喜马拉雅角闪岩的流变和各向异性研究

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大陆中下地壳的流变涉及到地壳中的结构构造、成分演化、水循环、岩石圈壳幔耦合、中深源地震的成因和岩浆作用过程等重要地球动力学问题,具有重要的科学研究意义。角闪石作为富水的大陆中下地壳主要造岩矿物之一,其流变性质可能控制着大陆中下地壳的结构和演化,是研究大陆流变学的重要载体矿物,研究程度不高,在很大程度上限制了我们对角闪石在地壳深部条件下变形和相关地球动力学问题的认识。为了探索角闪石在地壳中的流变强度、变形机制和各向异性,本论文以产出于青藏高原东构造结南迦巴瓦地区的角闪岩为主要研究对象,进行了角闪岩的天然变形和其主要组成矿物角闪石的高温高压流变学实验和组构发育数值模拟研究,分析了角闪岩组构与地震波各向异性和磁各向异性之间的关系,获得如下一些创新性认识:(1)基于南迦巴瓦岩石榴角闪岩和斜长角闪岩的组构和地震波速对比研究,提出在青藏高原南部拉萨地体下部有相对厚层的角闪岩地壳。我们对出露于喜马拉雅东构造结南迦巴瓦岩群的深部地壳的石榴角闪岩、斜长角闪岩样品进行了一系列主量元素分析、EBSD分析、显微构造观察及各向异性计算,确定了样品中的主要组成矿物及其形成温压条件。发现样品中角闪石未见明显波状消光或扭折带等晶内塑性变形特征,斜长石可见机械双晶和波状消光现象,斜长石内部残留后期改造作用的现象。EBSD研究结果显示角闪石均发育(100)[001]型组构特征,长石组构较弱近似随机,角闪石晶内变形GOS值较低,指示角闪石可能并非以晶内塑性变形主导,或者曾经发生的晶内塑性变形被恢复。角闪石的成分不同于斜长石,颗粒内部成分均一,无环带现象,说明可能与溶解-沉淀蠕变无关。根据样品显微结构特征,我们推断角闪岩样品的变形主要以碎裂流变形为主,TOO-38样品除外,TOO-38角闪岩可能经历了压溶作用并达到化学平衡。角闪石的P波最快方向位于平行线理的方向,各向异性(AVP)为6.4%-6.7%,最大剪切波各向异性(AVS)为5.67%-9.63%。角闪岩产生的各向异性强于基性麻粒岩和榴辉岩等下地壳岩石,10-40km厚的角闪岩层可以产生0.1-0.6s的延长时间,可以很好的解释地球物理观测的西藏中部和东部的地壳中的剪切波分裂时间(0.19-0.53s)。除此之外,角闪岩地壳还可以很好地解释藏南埃达克质岩浆的成因。因此,我们提出在青藏高原南部拉萨地体之下可能有相对厚层的印度板块角闪岩地壳俯冲其下,而基性麻粒岩或榴辉岩质的薄层下地壳仅在壳幔边界附近存在。(2)第一次获取了角闪石多晶集合体的流变状态方程。为了探讨角闪石在中下地壳深度的流变强度,使用南迦巴瓦地区石榴角闪岩TOO-38中分离出来的角闪石作为实验初始样品,利用改进型5GPa Griggs流变仪装置进行了压力1.5GPa、温度750-880℃和应变速率10-4-10-5/s条件下多晶角闪石集合体的流变学实验研究,获得其流变状态方程ε?=10-5.87σ5.03exp[-?280kJ/mol?/RT]。流变实验结果发现角闪石在高压稳定域内以半脆性变形主导,高温下可发生部分脱水,脱水特征表现为微裂隙和脱水孔隙及解理的发育等,并因此导致角闪石变形过程中的应变弱化现象;另外,脱水作用还伴随有元素的溶解和扩散,脱水过程中颗粒保留角闪石的成分和结构,没有发生分解和相变。EBSD结果显示角闪石在(100)面方向形成面理,旋转轴指示(100)[001]滑移系也参与了角闪石的变形过程。我们认为角闪石由于变形应变速率较高,达到了塑性极限,脱水及裂隙的发育承担了部分应变。角闪石的流变强度随着温度增加,依次超过湿钙长石和绿辉石,在低于900℃范围内,强度明显弱于单斜辉石、干的钙长石和橄榄石。(3)通过组构模拟初步阐明了位错蠕变导致的角闪石变形组构特征。使用VPSC程序对角闪石多晶集合体模拟以位错蠕变为主导的变形行为和产生的组构。提出角闪石在位错蠕变条件下,变形稳定的五个必需滑移系为(100)[001]、(010)[001]、{110}[001]、{110}<110>、(-101)[-10-1],这五个滑移系是帮助角闪石发生塑性变形的必要条件,这些滑移系也都在天然样品中都曾观察到。在轴向压缩变形条件下,角闪石的[100]轴在垂直面理方向形成极密,而[010]和[001]轴在面理面内呈圆环分布;在简单剪切变形条件下,角闪石可以发育(100)面方向的面理及[001]方向的线理,组构发育稳定。(4)发现角闪岩的磁化率各向异性主要由角闪石组构控制,而磁化率大小则由铁磁性矿物主导。室温下测试结果显示南迦巴瓦角闪岩的体积磁化率在7.06×10-3-33.1×10-3 SI,各向异性度(Pj)的范围为1.221-1.463,最大磁化率方向平行于线理,最小磁化率近垂直于面理面。角闪岩TOO-38具有较高的磁化率,磁性主要由各向同性的(含钛)磁铁矿为主的矿物贡献。根据16LZ-21及TOO-38样品的角闪石组构计算的模拟AMS显示与实测AMS具有较好的一致性,表明岩石的磁化率各向异性主要由角闪石顺磁性矿物来控制。角闪岩TOO-38的磁性比蛇纹岩及麻粒岩都更强,可能为喜马拉雅东构造结的强磁负异常的来源提供了依据。
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