(fā)現(xiàn)[J].中國科學(D輯),2000,30(增刊):148-153.

[2] 沈其韓,耿元生. 華北克拉通和華南地區(qū)下地殼麻粒巖捕虜體的研究進展及其地質意義[J]. 巖石礦物學雜志,2011,30(5):759-780.

[3] 許麗麗,章軍鋒.大陸下地殼流變性質與華北克拉通破壞機制[J].地質科技情報,2009,28(6):16-24.

[4] 李德威,王家映.大陸下地殼地球物理異常及其構造意義[J].地質科技情報,2001,20(3):11-20.

[5] 張新鈺,季建清,韓寶福.地表剝蝕、下地殼流變與造山作用研究進展[J].地球科學進展,2006,21(5):521-531.

[6] 李德威.大陸下地殼流動:渠流還是層流[J].地學前緣,2008,15(3):130-139.

[7] 孔華,金振民,謝竇克. 大陸下地殼的研究進展綜述[J].地球物理學進展,1998,13(4):10-20.

(責任編輯：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

中國地質調查局地質大調查項目(12120114047001)資助。

金世超(1988-)，男，助理工程師，碩士，地質學專業(yè)，從事礦產地質調查與研究工作。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