岩石圈流变实验研究的进展

岩石高温高压变形实验是了解地球内部物质流动特性的最直接的手段 .本文概述了近年来岩石流变实验研究的一些成果 ,重点总结了水和部分熔融对上地幔顶部橄榄石流变行为的影响 ,以及地壳多相岩石流变实验研究的一些成果 .     

我国实验岩石力学与构造物理学研究的若干新进展

简述了近年来我国学者在与地震学和地球内部物理学相关的实验岩石力学和构造物理学研究方面的进展．在此领域的进展主要体现在:大量实验以及数学模拟结果丰富了对岩石脆性破裂过程，特别是结构和介质非均匀条件下破裂过程的认识；在非均匀断层的摩擦行为与失稳成核方面取得了一些新结果，揭示了断层滑动行为的复杂性；在岩石脆塑性转换和塑性流变方面取得了一些新结果，特别是在下地壳和上地幔物质的流变性质方面取得了重要进展；在高温高压岩石物理方面取得了一批实验结果, 并应用于地球内部物质的组成和状态的研究．这些结果为深入理解地球内部物质的物理性质、变形机制及地震物理过程提供了有价值的参考资料.      

大洋深俯冲带流变性质及其地球动力学意义

在压力3 GPa, 温度1450～1600 K, 应变速率10-4～10-5 s-1条件下, 对深俯冲带和上地幔中两种重要岩石(榴辉岩和方辉橄榄岩)的流变性质进行了实验研究, 获得了榴辉岩在超高压条件下的流变参数, 应力指数为3.4, 活化能为480 kJ/mol, 活化体积为12 cm3/mol. 实验结果表明具有中等石榴石含量榴辉岩的流变强度与方辉橄榄岩的流变强度在上地幔浅部条件下基本相当, 是多晶绿辉石岩强度的2～3倍和多晶石榴石岩强度的一半. 随榴辉岩中石榴石含量的逐步增加, 岩石的整体流变强度也不断增大. 在实验研究基础上, 计算了不同板块汇聚速率条件下深俯冲大洋岩石圈在不同深度层次上的流变强度, 以及橄榄岩和榴辉岩上地幔流变强度随深度的变化. 研究表明, 俯冲洋壳从下覆的上地幔拆离出来最有可能发生在缓慢俯冲的热俯冲带中; 而快速俯冲的冷俯冲带, 俯冲地壳与上地幔之间在强度上是耦合的, 发生拆离的可能性不大. 过渡带是上地幔中除岩石圈地幔外的高强度和高黏度层.     

大洋深俯冲带流变性质及其地球动力学意义——来自地幔岩高温高压实验的启示

在压力3GPa,温度1450～1600K,应变速率10-4～10-5s-1条件下,对深俯冲带和上地幔中两种重要岩石（榴辉岩和方辉橄榄岩）的流变性质进行了实验研究,获得了榴辉岩在超高压条件下的流变参数,应力指数为3.4,活化能为480kJ/mol,活化体积为12cm3/mol.实验结果表明具有中等石榴石含量榴辉岩的流变强度与方辉橄榄岩的流变强度在上地幔浅部条件下基本相当,是多晶绿辉石岩强度的2～3倍和多晶石榴石岩强度的一半.随榴辉岩中石榴石含量的逐步增加,岩石的整体流变强度也不断增大.在实验研究基础上,计算了不同板块汇聚速率条件下深俯冲大洋岩石圈在不同深度层次上的流变强度,以及橄榄岩和榴辉岩上地幔流变强度随深度的变化.研究表明,俯冲洋壳从下覆的上地幔拆离出来最有可能发生在缓慢俯冲的热俯冲带中;而快速俯冲的冷俯冲带,俯冲地壳与上地幔之间在强度上是耦合的,发生拆离的可能性不大.过渡带是上地幔中除岩石圈地幔外的高强度和高黏度层.     

上地幔流变性质的研究进展

本文主要总结了近十多年来橄榄岩流变实验的研究成果,介绍了上地幔流变研究的进展和意义.经过多年的实验研究,橄榄岩流变性质在理论和应用方面都已取得重要突破.人们利用高温高压实验深入研究了熔/流体、铁含量、粒径尺度、温压条件等因素对橄榄石流变性质的影响,得到了表征橄榄石流变特性的幂率本构方程的各参数,并从理论方面探讨了橄榄石等矿物在不同深度处可能存在的变形机制.在应用方面,高温高压流变研究为许多地质现象(如软流圈的成因)的解释和地球动力学(如地幔对流)的模拟提供了实验依据和基础数据,如辉石的粒度效应可以解释上地幔板块边界变形及剪切局域化问题等.尽管对上地幔矿物的流变特性进行了深入地研究,但还有许多问题需要人们进一步厘定,如碳酸盐熔体对橄榄石流变性质的影响,橄榄石变形机制的转化等.     

上地幔的流变学

地球地幔的流变特性对岩石层和软流层的动力学起着重要的作用。然而基本的流动的主导机制问题还未解决。实验研究与地质、地球物理观测的综合实验室研究表明：扩散蠕变与位错蠕变间的转换可能发生在地震的上地幔。热的浅部的上地幔以位错蠕变方式流动，而冷的深部或浅部的上地幔以扩散蠕变方式流动。当应力增加时，晶粒尺度减小，而且在该转换区附近的上地幔变弱。因此，形变是局部的，从力学上说在这些深度附近的上地幔被解耦。     

汶川地震区的流变结构与发震高角度逆断层滑动的力学条件

本文利用龙门山地区的地质、地球物理剖面、弹性波速和流变实验数据等,建立了汶川地震相关构造单元的地壳流变结构.川西高原和龙门山构造带的地壳流变结构中存在多个塑性流变层,而四川盆地地壳基本没有出现塑性流变层,这种复杂的流变结构是汶川地震孕育和发生的基础.岩石破裂-黏滑-摩擦实验表明,以二长花岗岩为代表的震源区岩石具有很高的破裂强度和摩擦强度,能够承受极大的差应力和积累巨大的能量,这是高角度逆断层能够滑动和汶川地震强度大的原因之一.高流体压力是高角度逆断层滑动和触发汶川地震的另一个必要条件,而龙门山断层带内可能存在这种比较高的流体压力.     

中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构

依据地震波速得到的上地幔温度和气象台站记录的地表温度为约束,结合地表热流和热导率观测数据,利用有限元方法计算了中国大陆及邻区岩石圈三维热结构.基于此温度结果和GPS观测得到的应变率数据,以滑动摩擦、脆性破裂和蠕变三种强度机制为约束,计算得到了中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构.结果显示:弱强度和低等效黏滞性系数的下地壳在中国大陆及邻区普遍存在,并且下地壳的流变强度和等效黏滞性系数比上地壳和岩石圈地幔一般要低1~2个数量级;中国大陆范围内青藏高原存在着厚度最大、强度最低的下地壳;青藏高原的岩石圈强度和等效黏滞性系数比华北、华南和印度板块的都要低;岩石圈流变结构的横向分布特征与重力梯度带和地形过渡带比较一致.     

后碰撞幔源岩浆活动、底垫作用及准噶尔盆地基底的性质

准噶尔盆地周边地区广泛发育晚古生代后碰撞花岗岩类、基性_超基性杂岩和火山岩 .它们普遍具有正的εNd(t)值 ,表明岩浆起源于亏损地幔 ,并不同程度地受到地壳物质的混染 .幔源岩浆及其分异产物在上地壳侵位只是深部地质过程的浅部反映 ,大量的幔源岩浆很可能在壳幔界面附近和下地壳中发生底垫作用 ,成为准噶尔盆地基底的组成部分 .如果准噶尔盆地的基底是残留洋壳 ,除非发生高度部分熔融 ,否则不可能产生基性_超基性杂岩 .即使准噶尔盆地具有老陆壳基底 ,也会因为幔源岩浆底垫作用而受到强烈改造 .这种解释可以与地球物理资料相容 .     

岩石圈流变学研究进展

岩石圈流变学的目标是研究岩石圈物质的变形、流动及其机制。７０年代以来高温高压岩石力学实验和地热研究的丰硕成果,推动了该分支学科的进展。Ｒａｎａｌｉ等（１９８７）建立了７种岩石圈流变学剖面,并论述了岩石圈的流变学分层特性。此后,一些学者对不同地区的岩石圈做了研究,获得了类似的结果,建立了岩石圈流变学分层理论。运用这一理论,能解释地球科学许多分支学科所研究的不同尺度的构造现象。因为岩石圈的结构分层和流变性质,控制了大陆构造的形成演化,尤其是大陆构造变形。最新研究表明,一系列深成构造作用,如下地壳韧性剪切、造山带演化晚期或造山期后重力塌陷和莫霍面松驰等,与下地壳软化和塑性流动密切相关,而中上地壳（或汇聚带上地幔最上部）脆性域控制了地震震源的分布     

中国大陆地壳与上地幔地震各向异性研究

地壳与上地幔各向异性研究在地球动力学领域有广泛的应用和重要的科学意义,其研究有助于许多地质和地球物理基本问题的解释.中国大陆的各向异性研究,在地壳与上地幔两个尺度上都有许多重要进展,并在基本理论和岩石实验研究中取得进步.文章认为,各向异性研究揭示的科学问题将会是广泛的和深远的.     

中国大陆震源机制深度变化反映的地壳-地幔流变特征

大陆岩石层流变性质是一个重要而又没有完善解决的问题：既存在支持Moho面附近为强地幔-流动弱地壳模式的实验和观测事实，也存在支持流动弱地幔-强地壳模式的观测事实. 本文利用哈佛震源机制矩张量解及有关震源深度资料，对我国震源机制随深度的变化进行分析，发现虽然表浅地震震源机制主应力轴倾角接近水平或竖直，但中、下地壳和上地幔震源机制主应力轴倾角则多样化. 这与某些存在柔性下地壳软弱层地区具有孕震层下缘震源机制主应力轴也接近水平或竖直的特征明显不同. 它可能表明上述两种壳-幔流变模式在我国均存在，对我国岩石层流变性质还需要分区进行更细致的多方面研究.     

大陆下地壳典型岩石的高温高压流变实验

用石英(或花岗岩)和橄榄岩分别代表大陆地壳和上地幔,得到的大陆岩石圈强度轮廓存在多个塑性流变层,类似于"三明治"结构.这种强度模式已经被广泛接受,并成为研究大陆岩石圈动力学不可缺少的手段.例如,采用石英和花岗岩的流变实验结果估计的中上地壳流变结构,与发生在中上地壳的地震及其余震深度分布规律具有很好的对应关系,表明根据实验结果估计的这种流变结构基本反映了大陆中上地壳的真实情况.然而,地壳成分分析表明,对地壳岩石变形机制起制约作用的主要矿物由上地壳、中地壳的石英(或石英-长石组合)、长石(或长石-角闪石组合)转变为下地壳的辉石(或长石-辉石组合).因此,石英(花岗岩)流变不能完全代表大陆地壳的流变特征.     

上地幔电导率-温度关系及在大地电磁测深法中应用综述

上地幔热结构的研究对探索地球内部物质状态和岩石圈形成演化过程,评估自然资源的存储状况,监控火山区岩浆活动从而降低自然灾害风险等有着重要的意义.本文概述了基于不同岩石物理学高温高压实验得到的上地幔矿物电导率-温度关系.通过分析并对比前人的实验结果,讨论了不同实验得到的同一矿物的电导率-温度经验关系中参数差异产生的原因.大地电磁测深法(MT)以其探测深度大,受浅部高阻体影响较小且对低阻体分辨率较高等特点,在研究壳幔电性结构、热状态和地球动力学机制中得到了广泛的应用.以MT得到的上地幔电阻率模型为基础,结合岩石物理学实验标定的矿物电导率-温度经验关系,建立上地幔的温度和熔融百分比模型,这项工作在研究上地幔热状态中起着不可或缺的作用.笔者总结并讨论了前人以MT方法获得电性结构为基础,利用电导率-温度经验关系评价上地幔热状态的应用实例,并对未来的研究工作做了展望,同时对其可行性做了评估.     

浙江省上地幔的热结构及流变学特征

由尖晶石相和石榴石相二辉橄榄岩包体所建立的浙江省上地幔古地温线高于大洋地温线 ,与徐义刚等建立的中国东部地温线以及澳大利亚东南部的地温线较为接近 .由该地温线确定的该区壳幔边界为 34km ,软流圈与岩石圈边界大致在75km .上述结果与该区地球物理资料基本一致 .包体的流变特征研究表明 ,该区的包体至少经历了两期以上的变形事件 .前期可能与上地幔底辟有关 ,后期则可能与上地幔的剪切作用有关     

上地幔低速高导层成因的探讨-水和熔体的作用

上地幔中广泛存在低速高导层,对这些低速高导层成因的研究可以帮助我们了解上地幔物质的组成、分布以及地幔动力学过程.目前,地球科学家把上地幔低速高导层的主要成因归结为水或熔体的作用.本文主要介绍了水和熔体在上地幔中的赋存状况、对地震波速的衰减作用以及对电导率的影响.最后本文评述了含水模型和含熔体模型,并对电导率研究进行了展望.     

岩石破裂强度的温度和应变率效应及其对岩石圈流变结构的影响

研究了温度和应变率对岩石破裂强度的影响,得到了岩石圈中一些典型岩石破裂强度的新的经验规律.新的经验规律除考虑围压和标本尺度的影响外,还考虑了温度和应变率的影响,并增加了新岩石的结果,所以更能反映岩石圈内岩石破裂的真实状态.通过对鄂尔多斯平均流变结构的计算和对比研究表明：传统的忽略脆性破裂的流变模型过高地估计了流变强度,流变机制的分布也不尽合理.而考虑了脆性破裂机制的流变模型的结果表明脆性区分为两部分,浅部以摩擦滑动机制控制,深部以脆性破裂机制控制.由于新的经验规律考虑的代表性岩石更全面,并考虑了应变率的影响,得到的脆性区的范围进一步增大,流变强度进一步降低.     

高温高压下石灰岩剪切网络的实验研究

主要介绍在不同温度(300—1000℃)、围压(300—600 MPa)条件下灰岩的等应变率压缩实验和蠕变实验以及变形样品的显微观测、分析结果.通过研究岩石的流变特性、变形形迹和变形机制及其受温度,压力、应变率等因素的影响,确定由共轭网络状塑性流动向均匀塑性流动过渡的温、压界限,并讨论了相应的流变学标志和微观构造标志.上述结果为大陆岩石层多层构造网络的研究提供了实验依据.     

准噶尔盆地北部基底结构与属性问题探讨

准噶尔盆地的基底结构与属性一直是地学界关注的焦点问题之一.横跨准噶尔盆地北部,走向近东西的克拉玛依—喀姆斯特地震剖面提供了该盆地北部详细的地壳与上地幔顶部的速度结构与构造,特别是基底顶界面的速度.沿剖面发现了数条走向近南北的“H”型超壳断裂,它们没有明显的断差,断裂处反射系数明显降低,介质的Q值减小,推测具“开裂”性质;利用盆地内1:20万重磁数据完成了重磁联合反演,获得了沿剖面的地壳与上地幔顶部的二维密度结构与二维磁性结构.根据在一定深度范围内介质的速度-密度-岩性之间的关系,确定了盆地北部基底岩性分布.结果表明,准噶尔盆地北部的基底多处为基性和超基性物质,推测为深部（上地幔）物质沿超壳断裂进入地壳内部并对地壳物质进行改造的结果.这一推断得到盆地内部高磁性、高重力异常的支持,也与盆地具有较高的地壳平均速度相一致.综合其他地球物理与地质资料综合分析,给出了综合地质解释剖面,建立了准噶尔盆地北部基底结构与属性的动力学模型.     

Study of azimuthal anisotropy in the transition zone of the Earth's upper mantle with the coupling of normal modes

地震方位各向异性广泛存在于地球上地幔中,目前利用地震体波或面波分析研究上地幔各向异性的地球物理方法有很多种,但是由于各自的局限性均难以分析上地幔过渡区中的各向异性特征.方位各向异性可导致球形简正模和环形简正模之间发生耦合.地球长周期自由振荡的简正模可深入到上地幔过渡区.本文利用各向异性地球模型计算各向异性简正模耦合深度敏感核,表明长周期(250～400 s)简正模各向异性耦合(如0S20-0T21和0S25-0T25)的敏感度峰值在400～600 km之间.在不受地球自转影响的台站,如位于南极极点的QSPA站,仍然可以观测到强烈的简正模耦合现象.本文的研究表明:只有在地震观测台站靠近长周期球形振荡的节点时,才能在其观测数据中观测到各向异性耦合现象,许多各向异性耦台在震后18～24 h期间最强,并可导致垂直方向的环形简正模的振幅大于球形耦合简正模的振幅.这些特征是在地震观测数据中寻找各向异性耦合的重要线索.长周期简正模的方位各向异性耦合为我们提供了一个新的认识上地幔过渡区各向异性的窗口.