大陆下地壳活动及岩石学特征研究进展

金世超, 胡 刚, 刘莉茗

(1.中国地质调查局 武汉地质调查中心,湖北 武汉 430205; 2.江西省地矿资源勘查开发中心,江西 南昌 330030; 3.湖北省国土资源厅,湖北 武汉 430071)

大陆下地壳活动及岩石学特征研究进展

金世超1, 胡 刚2, 刘莉茗3

(1.中国地质调查局 武汉地质调查中心,湖北 武汉 430205; 2.江西省地矿资源勘查开发中心,江西 南昌 330030; 3.湖北省国土资源厅,湖北 武汉 430071)

大陆下地壳是地球深部地壳生长和变形、壳—幔物质与能量交换及壳内物质分异的重要场所。对大陆下地壳结构、成分与性质的认识,是更好地探索地壳形成、演化等地球动力学过程的前提。总结前人根据地震反射、区域麻粒岩和麻粒岩包体等的研究,对大陆下地壳物质组成进行归纳;总结大陆下地壳岩石的流变性质,在此基础上对大陆下地壳流动的几种模式进行对比。

下地壳;岩石;流变

大陆下地壳是指位于莫霍面以上和康拉德地震不连续面以上的大陆地壳结构层,深度通常在20～25 km以上。大陆下地壳是地幔与深部地壳之间的联系纽带,是壳—幔物质交换、大陆生长的重要场所。

由于大陆下地壳深埋在地下,无法直接观察,现有的科学深钻技术也不能全面探测地球深部的秘密,对于下地壳的性质及形成过程,主要是通过出露于地表的深部地壳剖面和麻粒岩包体来进行探讨研究。目前,对于下地壳的研究主要有:下地壳的物质组成、下地壳的流动模式、实验室波速测定。

1 下地壳物质组成

1.1 深部地震反射

下地壳是壳—幔分异与物质交换的最关键部位,其物质组成和性质是各不相同的,并影响到表层构造活动。由于下地壳难以接近,人类对大陆下地壳(深度>15 km)的物质成分、岩石成因、演化过程的认识是很模糊的。对深部地壳的研究,只能间接地通过深部地壳的地震反射、出露于地表的大陆地壳剖面、区域性麻粒岩和麻粒岩捕虏体的研究以及高温高压实验来获得深部地壳。

对中、下地壳岩石各向异性影响因素的分析表明,当温度<700 ℃时,随温度变化,岩石的各向异性变化不大,温度升高,岩石各向异性略有升高。在低压下(P<200 MPa),多数岩石的各向异性随压力增加而快速降低,裂隙的定向排列对岩石各向异性的贡献较大;在高压环境下,岩石中的微裂隙关闭,岩石的各向异性趋于一个稳定值,其主要由矿物晶格优级选方位和形态优选方位引起。通过研究发现,中酸性岩石的各向异性特征主要由云母的含量及分布状态所决定;基性岩石各向异性特征主要由角闪石含量与分布所决定。

现已证实,下地壳内地震波速度有很强的各向异性,高速度及各向异性表明,下地壳内含闪石类和含橄榄石类岩石丰度较高。从波速上看,下地壳分为四种类型:①具有较多高波速反射层的下地壳,可能与深变质岩中的基性侵入体有关;②具有波速低的反射层的下地壳,主要见于增生大陆边缘,可能与俯冲海洋沉积和高孔隙压有关;③波速和反射率关系复杂的下地壳,与壳内糜棱岩有关;④波速与反射率不明,波速随深度增加。地震波速依赖于岩石学类型,图1为一特殊实例(EGT剖面)。

1.2 区域麻粒岩和麻粒岩包体

大多数区域麻粒岩区形成于较高的P-T条件及较低的H2O/CO2,因此目前广泛认为,麻粒岩区代表深部陆壳的变质条件,形成于大陆中下地壳,对麻粒岩的研究,能够反映深部地壳的构造作用过程。区域性麻粒岩区常具有以下几方面的特征:①岩性以变火成岩为主,转变到以变沉积岩为主;②长英质正片麻岩的Mg/Fe比率中等,太古宙麻粒岩区的长英质正片麻岩SiO2含量较高,后太古宙麻粒岩区的SiO2含量变化大,以中等为主;③高峰期变质P-T为:0.6～0.8 GPa,650～850 ℃;④麻粒岩区之下仍有30～40 km的大陆壳未剥露,表明剥蚀前地壳厚达50～70 km,因此其代表不了最下部地壳;⑤大多数麻粒岩区为中等亏损大离子亲石元素。

图1 欧洲综合地质调查(EGT)剖面的下地壳岩石学模型(按岩石类型)(地震波速结构引自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)

麻粒岩是下地壳高温变质的产物,目前露出在地表的麻粒岩大多数是前寒武纪的麻粒岩,经历了长期而又复杂的变动,将不同阶段的变质历史记录下来,以捕虏体形式存在的中、新生代麻粒岩能直接反映中、新生代以来下地壳经历的热事件[1-2]。对于下地壳的化学组成,很多学者进行了研究,发现由火山岩中麻粒岩包体和出露的麻粒岩地体两类岩石样品获得的下地壳组成特点存在比较大的差异,前者较后者在下地壳组成上偏基性,SiO2和K2O、Na2O相对偏低,FeO、MgO和CaO相对偏高,过渡元素偏高,不相容元素相对偏低。关于这两种麻粒岩谁更能代表下地壳的组成,目前存在两种看法:①两种麻粒岩分别代表了下地壳不同深度层次的下地壳组分,其中麻粒岩体可能代表下地壳中上部,麻粒岩包体则代表下地壳底部或壳—幔过渡带;②地壳成分和地壳生长机制随时间演化,麻粒岩包体是玄武质岩浆底侵在壳—幔边界上的产物。

大陆下地壳的物质组成和同位素成分经历了多次构造热事件的改造。目前许多学者认为大陆下地壳存在垫托-ACF模式及麻粒岩相变质事件,Sr、Nd同位素组分及离子探针质谱对单颗锆石测年的结果有力地证实了垫托作用和混合过程的发生。目前关于大陆下地壳主要有以下结论:①大陆下地壳的物质组成具有双峰式分布特征;②大陆下地壳组成可划分为A、B两大组分,前者为幔源垫托岩浆的结晶分凝产物,后者为大陆壳物质。

1.3 岩石圈流变特征

自20世纪60年代以来,大陆岩石圈流变学取得了较大进展,通过地震及高温高压实验,认识到大陆岩石圈在流变学上不是单一模式,流变特征具有复杂性,并且下地壳流变特性更为复杂。目前提出的大陆岩石圈流变学结构模型主要有3种(图2):①“Jelly Sandwich”(果酱三明治)模型,力学强度相对软弱的中—下地壳韧性层夹在相对强的上地壳和岩石圈地幔之间;②“Crème Brulee”模型,认为大陆下地壳的力学强度可能高于上地幔,大陆岩石圈的强度几乎全部集中于地壳中;③“Banana Split”模型,认为由于不同的应变软化和恢复作用,可导致贯穿整个岩石圈的主要地壳断裂带力学强度降低。

地壳流变和地温梯度、地壳分层、物质组成及其流变参数和变形机制之间有着密切的关系。因此,在不同构造的环境,下地壳的流变性质也有着明显的差别[3]。

2 下地壳流动模式

地质学家目前已经重视造山带下地壳的韧性变形对山体形成及演化的影响。造山带下地壳的韧性变形行为在山体形成和演化中的作用已经受到地质学家的重视。Birc提出,在重力均衡的约束之下,大陆下地壳岩石所受到的有效侧向压力梯度和地貌加载在其上的重力梯度相等,当山体处于不均衡的状态时,弥补的重力均衡使得山体与平原相对应的下地壳之间形成一种韧性流动,所以,在山体之下的地壳物质就被移走[4-5],认为山体加载的重力是下地壳物质韧性流形成的动力,甚至是下地壳韧性流流动速率的决定性因素。在此基础上,Birc提出了大陆下地壳渠流模式,认为加厚的造山带和下地壳的变形物质在地貌负荷的侧向压力作用下从山根向外侧流动扩张。Gratton认为在地壳缩短和重力均衡作用的背景下,下地壳流动控制着年轻造山带或高原的演化和构造特征,下地壳内的韧性流动影响着山体变化。渠流模式的动力来源主要有重力势能和剥蚀两种(图3)。地表剥蚀带来地表物质的重新分配,构造抬升带来的物质弥补了剥蚀产生的损失量,剥蚀作用与地壳抬升就产生了一种耦合的关系,剥蚀作用越强烈,构造抬升就越强,山体的隆起就越强烈。

图2 大陆岩石圈流变学结构模型Fig.2 Continental lithosphere rheological structure model A.“Jelly Sandwich”(果酱三明治)模型;B. “Crème Brulee”模型;C. “Banana Split”模型。

图3 喜马拉雅渠流模式(据Harris,2007)Fig.3 Himalayan channel flow model(modify after Harris 2007)1.下地壳层流方向;2.幔源及壳幔混源岩浆流向；3.下地壳部分熔融(混杂型)岩浆流向；4.推覆体逆冲方向；5.中地壳部分熔融岩浆流向；6.剥蚀物搬运方向;7.滑覆方向;8.盆地充填物拆离、沉陷方向；9.盆缘拗陷带拖曳方向；10.造山带伸展拆离方向；①沿Moho面壳幔剪切带；②沿Conrad面剪切滑脱带；③逆冲叠覆系；④厚壳变质核杂岩；⑤地幔柱(枝);Moho.莫霍面；Conrad.康拉德面。

由于大陆下地壳低速层、低阻层的发现,李德威提出了大陆层流模式[6](图4),认为在地幔柱上升和地幔岩浆底侵作用产生的热动力作用下,下地壳物质由盆地向造山带方向流动。由于受到大陆内部地幔柱上升而热软化的盆地下地壳物质在热动力作用下,向相邻山根部位流动,致使盆地地壳减薄,造山带地壳增厚,而隆升的山体在重力势能作用下,发生侧向扩张,造山带粗碎屑岩在盆缘堆积。

图4 大陆下地壳层流模式(非对称式或喜马拉雅式)Fig.4 Continental laminar flow model(Asymmetry type or Himalayan type)1.印度盖层；2.低喜马拉雅岩系;3.印度地盾；4.特提斯喜马拉雅沉积岩系;5.高喜马拉雅结晶岩系;6.冈底斯地壳;7.部分熔融;MBT.主边界逆冲断层;MCT.主中央逆冲断层;STD.藏南拆离断层;Suture belt.缝合带。

3 结语

大陆下地壳是地球深部地壳生长和变形、壳—幔物质与能量交换及壳内物质分异的重要场所。对大陆下地壳结构、成分与性质的认识,是更好地探索地壳形成、演化等地球动力学过程的前提,通过大陆下地壳活动及岩石学特征最新成果的总结与对比,作者认为目前主要存在4个方面的认识。

(1) 根据深部地震反射,下地壳分为四种类型:①具有较多高波速反射层的下地壳;②具有波速低的反射层的下地壳;③波速和反射率关系复杂的下地壳;④波速与反射率不明,波速随深度增加。

(2) 关于区域麻粒岩和麻粒岩包体谁更能代表下地壳的组成,目前存在两种看法:①麻粒岩体可能代表下地壳中上部,麻粒岩包体则代表下地壳底部或壳—幔过渡带;②地壳成分和地壳生长机制随时间演化,麻粒岩包体是玄武质岩浆底侵在壳—幔边界上的产物。

(3) 目前提出的大陆岩石圈流变学结构模型主要有3种:①“Jelly Sandwich”(果酱三明治)模型;②“Crème Brulee”模型;③“Banana Split”模型。

(4) 下地壳流动模式现在主要有两种观点:①渠流模式;②层流模式。

作者认为进一步的研究方向为:①要加强地壳包体和地幔包体的综合研究对比,以探讨地壳与地幔之间的耦合作用;② 加强高温高压变形实验研究,用现存的理论推断进行定量化和直观化[7]。

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[2] 沈其韩,耿元生. 华北克拉通和华南地区下地壳麻粒岩捕虏体的研究进展及其地质意义[J]. 岩石矿物学杂志,2011,30(5):759-780.

[3] 许丽丽,章军锋.大陆下地壳流变性质与华北克拉通破坏机制[J].地质科技情报,2009,28(6):16-24.

[4] 李德威,王家映.大陆下地壳地球物理异常及其构造意义[J].地质科技情报,2001,20(3):11-20.

[5] 张新钰,季建清,韩宝福.地表剥蚀、下地壳流变与造山作用研究进展[J].地球科学进展,2006,21(5):521-531.

[6] 李德威.大陆下地壳流动:渠流还是层流[J].地学前缘,2008,15(3):130-139.

[7] 孔华,金振民,谢窦克. 大陆下地壳的研究进展综述[J].地球物理学进展,1998,13(4):10-20.

(责任编辑：于继红)

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

中国地质调查局地质大调查项目(12120114047001)资助。

金世超(1988-)，男，助理工程师，硕士，地质学专业，从事矿产地质调查与研究工作。E-mail:328176518@qq.com

P542; P58

A

1671-1211(2015)03-0248-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503002

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150422.1029.007.html 数字出版日期:2015-04-22 10:29