【摘要】：俯沖帶相關(guān)的物質(zhì)循環(huán)過程一直是國際地學(xué)界研究的熱點(diǎn),一般指俯沖板片與大洋沉積物俯沖進(jìn)入地球內(nèi)部,在脫水和熔融的過程中板片物質(zhì)以流體或者熔體的形式向上遷移至島弧底部,再通過巖漿作用返回地表。而古俯沖帶中高壓和超高壓巖石的發(fā)現(xiàn)表明,俯沖帶內(nèi)部也存在逆俯沖的物質(zhì)回流,低密度及低流變學(xué)強(qiáng)度的含水礦物被認(rèn)為是導(dǎo)致物質(zhì)回流的主要?jiǎng)恿�。另�?關(guān)于地幔楔地震波各向異性研究結(jié)果表明,俯沖帶地幔楔剪切波快波分裂方向平行海溝,與傳統(tǒng)二維地幔楔拐角流動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測結(jié)果矛盾,表明低溫及富水地幔楔內(nèi)部可能存在三維動(dòng)力學(xué)過程或者內(nèi)部物質(zhì)的變形過程與常見弧后地幔變形方式不同。因此,含水礦物相關(guān)變形研究是研究俯沖隧道及地幔楔動(dòng)力學(xué)過程的核心之一。本論文以含水礦物在俯沖帶變形行為以及變形機(jī)制作為研究目標(biāo),以顯微構(gòu)造分析和高溫高壓實(shí)驗(yàn)方法為主要研究手段,對來自意大利阿爾卑斯造山帶的Val Malenco蛇紋石化橄欖巖進(jìn)行系統(tǒng)的變質(zhì)和變形顯微構(gòu)造研究,同時(shí)對蛇紋石和綠泥石進(jìn)行了軸向壓縮和剪切變形實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行對比分析,獲得新認(rèn)識(shí)如下:(1)系統(tǒng)闡明了Val Malenco地區(qū)蛇紋石化橄欖巖在阿爾卑斯造山帶俯沖和折返過程中所經(jīng)歷的復(fù)雜變質(zhì)變形過程。蛇紋石化橄欖巖樣品保存有少量變形斑晶(Ol~P、Cpx~P)、重結(jié)晶礦物(Ol~R、Cpx~C(核部))、進(jìn)變質(zhì)成因礦物(Ol~C、Atg~C)以及交代溶解生長礦物(Ol~M、Cpx~C(邊部)、Di、Atg~F)。輝石斑晶微量元素含量普遍偏低卻富含流體遷移元素;輝石斑晶富水(340-598ppm);橄欖石及輝石斑晶晶內(nèi)強(qiáng)變形并發(fā)育亞顆粒構(gòu)造,啟動(dòng)多組在800-1000~℃常見滑移系;輝石斑晶內(nèi)部出溶磁鐵礦,且與輝石具有(100)_(Cpx)//(111)_(Mag)、(010)_(Cpx)//[-110]_(Mag)、[001]_(Cpx)//[-1-12]_(Mag)、[101]Cpx//[112]_(Mag)、(-101)_(Cpx)//(-1-11)_(Mag)的拓?fù)淙∠蜿P(guān)系,指示其出溶溫度為800-900~℃;輝石斑晶取向與周邊粗粒單斜輝石極密具有良好繼承關(guān)系,橄欖石斑晶與周邊細(xì)粒橄欖石具有明顯顆粒邊界遷移特征;橄欖石斑晶自由位錯(cuò)定向排列,而周邊細(xì)粒橄欖石位錯(cuò)密度較高且分布不均。這些特征表明Val Malenco超基性巖體經(jīng)歷地幔隱交代以及高溫塑性變形,并伴隨后期強(qiáng)烈動(dòng)態(tài)重結(jié)晶過程。粗粒橄欖石發(fā)育良好三聯(lián)點(diǎn),無晶內(nèi)變形特征,位錯(cuò)密度極低;橄欖石部分含有葉蛇紋石水峰,部分完全不含結(jié)構(gòu)水;粗粒葉蛇紋石Al溫度計(jì)算結(jié)果指示其形成溫度為430-460~℃;粗粒葉蛇紋石富集As、Sb以及B等指示高溫或者洋底蛇紋石化特征的流體遷移元素,同時(shí)富含高溫下流體富集的Cu、Co元素。這些特征表明Val Malenco超基性巖體隆升至洋底蛇紋石化后,經(jīng)歷淺俯沖進(jìn)變質(zhì)過程,并變質(zhì)形成粗粒橄欖石以及粗粒葉蛇紋石。細(xì)粒蛇紋石層內(nèi)細(xì)粒橄欖石與細(xì)粒葉蛇紋石顆粒接觸邊界呈曲折彎曲狀,且有孔隙存在;細(xì)粒橄欖石成分特征與粗粒橄欖石相同,且位錯(cuò)密度很低;細(xì)粒葉蛇紋石Al溫度估算結(jié)果顯示其形成溫度為300-370~℃;單斜輝石斑晶存在典型壓溶結(jié)構(gòu),形成橄欖石及透輝石;富橄欖石層粗粒單斜輝石包裹橄欖石,并發(fā)育港灣狀結(jié)構(gòu)、透輝石生長環(huán)帶等;富橄欖石層透輝石集合體與橄欖石邊界彎曲,常見橄欖石單晶被消耗肢解。這些特征表明Val Malenco超基性巖體在俯沖折返過程中發(fā)生沉淀溶解蠕變過程,形成細(xì)粒蛇紋石層以及透輝石。(2)提出在地幔楔富流體及低溫條件下橄欖石可以通過溶解蠕變機(jī)制發(fā)育B型組構(gòu)的新機(jī)制。富蛇紋石層的微粒橄欖石發(fā)育強(qiáng)形狀優(yōu)選方位及強(qiáng)B型組構(gòu),而橄欖石層橄欖石組構(gòu)隨機(jī);微粒橄欖石成分、無位錯(cuò)特征與粗粒橄欖石一致;葉蛇紋石Al含量估算溫度表明細(xì)粒橄欖石變形溫度為300-370~℃。我們提出橄欖石通過各向異性溶解導(dǎo)致顆粒形成各向異性晶體形狀,具有各向異性顆粒形狀的橄欖石在同構(gòu)造變形過程中顆粒發(fā)生旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致溶解最慢的長軸[001]軸平行線理,溶解最快的短軸[010]軸垂直頁理面,并在剪切作用下最終通過顆粒旋轉(zhuǎn)及顆粒邊界滑移發(fā)育B型組構(gòu)。低溫下通過溶解形成B型組構(gòu)表明即使在低溫富流體環(huán)境中,橄欖石仍然可以發(fā)育強(qiáng)B型組構(gòu)。地幔楔剪切快波平行海溝地震波各向異性現(xiàn)象可以用低溫蛇紋石化過程中橄欖石發(fā)育的B型組構(gòu)解釋。(3)提出葉蛇紋石受應(yīng)變和應(yīng)力作用可以通過沉淀蠕變機(jī)制發(fā)育[010](001)組構(gòu)和[010](h0k)組構(gòu)的新觀點(diǎn)。蛇紋石層內(nèi)葉蛇紋石發(fā)育強(qiáng)[010](001)組構(gòu),而晶內(nèi)低角度邊界旋轉(zhuǎn)軸為[010]軸,表明[010](001)組構(gòu)并不是位錯(cuò)蠕變導(dǎo)致。蛇紋石化過程也即為葉蛇紋石沉淀結(jié)晶生長過程。本文認(rèn)為各向異性生長導(dǎo)致葉蛇紋石形成各向異性晶體形狀(最長及最短軸分別為[010]、[001]),變形過程中的顆粒旋轉(zhuǎn)最終導(dǎo)致葉蛇紋石發(fā)育[010](001)組構(gòu)。橄欖石層內(nèi)葉蛇紋石發(fā)育[010](h0k)組構(gòu),該組構(gòu)也同樣在其他地區(qū)低蛇紋石化的地幔楔樣品中發(fā)現(xiàn)。本文認(rèn)為與蛇紋石層交互產(chǎn)出的橄欖石層內(nèi)部的高應(yīng)力低應(yīng)變環(huán)境對葉蛇紋石的生長有重要影響,導(dǎo)致葉蛇紋石生長速率發(fā)生微小變化,僅發(fā)育平行[010]軸的長軸,最終變形形成[010](h0k)組構(gòu)�？紤]到葉蛇紋石形成于富流體低溫環(huán)境,這表明沉淀蠕變機(jī)制可能是葉蛇紋石常見的變形機(jī)制。因此,作為蛇紋石主要賦存區(qū)域,俯沖隧道以及地幔楔內(nèi)部同樣可能存在大量沉淀溶解蠕變過程,而具有更低粘度的沉淀溶解蠕變過程可能會(huì)對板楔解耦產(chǎn)生重要影響。(4)發(fā)現(xiàn)單斜輝石在沉淀蠕變機(jī)制下發(fā)育[001](100)組構(gòu),還可導(dǎo)致富橄欖石層內(nèi)單斜輝石聚集產(chǎn)出,形成應(yīng)變?nèi)趸８婚蠙焓瘜觾?nèi)與應(yīng)變相關(guān)的單斜輝石條帶及單斜輝石囊狀體內(nèi)部單斜輝石發(fā)育強(qiáng)[001](100)組構(gòu),[001]軸極密與顆粒長軸分布一致。與應(yīng)力相關(guān)的單斜輝石囊狀體其[001]軸形成強(qiáng)極密,該極密分布與宏觀線理并不相關(guān),但與晶體顆粒長軸取向一致。本文研究表明該單斜輝石在低溫條件下結(jié)晶生長形成。本文認(rèn)為單斜輝石[001]軸優(yōu)先生長發(fā)育為晶體的長軸,[100]軸生長最慢發(fā)育為晶體短軸,平行[001]軸的顆粒邊界為低指數(shù)面邊界。各向異性生長導(dǎo)致發(fā)育的低指數(shù)顆粒邊界控制著顆粒最終的形狀,在應(yīng)力或者應(yīng)變影響下并最終發(fā)育極密或者[001](100)組構(gòu)。本文認(rèn)為,單斜輝石[001](100)組構(gòu)并不能作為可靠的指示低溫滑移系啟動(dòng)證據(jù)。同時(shí),造山帶橄欖巖大量存在的流體交代現(xiàn)象,單斜輝石在沉淀溶解機(jī)制條件下發(fā)育強(qiáng)組構(gòu)可以解釋造山帶常見的單斜輝石強(qiáng)組構(gòu)而橄欖石弱組構(gòu)現(xiàn)象。(5)首次在1-2.5 GPa和500-700~℃條件下建立起綠泥石的穩(wěn)態(tài)流變方程?=e~(-27.2)σ~(4.1)exp[-((48830+11.51*P)/RT)],發(fā)現(xiàn)葉蛇紋石在高壓穩(wěn)定域內(nèi)發(fā)生半脆性變形,且屈服強(qiáng)度大于綠泥石。冪流變方程應(yīng)力指數(shù)表明綠泥石在該溫壓條件下通過位錯(cuò)蠕變調(diào)節(jié)變形;變形綠泥石顯微結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)綠泥石晶內(nèi)發(fā)育大量扭折帶,表明其通過塑性方式發(fā)生變形。本文葉蛇紋石變形研究結(jié)果與前人一致,至少在實(shí)驗(yàn)應(yīng)變速率下,2 GPa、600-650~℃溫壓條件下,葉蛇紋石以半脆性方式發(fā)生變形。相同變形條件下,綠泥石屈服強(qiáng)度明顯低于葉蛇紋石屈服強(qiáng)度。與橄欖石多晶集合體及洋殼榴輝巖相比,綠泥石流變學(xué)強(qiáng)度明顯低于兩者。因此推測,在俯沖帶,俯沖板片與地幔楔之間的含綠泥石橄欖巖及綠泥石富集層可能會(huì)承擔(dān)主要應(yīng)變,從而導(dǎo)致板片與地幔楔發(fā)生解耦。(6)系統(tǒng)闡明了剪切變形條件下綠泥石與葉蛇紋石組構(gòu)發(fā)育的規(guī)律,為俯沖帶地震波各向異性特征提供了有力約束。剪切實(shí)驗(yàn)研究表明,隨著溫度增加,葉蛇紋石[010]軸在平行剪切方向逐漸形成弱極密;綠泥石[100]及[010]在平行剪切方向呈大圓環(huán)分布。綠泥石晶內(nèi)變形分析表明,其變形形成以[001]軸為旋轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)顆粒邊界以及對應(yīng)啟動(dòng)滑移系分別為[100](001)、[010](001)和[hk0](001)的傾斜顆粒邊界。高溫條件下葉蛇紋石[010](001)滑移系的臨界剪切應(yīng)力最小,為最易滑移系;高溫下雖然綠泥石有多個(gè)滑移系啟動(dòng),但不同滑移系臨界剪切應(yīng)力差別不大。兩種層狀含水礦物在剪切變形環(huán)境下均發(fā)生塑性變形,說明層間滑移對其調(diào)節(jié)應(yīng)變具有重要影響。同時(shí),含水礦物附著板片變形形成的強(qiáng)[hk0](001)組構(gòu)可以解釋某些大角度俯沖帶地幔楔存在大延時(shí)地震波各向異性特征。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：P588;P542
【圖文】：

圖 1-1 葉蛇紋石晶體結(jié)構(gòu)示意圖(Mellini etal., 1987; Mookherjee et al., 2009)圖 1-2 葉蛇紋石穩(wěn)定域相圖

綠泥石晶體結(jié)構(gòu)示意圖(Caritatetal.,1993)

綠泥石穩(wěn)定域相圖

本文編號(hào)：2777624