大洋俯冲带绿泥石和蛇纹石的变形和地震波各向异性研究

发布时间：2020-08-01 15:05

【摘要】：俯冲带相关的物质循环过程一直是国际地学界研究的热点,一般指俯冲板片与大洋沉积物俯冲进入地球内部,在脱水和熔融的过程中板片物质以流体或者熔体的形式向上迁移至岛弧底部,再通过岩浆作用返回地表。而古俯冲带中高压和超高压岩石的发现表明,俯冲带内部也存在逆俯冲的物质回流,低密度及低流变学强度的含水矿物被认为是导致物质回流的主要动力。另外,关于地幔楔地震波各向异性研究结果表明,俯冲带地幔楔剪切波快波分裂方向平行海沟,与传统二维地幔楔拐角流动力学模型预测结果矛盾,表明低温及富水地幔楔内部可能存在三维动力学过程或者内部物质的变形过程与常见弧后地幔变形方式不同。因此,含水矿物相关变形研究是研究俯冲隧道及地幔楔动力学过程的核心之一。本论文以含水矿物在俯冲带变形行为以及变形机制作为研究目标,以显微构造分析和高温高压实验方法为主要研究手段,对来自意大利阿尔卑斯造山带的Val Malenco蛇纹石化橄榄岩进行系统的变质和变形显微构造研究,同时对蛇纹石和绿泥石进行了轴向压缩和剪切变形实验研究进行对比分析,获得新认识如下:(1)系统阐明了Val Malenco地区蛇纹石化橄榄岩在阿尔卑斯造山带俯冲和折返过程中所经历的复杂变质变形过程。蛇纹石化橄榄岩样品保存有少量变形斑晶(Ol~P、Cpx~P)、重结晶矿物(Ol~R、Cpx~C(核部))、进变质成因矿物(Ol~C、Atg~C)以及交代溶解生长矿物(Ol~M、Cpx~C(边部)、Di、Atg~F)。辉石斑晶微量元素含量普遍偏低却富含流体迁移元素;辉石斑晶富水(340-598ppm);橄榄石及辉石斑晶晶内强变形并发育亚颗粒构造,启动多组在800-1000~℃常见滑移系;辉石斑晶内部出溶磁铁矿,且与辉石具有(100)_(Cpx)//(111)_(Mag)、(010)_(Cpx)//[-110]_(Mag)、[001]_(Cpx)//[-1-12]_(Mag)、[101]Cpx//[112]_(Mag)、(-101)_(Cpx)//(-1-11)_(Mag)的拓扑取向关系,指示其出溶温度为800-900~℃;辉石斑晶取向与周边粗粒单斜辉石极密具有良好继承关系,橄榄石斑晶与周边细粒橄榄石具有明显颗粒边界迁移特征;橄榄石斑晶自由位错定向排列,而周边细粒橄榄石位错密度较高且分布不均。这些特征表明Val Malenco超基性岩体经历地幔隐交代以及高温塑性变形,并伴随后期强烈动态重结晶过程。粗粒橄榄石发育良好三联点,无晶内变形特征,位错密度极低;橄榄石部分含有叶蛇纹石水峰,部分完全不含结构水;粗粒叶蛇纹石Al温度计算结果指示其形成温度为430-460~℃;粗粒叶蛇纹石富集As、Sb以及B等指示高温或者洋底蛇纹石化特征的流体迁移元素,同时富含高温下流体富集的Cu、Co元素。这些特征表明Val Malenco超基性岩体隆升至洋底蛇纹石化后,经历浅俯冲进变质过程,并变质形成粗粒橄榄石以及粗粒叶蛇纹石。细粒蛇纹石层内细粒橄榄石与细粒叶蛇纹石颗粒接触边界呈曲折弯曲状,且有孔隙存在;细粒橄榄石成分特征与粗粒橄榄石相同,且位错密度很低;细粒叶蛇纹石Al温度估算结果显示其形成温度为300-370~℃;单斜辉石斑晶存在典型压溶结构,形成橄榄石及透辉石;富橄榄石层粗粒单斜辉石包裹橄榄石,并发育港湾状结构、透辉石生长环带等;富橄榄石层透辉石集合体与橄榄石边界弯曲,常见橄榄石单晶被消耗肢解。这些特征表明Val Malenco超基性岩体在俯冲折返过程中发生沉淀溶解蠕变过程,形成细粒蛇纹石层以及透辉石。(2)提出在地幔楔富流体及低温条件下橄榄石可以通过溶解蠕变机制发育B型组构的新机制。富蛇纹石层的微粒橄榄石发育强形状优选方位及强B型组构,而橄榄石层橄榄石组构随机;微粒橄榄石成分、无位错特征与粗粒橄榄石一致;叶蛇纹石Al含量估算温度表明细粒橄榄石变形温度为300-370~℃。我们提出橄榄石通过各向异性溶解导致颗粒形成各向异性晶体形状,具有各向异性颗粒形状的橄榄石在同构造变形过程中颗粒发生旋转,导致溶解最慢的长轴[001]轴平行线理,溶解最快的短轴[010]轴垂直页理面,并在剪切作用下最终通过颗粒旋转及颗粒边界滑移发育B型组构。低温下通过溶解形成B型组构表明即使在低温富流体环境中,橄榄石仍然可以发育强B型组构。地幔楔剪切快波平行海沟地震波各向异性现象可以用低温蛇纹石化过程中橄榄石发育的B型组构解释。(3)提出叶蛇纹石受应变和应力作用可以通过沉淀蠕变机制发育[010](001)组构和[010](h0k)组构的新观点。蛇纹石层内叶蛇纹石发育强[010](001)组构,而晶内低角度边界旋转轴为[010]轴,表明[010](001)组构并不是位错蠕变导致。蛇纹石化过程也即为叶蛇纹石沉淀结晶生长过程。本文认为各向异性生长导致叶蛇纹石形成各向异性晶体形状(最长及最短轴分别为[010]、[001]),变形过程中的颗粒旋转最终导致叶蛇纹石发育[010](001)组构。橄榄石层内叶蛇纹石发育[010](h0k)组构,该组构也同样在其他地区低蛇纹石化的地幔楔样品中发现。本文认为与蛇纹石层交互产出的橄榄石层内部的高应力低应变环境对叶蛇纹石的生长有重要影响,导致叶蛇纹石生长速率发生微小变化,仅发育平行[010]轴的长轴,最终变形形成[010](h0k)组构。考虑到叶蛇纹石形成于富流体低温环境,这表明沉淀蠕变机制可能是叶蛇纹石常见的变形机制。因此,作为蛇纹石主要赋存区域,俯冲隧道以及地幔楔内部同样可能存在大量沉淀溶解蠕变过程,而具有更低粘度的沉淀溶解蠕变过程可能会对板楔解耦产生重要影响。(4)发现单斜辉石在沉淀蠕变机制下发育[001](100)组构,还可导致富橄榄石层内单斜辉石聚集产出,形成应变弱化。富橄榄石层内与应变相关的单斜辉石条带及单斜辉石囊状体内部单斜辉石发育强[001](100)组构,[001]轴极密与颗粒长轴分布一致。与应力相关的单斜辉石囊状体其[001]轴形成强极密,该极密分布与宏观线理并不相关,但与晶体颗粒长轴取向一致。本文研究表明该单斜辉石在低温条件下结晶生长形成。本文认为单斜辉石[001]轴优先生长发育为晶体的长轴,[100]轴生长最慢发育为晶体短轴,平行[001]轴的颗粒边界为低指数面边界。各向异性生长导致发育的低指数颗粒边界控制着颗粒最终的形状,在应力或者应变影响下并最终发育极密或者[001](100)组构。本文认为,单斜辉石[001](100)组构并不能作为可靠的指示低温滑移系启动证据。同时,造山带橄榄岩大量存在的流体交代现象,单斜辉石在沉淀溶解机制条件下发育强组构可以解释造山带常见的单斜辉石强组构而橄榄石弱组构现象。(5)首次在1-2.5 GPa和500-700~℃条件下建立起绿泥石的稳态流变方程?=e~(-27.2)σ~(4.1)exp[-((48830+11.51*P)/RT)],发现叶蛇纹石在高压稳定域内发生半脆性变形,且屈服强度大于绿泥石。幂流变方程应力指数表明绿泥石在该温压条件下通过位错蠕变调节变形;变形绿泥石显微结构观察发现绿泥石晶内发育大量扭折带,表明其通过塑性方式发生变形。本文叶蛇纹石变形研究结果与前人一致,至少在实验应变速率下,2 GPa、600-650~℃温压条件下,叶蛇纹石以半脆性方式发生变形。相同变形条件下,绿泥石屈服强度明显低于叶蛇纹石屈服强度。与橄榄石多晶集合体及洋壳榴辉岩相比,绿泥石流变学强度明显低于两者。因此推测,在俯冲带,俯冲板片与地幔楔之间的含绿泥石橄榄岩及绿泥石富集层可能会承担主要应变,从而导致板片与地幔楔发生解耦。(6)系统阐明了剪切变形条件下绿泥石与叶蛇纹石组构发育的规律,为俯冲带地震波各向异性特征提供了有力约束。剪切实验研究表明,随着温度增加,叶蛇纹石[010]轴在平行剪切方向逐渐形成弱极密;绿泥石[100]及[010]在平行剪切方向呈大圆环分布。绿泥石晶内变形分析表明,其变形形成以[001]轴为旋转轴的扭转颗粒边界以及对应启动滑移系分别为[100](001)、[010](001)和[hk0](001)的倾斜颗粒边界。高温条件下叶蛇纹石[010](001)滑移系的临界剪切应力最小,为最易滑移系;高温下虽然绿泥石有多个滑移系启动,但不同滑移系临界剪切应力差别不大。两种层状含水矿物在剪切变形环境下均发生塑性变形,说明层间滑移对其调节应变具有重要影响。同时,含水矿物附着板片变形形成的强[hk0](001)组构可以解释某些大角度俯冲带地幔楔存在大延时地震波各向异性特征。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P588;P542
【图文】：

图 1-1 叶蛇纹石晶体结构示意图(Mellini etal., 1987; Mookherjee et al., 2009)图 1-2 叶蛇纹石稳定域相图

绿泥石晶体结构示意图(Caritatetal.,1993)

绿泥石稳定域相图

本文编号：2777624