胡有陆在百度学术中论文

赵志丹

（中国科学院地球化学研究所，贵阳550002）

高山骆庭川张本仁

（中国地质大学地球化学研究所，武汉430074）

谢鸿森郭捷许祖鸣

（中国科学院地球化学研究所，贵阳550002）

摘要人们在世界上许多地区的中、下地壳发现了低速层，并从不同角度来解释它的成因。作者对采自秦岭和华北地区的138个样品进行了高温（达1500℃）和高压（达3GPa）条件下纵波速度的测定结果，探讨了岩石纵波速度的一般特征，并且发现了岩石纵波低速现象。通过对实验产物的矿物组成和结构等的综合研究表明，含水矿物（角闪石或黑云母）的脱水、相变和部分熔融导致岩石出现纵波低速现象。实验结果表明含水矿物脱水熔融可能是引起研究区或世界其他地区出现地壳低速层的重要机制。

关键词地壳低速层岩石纵波速度脱水和相变部分熔融秦岭造山带华北克拉通

1引言

本世纪50年代以来，以地球物理为主的地壳深部探测和对地球深部物质的实验研究使我们对岩石圈，特别是大陆岩石圈不断加深了解。其中地壳低速层就是深部地球物理的重要发现之一，它分布在世界的许多地区，如阿尔卑斯、北美、西藏、华北和秦岭造山带等地区，而且其中的许多地区是具有高热流的构造或地震活动带[2,12,13,14,19]。

人们用多种方式来解释地壳低速层的成因。有人认为它是由流体、大规模的推覆体或韧性剪切带等引起的软层[8,9]。其他学者则从实验室中地壳矿物和岩石的成分及其物理化学性质出发，认为石墨、含盐流体、或者矿物脱水相变及岩石部分熔融导致了低速层的出现[2,4,8,9]。从已有的研究看，迄今尚无一种理想的模式完满解释地壳低速层的成因。本文测定了采自秦岭造山带及其邻区和华北克拉通的138个岩石样品高温高压下的纵波速度，探讨了实验结果并应用实验数据解释研究区内地壳低速层的成因。

2样品和地质背景

研究区包括秦岭造山带及其邻区和华北克拉通（五台山和内蒙古）。系统采集样品的地质单元主要是前寒武纪基底和不同时代的侵入体，其变质程度包括榴辉岩相、麻粒岩相、角闪岩相和绿片岩相岩石，它们可以作为地壳主要岩类的代表（表1）。选取新鲜、肉眼见不到裂隙和无次生变化的岩石进行实验。每个实验样品还配套进行显微观察、密度测定和岩石化学分析。对实验产物还进行了镜下鉴定和电子探针分析。

表1采集实验样品的地质单元

3实验方法

实验是在中国科学院地球化学研究所地球深部物质实验室完成的。YJ-3000t六面顶静态超高压装置可以在给定的时间内（几分钟至100小时）在腔体内产生高达同时1600℃的温度和压力。实验样品为长33mm、直径12mm的圆柱体，叶蜡石粉压块作为传压介质。圆柱状的样品由3层不锈钢箔加热器包卷置于叶蜡石粉压块中。样品室的温度由已标定的功率—温度工作曲线得出。高温高压条件下样品的波速由弹性波发射和接收装置所获得的数值信号计算得出。实验和计算方法详见谢鸿森等[17]和Xu等[18]。

为模拟研究区地壳和上地幔的实际温度和压力条件，依据各构造单元的不同地温分布曲线给出的压力（P）和温度（T）的对应关系[7]，在p、T同步增加的条件下，测出每个样品在一系列p（达）、T（达1500℃）值下的纵波波速Vp值。不锈钢箔加热器在温度上升达到其熔点后会熔断，因此每个样品的加温加压过程即以加热器熔断为终结，每个样品实验终结时的压力和温度各不相同，最高的分别可达3GPa和1500℃，普遍都超过了1000℃和1GPa。取地压增加梯度为，将压力p（GPa）换算成深度h（km），获得的大量数据表示于Vp—h图中。

4岩石高温高压实验纵波速一般特征

图1给出了6个样品的Vp—h关系。各类岩石样品的Vp值随深度h增加表现出3段特征，在第一段0～10km深度范围内，Vp值快速增加，表明的压力已使岩石内部裂隙基本闭合。在第二段10～30km深度，Vp值仍随深度增加而增大，但增加的幅度减弱，几乎所有样品都在750～920℃和～（相当于21～30km）范围内达到了最大值，第2段的纵波波速特征（dVp/dh和Vp,max的大小）可以代表各类岩石样品的本质特性。第3段，即Vp值达到最大值Vp,max之后的变化呈现两种趋势，第1种是基本上随压力增大，Vp值恒定于Vp,max值附近；第2种是从Vp,max值开始逐渐下降，在1100～1200℃和～（约33～50km），有54个样品显示了这类现象，占总数的1/3以上，我们将这种达到Vp,max值之后又下降的现象称为纵波低速现象。这种现象对解释地壳低速层的成因提供了重要的实验依据。

图1部分实验样品的Vp—h图

1—大河群基性麻粒岩；2—秦岭群斜长角闪岩；3一秦岭群大理岩；4—甘沟石英闪长岩；5—宽坪群云母石英片岩；6—伏牛山花岗岩

5出现纵波低速现象样品的特征

具有纵波低速现象的54个样品的特征总结在表2中，其中5个样品的Vp—h关系见图2。对实验产物进行了镜下观察和电子探针分析，以求发现导致纵波低速现象的原因。

表2实验岩石纵波低速现象统计表

续表

① 岩石样品所达到的纵波最大值Vp,max及其对应的压力和温度；②岩石样品所达到的纵波最小值Vp,min及其对应的压力和温度；③岩石Vp值下降幅度，ΔVp=Vp,max—Vp,min；④岩石Vp值下降百分率，ΔVp=（△Vp/Vp,max）×100%。

54个出现纵波低速现象的样品，主要是斜长角闪岩、石英闪长岩、麻粒岩、辉长岩、大理岩、云母斜长片岩等。除大理岩等极少数样品外，绝大多数样品含有角闪石或黑云母。若从实验的138个样品来看，含有角闪石的各种岩类都出现了纵波低速现象。

图2出现纵波低速现象的样品的Vp—h图

图例中的样号同表2中序号一致

绝大多数样品在750～920℃、～（约21～30km）范围内达到最大值Vp,max，之后在1100～1200℃、～（约33～50km）范围内降至最小值Vp,min。设下降幅度△Vp=Vp,max—Vp,min，则有7个样品的△Vp值超过（表2），它们是2个斜长角闪岩、2个变基性火山岩、1个辉长岩、1个麻粒岩和1个大理岩。从降低程度来看，Vp,min值比Vp,max值最多降低达到21%（样品号5和37）。三种主要类型岩石的特征描述如下：

含角闪石或黑云母的岩类：全部实验样品中，含有角闪石或黑云母的岩石样品都出现了纵波低速现象；我们可以看到在角闪石或黑云母的边部有熔融玻璃（例如18号样品）。熔融玻璃出现在角闪石（或黑云母）和浅色矿物（斜长石或石英）的边界上，并呈无色、棕色或淡黄色。熔融玻璃约占整个样品的5%～10%。电子探针结果发现了有的角闪石已脱水、相变形成了辉石（例如样品39）[20]。

大理岩：实验样品中的大理岩都出现了纵波低速现象。样品均由原来的浅色或无色变成了绿色或深绿色。有的样品出现了小气孔（小于1mm），这可能是其中的碳酸盐类矿物（方解石或白云石）释放出二氧化碳后的残余结构。镜下颗粒之间出现大量的黑色全消光物质，可能是碳酸盐类矿物相变的产物[20]。

花岗岩：图3是部分花岗岩的Vp—h关系，其中未发现纵波降低现象。花岗岩样品中不含角闪石或只含少量黑云母，实验产物中除了发现有大量裂隙外，无明显变化，而且未发现熔体。我们可以认为在花岗岩类样品中，由于无或只有少量的含水矿物，使得产物中没有出现脱水、相变或部分熔融。

以上讨论可以简单总结为，碳酸盐类矿物的去气作用和相变导致大理岩的纵波低速，并遗留了一些气孔；而在存在含水矿物的岩石中，纵波低速则是由脱水、相变和部分熔融引起的。

图3部分花岗岩样品的Vp—h图

LZ1-3—二朗坪黑云母花岗岩；LZ2-3—满子营黑云母花岗岩；LH-6—老虎沟花岗岩；DL-2—黄陵花岗岩；EL-7—二里坝奥长花岗岩；WJ-1—王家会花岗岩

6讨论

已有的大量研究结果表明，在室温条件下，岩石的Vp值随外加压力的增大而单调增加或基本恒定在某个值，而在恒压升温实验中，随着温度的增加而降低。因此外加温度无疑是导致岩石波速下降的根本原因[1,4,11]。

许多研究者解释了岩石波速随温度增加而降低的原因，Kern[10]在压力小于条件下实验证实矿物的颗粒边缘的裂隙会因热膨胀而张开；Christensen[1]则认为矿物颗粒边缘的孔隙在1GPa以上对波速的影响很小，即在地壳深处条件下，裂隙的作用不再是重要的。其他的实验结果支持矿物脱水和相变是引起岩石波速下降的重要原因，如石英岩或富硅质的岩石在接近石英α—β相转变的温度范围时岩石波速的急剧下降[10]。本文实验结果进一步证明在富含角闪石或黑云母的岩石中，脱水、相变和部分熔融可以导致整个岩石的波速降低。

本文的实验试图模拟地壳深部的温压状态，即在波速测定过程中，温度和压力同时上升，岩石样品在外加压力逐渐增大的过程中，矿物边缘的热膨胀引起裂隙张开已变得十分困难。138个样品的实验产物中都发现了存在不同规模的裂隙，不仅在出现低速现象的54个样品中，而且在没有出现低速现象的样品（如花岗岩）中裂隙似乎更多，因此裂隙似乎不是引起岩石波速下降的决定性因素。实验中出现低速现象的样品均为含有角闪石或黑云母的（大理岩除外），对实验产物电子探针分析结果表明已出现了角闪石—辉石相变。

脱水对熔融的发生起了促进作用。以本次实验的花岗岩为例，外加的温压条件已处于其液相线之上，但镜下鉴定未发现其产生部分熔融，也没有出现纵波低速现象。由此看来，或者外加水，或者岩石含有饱和水（水以OH-形式存在于含水矿物中）对岩石中熔融的发生有十分重要的作用。出现低速现象的样品除大理岩外，都有含水矿物（角闪石或黑云母），脱水早于部分熔融，并成为后者的先决条件。部分熔融的出现又进一步降低了岩石的波速。地壳中、下部产生部分熔融，或规模不等的岩浆房、岩浆层，从物理性质上也可满足低速高导层的条件。如东非裂谷（肯尼亚）、美国黄石公园等地的地震层析成像所探测到的地壳低速体就被认为是部分熔融物质[15]。

实验岩石的脱水作用的发生，以该岩石最大波速所对应的温压条件作为起始条件，对含角闪石的岩石来说，起始温压多集中在700～800℃、～；降至波速最小值可能对应着矿物脱水程度最高和出现相当数量的部分熔融。

上述讨论表明，矿物脱水相变及由之诱发的部分熔融确实是岩石出现低速现象的原因，另据其他研究者的实验结果[5]，矿物脱水相变、岩石部分熔融时其电导率明显增加，这样上述过程可以同时导致岩石低速和高导现象。

秦岭地区和华北内蒙古、五台山地区的中、下地壳物质组成和热状态同本文中出现低速现象的实验条件是可以类比的。研究区的中、下地壳以达到角闪岩相的岩石（如斜长角闪岩、变基性火山岩等）为重要的岩石类型，而且大量存在以角闪石为主的含水矿物[6,16]。已有研究成果揭示出，秦岭和华北地区均为高热流区。地温分布曲线显示[7]，中、下地壳可以达到本次实验中角闪石脱水的起始温压条件（约700℃、）。至少有两种可能性存在，一种是部分中地壳本身发生了矿物脱水相变和少量部分熔融，形成低速高导层；另一种可能是类似Etheridge等[3]的研究结果，即矿物脱水相变和部分熔融发生于中地壳的底部或者下地壳，所产生的高温高压水或部分熔融物质上升至中地壳并被上覆的盖层圈闭引起了低速高导层。因此以角闪石为主的脱水相变或由之引起的岩石局部熔融是研究区内产生地壳低速层的重要原因之一。

7结论

对54个实验样品的矿物组成和显微结构的研究表明，矿物脱水相变和由它诱发的部分熔融是岩石出现纵波低速现象的原因。矿物脱水相变或部分熔融是导致秦岭和华北地区，也可能是世界许多地区，存在地壳低速高导层的一个重要原因。

为同时解释低速和高导这两种性质的成因，在下一步工作中需要进行高温高压条件下岩石波速和电导率的综合测量，并进行多次平行实验和多次采集实验产物，以更好地限制实验中相变、熔融等发生的确切过程。

致谢欧阳建平教授、胡以铿、张宏飞、许继峰副教授和周文戈博士提供部分样品，同刘庆生副教授进行了有益的讨论，邓晋福教授和教授提供了热情帮助，作者表示感谢。

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