论文部分内容阅读
本文首先对EBSD的发展沿革、基本原理、仪器系统组成、测试分析流程、性能参数和优缺点等进行系统总结，并结合两年多的学习与工作实践探讨该方法在地质研究中的样品制备、数据处理和应用领域及存在问题。在此基础上，以CCSD主孔超高压榴辉岩和副片麻岩为研究对像，借助EBSD、扫描电镜、透射电镜、电子探针分析和光学显微镜等手段，开展详细的岩相学、显微构造和矿物结晶学优选方位研究。最后，我们利用EBSD测量数据模拟不同变形程度榴辉岩和副片麻岩的地震波性质，并将之与岩心常温常压条件下的地震波速实测结果进行对比分析，着重从显微构造和变形组构角度探讨CCSD主孔0～2000m井段地震波反射界面的成因。论文研究中主要获得四方而认识：
1.超高压榴辉岩显微组构中国大陆科学钻探主孔0～2000m岩心剖面所揭示的超高压榴辉岩累计厚度约1200m，它们在折返过程中普遍受到角闪岩相退变质作用改造，具有从新鲜榴辉岩到完全退变质榴辉岩完整的退变质序列。新鲜榴辉岩中绿辉石和石榴石多发育垂直长轴和平行长轴方向的两组微裂隙，退变质榴辉岩中沿着矿物颗粒边界或者微裂隙形成后成合晶冠状体，常见有后期方解石脉体沿着与线理60°夹角方位侵入。石榴石普遍具有动态重结晶现象，早期粗粒石榴石逐渐被细粒化。
绿辉石显示较强的品格优选方位：[001]轴极点位于面理面上，其最人极密值对应轴向位于线理(X轴)附近；(010)面极点为近于垂直线理分布的大圆环带，其最大极密值对应轴向近于平行面理；(110)面极点为垂直线理的大圆环带，最大极密值接近z轴方向。绿辉石的LSindex指数变化范围介于0.227和0.786之间，显示L、S、SL和LS多种组构类型，但是主要偏向于L型。大范围TEM观察揭示绿辉石具有不均匀低位错密度特征，粗粒新鲜绿辉石以孤立位错为主，细粒重结晶绿辉石局部出现位错弓弯、位错连排和亚颗粒边界，显示早期位错经过后期动态恢复和重结晶改造。据此推断，CCSD主孔超高压榴辉岩中的绿辉石在变质峰期和折返早期以位错蠕变塑性变形调节应变，折返后期(石英榴辉岩相—角闪岩相)发生位错滑移和位错攀移的动态恢复和重结晶。绿辉石组构形态的变化主要取决于岩石所处的应变条件和应变路径，不同深度的超高压榴辉岩很可能受到应变分解作用的影响而出现明显的差异应变，但是总体上以剪切变形(对应L型或SL型组构)为主。
本文对3块完全退变质榴辉岩中的角闪石进行了组构测量。结果显示其中两块属于典型的A型角闪石组构类型：{110}为垂直线理的大圆环带，最大极密点位于Z轴附近；[100]最大极密值在Z轴附近；(010)形成垂直线理的大圆环带，最大极密值在Y轴附近；[001]在线理附近形成强极密。我们根据上述特征认为角闪石结晶学优选方位(CPO)主要受其显著的长柱状和针状结晶习性控制，其形成机制为差异应力条件下的溶解-沉淀定向生长，可能伴随有早期的角闪石微晶的刚性旋转变形。
2.副片麻岩显微组构副片麻岩是CCSD主孔0～2000m井段的主要岩石类型之一，集中出现在第二岩性构造单元，还以薄层状夹于其它深度井段的榴辉岩、退变质榴辉岩和正片麻岩中。本次研究的7块片麻岩样品全部采自CCSD主孔第二岩性-构造单元，主要位于韧性剪切带附近。TEM观察发现斜长石发育机械双晶结构，在双晶内部可见有少量自南位错，说明其变形是伴随位错滑移的机械双晶。斜长石靠近钠长石端元，显示弱优选方位：(100)面极点垂直线理方向，最火极密值近似平行Z轴方向；010)面极点基本上平行岩石面理；(001)面极点形成大圆环带，近似垂直线理或者与其低角度斜交。由此推测的主滑移系为(100)[010]，次滑移系为(001)[010]，这种斜长石组构类型只有很少的报道。
3.变形组构对地震波各向异性的影响以弹性理论为基础，根据岩石矿物组成、矿物结品学优选方位(CPO)、晶体弹性参数和密度可以直接模拟计算岩石的地震波性质。该计算结果中没有考虑孔隙和蚀变矿物的影响，主要反映了一定压力条件下(通常＞200～300MPa)无裂隙、无蚀变岩石的理想弹性性质，大于低压下岩石的实际波速，主要反映岩石组构对地震波各向异性的贡献。
中国大陆科学钻探(CCSD)主孔超高压榴辉岩具有不同程度退变质现象，我们在对其地震波速模拟过程中主要考虑绿辉石、石榴石、金红石和石英的影响，因此模拟结果主要代表新鲜榴辉岩波速性质。该研究证实新鲜榴辉岩地震波各向异性主要源于绿辉石矿物结晶学优选方位(CPO)，具有高波速和低各向异性特征：(1)纵波花样非常相似，最大纵波速度Vpmax=8.27～8.84km/s，传播方向接近X轴；最小纵波Vpmin=8.07～8.61km/s，传播方向近垂直面理和线理；纵波各向异性很弱AVp=1.4～4.10％。(2)横波花样非常复杂，快横波Vslmax=4.80～5.03km/s，Vslmin=4.68～4.96km/s；慢横波Vs2max=4.76～4.99km/s，Vs2min=4.64～4.94km/s。(3)横波各向异性也很弱，其最小值AVsmin=0.00～0.10％，最大值AVSmax=1.15～4.05％，最大各向异性值出现的位置受绿辉石组构类型影响发生变化。(4)快横波Vs1极化面与线理和面理的关系比较复杂，但是倾向于平行面理。
主孔韧性剪切带副片麻岩的矿物组成比较复杂，对其波速模拟计算过程中主要考虑石英、斜长石和黑云母三种矿物。所有副片麻岩样品地震模拟波速花样都有相似特征：(1)纵波花样中，最大纵波速度Vpmax=6.13～6.62km/s，传播方向平行面理；最小纵波Vpmin=5.63～6.08km/s，传播方向在Z轴附近，近垂直面理和线理。(2)横波花样中，快横波Vslmax=3.81～4.13km/s，Vsimin=3.33～3.91km/s；慢横波Vs2max=3.61～3.98km/s，Vszmin=3.26～3.74km/s。(3)具有高各向异性特征，且随着黑云母体积含量增高而增人，纵波各向异性AVp=5.80～12.30％；横波各向异性最小值．AVsmin=0.05～0.30％，最大值．AVsmax=8.14～18.11％，其最大各向异性值出现在面理面内，多接近线理方向。(4)快横波Vsl极化面非常相似，近于平行面理。
4.中国大陆科学钻探(CCSD)主孔0～2000m地震反射成因解释中国大陆科学钻探丰孔地区(江苏省东海县西南部)进行了系统的地球物理调查，包括三维地震测网和专门的地震剖面，揭示出该区上地壳具有一系列倾斜强反射体。我们在前人研究基础上，综合分析常温常乐条件下的岩心实测波速和岩石组构波速模拟结果，结合岩相学和显微构造特征，重点探讨CCSD主孔0～2000m井段强地震波反射的成因解释。初步结果表明，岩性差异产生的波阻抗界面和韧性剪切带是两个主导因素。
从丰孔0～2000m岩心的地震波阻抗、反射系数与地震波速反射剖面和岩性简化剖面综合对比图上可以看出，大部分强地震发射体都位于岩性界面附近，而且对应高反射系数。其中，榴辉岩与退变质榴辉岩界面最高反射系数Rc=0.19～0.24，蛇纹石化橄榄岩与榴辉岩界面最高反射系数Rc=0.25～0.28，榴辉岩与副片麻岩界面最高反射系数Rc=0.16～0.26，蛇纹石化橄榄岩与副片麻岩界面最高反射系数Rc=0.17。对榴辉岩和副片麻岩的地震波速模拟结果显示，副片麻岩纵波波阻抗17.55gcm-3kms-1，榴辉岩纵波波阻抗29.09gcm-3kms-1，由此计算的榴辉岩/副片麻岩波阻抗Rc=0.25。该研究结果进一步证实岩性差异所产生的波阻抗界面是CCSD主孔强地震反射的最重要来源，互层状结构的榴辉岩和副片麻岩可能在中下地壳深度形成明显的地震反射。韧性剪切带副片麻岩样品在常温常压条件下的实测地震波速和利用EBSD测量数据的模拟波速都具有显著各向异性特征，并且随着糜棱岩化程度的增强而增大。副片麻岩的地震波各向异性受到矿物结晶学优选方位(CPO)和定向微裂隙的综合影响，饱水纵波各向异性AVP饱水：11.50～32.52％，饱水横波各向异性．AVs饱水=10.00～34.66％，其中由CPO引起的AVp=5.80～12.30％，AVsmax：8.14～18.11％。韧性剪切带副片麻岩的地震波各向异性大小主要受控于黑云母含量，随着黑云母含量增高而增大，而最大纵波方位和最大剪切波分裂方向则受黑云母、石英和斜长石组构综合影响。因此，我们认为糜棱岩化副片麻岩由于富集黑云母等片状矿物，并且常常发育定向微裂隙和云母域结构，可以产生很高的波速各向异性，在地壳浅部造成强地震反射。
变形榴辉岩中的石榴石、绿辉石、金红石、石英和多硅白云母均显示明显的定向排列，除石榴石显示近随机分布的组构特征外，绿辉石和金红石等其它矿物均显示较强的结晶学优选方位(CPO)。地震模拟结果显示，榴辉岩具有高密度和低各向异性(AVp=1.4～4.10％，AVsmax=1.15～4.05％)特征，说明糜棱岩化榴辉岩本身的矿物结晶学优选方位(CPO)对其波速各向异性影响很小，不足以形成强反射体。但是，超高压榴辉岩在折返过程中由于受到复杂的退变质和变形作用，往往发育大量平行线理的微裂隙和晶内韧一脆性破裂结构，会显著降低波速，并增强波速各向异性度。因此，我们认为虽然新鲜榴辉岩本身不产生强地震反射，但是其折返过程中的强烈角闪石化或者剪切碎裂结构可能引起较强的地震反射。例如主孔1900m附近的榴辉岩中有一个强地震反射体，很可能与富含流体的榴辉岩破裂带有关。