地质矿产部壳幔体系组成物质交换及动力学开放研究实验室

本文转载自“壳幔体系组成、物质交换及动力学开放实验室”于１９９５年３月出版的《简报》第一篇，该文从１．实验室的组成与规模；２．工作概况；３．研究方向及近期研究内容；４．研究成果；５．展望，系统地介绍了该开放研究实验室。《简报》并全文刊载了该开放研究室的近期六篇研究成果，有：张本仁的“同位素地球化学填图与化学地球动力学在东秦岭造山带研究中的应用”，游振东的“大别杂岩后造山抬升的岩石学证据”，张宏飞等     

壳幔过渡带的复杂性特征及其动力学意义

不同构造单元的地震测深资料Pm波形的复杂性有明显的差异,这种差异与深部构造特征有密切的联系。利用波的瞬时特性和波列长度,给出一种地震波形复杂性系数的计算方法。古老稳定的地块的Moho复杂性系数小,反映一级间断面的特征;反之对于活动性强烈地块,Moho复杂性系数大,反映壳幔过渡带的特征。处理了穿过青藏高原东北缘的一条地震测深剖面,并对结果进行了动力学意义的解释。     

青藏高原壳幔形变数值模拟研究

现有数值模拟研究已在很大程度上较合理地给出青藏高原演化运动学和动力学过程的图像。利用连续介质快速拉格朗日分析方法,笔者进行了青藏高原壳幔形变数值模拟研究。据此得到的青藏高原三维壳幔形变特征反映纬向上主碰撞带远、近程效应的差异和经向上地壳物质“逃逸”的存在,印证了青藏高原形成过程中南北双向挤压、而且南部作用大于北部作用的可能应力场特征。青藏高原壳幔形变不仅强烈依赖于随深度变化的岩石力学性质及其距离挤压作用前锋带的远近,而且存在强烈的横向不均一性。同时,强应变(剪切)带的存在对高原岩石圈形变具有重要影响,高原形变过程中地壳尺度的耦合流及壳-幔解耦共存。但是,常规数值模拟研究尚存在很大局限性:(1)物理-力学模型单一;(2)几何模型简单;(3)边界形态与条件理想化;(4)模型内部块体划分粗糙;(5)不连续体介质处理困难。借助具有可处理大形变能力的4-D数值模拟方法,将观测资料与数值模拟相互补充是深入研究青藏高原壳幔形变的关键。     

壳幔过渡层及其大陆动力学意义

根据地震测量结果,造山带常见一个P波传播速度介于典型地壳和典型地幔之间的圈层,称为壳幔过渡层。这个圈层在地球物质科学领域常常被解释为壳幔混合层,形成机制不十分明确。提供了另一种选择,认为壳幔过渡层实际上可能是幔源岩浆底侵作用和地壳分异作用的产物,其密度随压力的逐渐变化是其波速特征的主要原因,是区域岩石圈重力不稳定的标志;也可能是软流圈物质岩石圈化的结果,是区域岩石圈逐渐冷却的象征。这个模型可以更好地解释造山带岩石圈拆沉作用、壳幔物质交换和岩浆活动,因而壳幔过渡层的查明具有重要的大陆动力学意义。     

俯冲带壳-幔相互作用的高温高压实验:对地幔不均一性成因的启示

使用活塞-圆筒式高温高压装置进行一系列榴辉岩部分熔融熔体与橄榄岩反应实验,可以为深入了解俯冲带壳-幔相互作用的影响因素及地幔不均一性的成因提供重要信息.实验使用反应偶的方法,并在0.8~3.0 GPa和1 200~1 425℃条件下进行.实验结果表明,榴辉岩部分熔融熔体-橄榄岩反应的动力学和结果受控于熔体主量元素成分、熔体中的H₂O、温度、压力和橄榄岩的物理状态等因素.大陆俯冲带地幔岩石中斜方辉石的富集是再循环陆壳熔体与上覆地幔反应的结果,地幔岩石中斜方辉石岩脉的形成与含水熔体交代有关,地幔岩石中的石榴辉石岩和石榴石岩可能形成于高压、低温条件下的熔体-橄榄岩反应.      

郭家岭岩体壳幔岩浆混合作用与侵位机制的动力学研究

暗色包体、岩石地球化学及Nd.Sr同位素的研究一致表明,胶东金矿区的郭家岭岩体是由壳幔岩浆混合形成的,混合比大体为3:2.该岩体岩性均一,缺少长英质端元和过渡性岩石类型正是壳幔岩浆混合程度高的表现。以胶东群地层150MPa.850℃条件下的部分熔融产物(熔体分数约35%)作为长英质端元,最偏基性的闪长质包体作镁铁质端元,按3:2的混合比较好地模拟了该岩体的成分,同时也满足了分层岩浆房发生整体对流的动力学条件。根据暗色包体计算了岩体的侵位速度,结果表明该岩体很可能是沿着现在的艾山岩体所占据的断裂通道侵位的。岩体呈EW向带状产出反映了基底构造——栖霞复背斜对该岩体形成的控制作用。     

下地幔及核幔边界结构及地球动力学

新一代高分辨率下地幔及核幔边界的地震层析成像,改变了我们对全球构造模式及地球动力过程的认识。古海洋岩石圈板片一直俯冲到下地幔底部,其残留体在核幔边界积累,并支持了地幔整体对流模式。位于核幔边界上的D″层有着十分复杂而精细的结构。紧靠核幔边界的地幔一侧发现了超低速层(ULVZ),它们可能是D″层内的局部熔融物,是引起地表热点的上升地幔柱的源头。     

秦岭-大别山壳幔岩石高温高压下的电性特征

首次报导了秦岭-大别山壳幔岩石高温高压下电导率的测定结果。该区中上地壳主要代表岩石(角闪岩、绢云母石英片岩、千枚岩等)在10^-25km的温压条件下,含水矿物出现脱水会引起电导率值升高,认为这是该区出现高导层体的主要原因;中下地壳代表性岩石(片麻岩、麻粒岩、榴辉岩等)由于石英从α相向β相转变,会导致电导率值(σ)下降。在下地壳的温压条件下电导率值一般为10^-2到10^-3S·m^-1;上地幔的代表性岩石由于组成矿物较为基性,电导率值比下地壳高,从0.1到1S·m^-1。     

壳幔成矿学初探

壳幔成矿学是联结深部地质学与区域成矿学的重要桥梁,将成矿作用与深部过程联系起来,进行壳幔成矿学研究,已成为当今区域成矿学的一种重要发展趋势,壳幔成矿学研究的核心内容是大陆壳幔多层圈相互作用与成矿关系,而壳幔成矿学研究的主要技术支撑是“岩石探针”分析,壳幔成矿学研究应选择若干典型区域,采用演化历史分析与作用过程鉴别结合的思路,对岩包体及其寄生主岩和有关矿床进行深入研究,以查明区域壳幔相互作用事件幕与     

体波走时层析成像方法及其在中国壳幔结构研究中的应用评述

文中对地震体波走时层析成像技术近30年的发展进行回顾和评述,并对该方法所存在的问题进行了分析和探讨以及给出应对策略。在壳幔速度结构的横向不均匀性、强震发生的深部构造环境、活火山区的深部结构和起源,以及造山带、板块碰撞带区域深部结构等4个方面对应用地震层析成像技术所取得的主要成果做了分类总结和探讨。研究证明,利用地震层析成像技术所获得的高分辨率地球内部结构为探索岩石圈的演化和板块运动规律及地震、火山活动发生的深部构造环境等提供了十分重要的科学依据。     

土高压三轴仪及数据自动处理

本文较详细地介绍了适于研究深层基础持力层力学特性的大型试验设备——土高压三轴仪。并结合三轴固结不排水试验实例,介绍了系统的自动化全过程(包括数据实时采集、自动处理、结果输出和图表绘制),以及系统的软、硬件等。     

High Pressure Trivial Apparatus for Soil and Its Auto Data-Processing System

This paper deals, in detail, with the large testing equipment for researching on mechanical properties of deep bearing beds—high pressure triaxial apparatus for soils. Through triaxial undrained consolidation test, the paper describes the whole auto procedure of the system (including real time acquisition of data, auto-control, result output and auto drawing) and the soft and bard wares of the testing apparatus.     

地层压力随钻监测方法在深水高温高压井中的研究与应用

随着深水高温高压油气勘探的逐步深入,目前钻遇地层普遍存在着储层系统多样、压力系统复杂且高低压相间的情况,钻井过程中井下复杂情况频发,严重影响钻井作业安全.结合深水高温高压X1井的钻井实例,分别使用d_C指数法和岩石强度法开展地层压力随钻监测工作.结果表明,岩石强度法对深水高温高压井的压力监测精度更高,可以为后续深水高温高压井的地层压力监测工作提供参考.      

D-DIA装置与同步辐射源结合技术及其在矿物高温高压变形实验中的应用

高温高压变形实验是研究地球深部组成矿物流变学性质的重要技术手段之一.D-DIA(deformation-DIA)装置是最近10年来兴起的一种新的高温高压变形实验设备,通常可实现的最高压力为15 GPa和温度约为2 000 K;而同步辐射X射线衍射已经广泛地应用到物质结构科学的研究中,二者相结合,能够有效原位地研究材料物质在高温高压下的流变学性质.以美国布鲁克海文国家实验室配合有同步辐射源的D-DIA装置为例,介绍该装置的基本结构、工作原理及D-DIA装置与X射线结合技术如何实现矿物高温高压下变形过程的原位观测及相关定量力学数据的获取.这一技术突破了传统流变仪的压力局限,为在更高压力(P＞4 GPa)条件下研究地球深部组成物质的高温高压流变学性质提供了有效途径.      

P-Wave Velocity in Rocks of Dabieshan, China at High Pressure and High Temperature: Constraints for Composition of Lower Crust and Crust-Mantle Recycling

1NTRoDUCTIONSincecoesiteandmicro-diamondinclusionswerefoundinDabieshaninl98Os,someimportantresultsofgeology,geo-chemistryandgeophysicsoftheDabieultrahighpressuremetamorphicbelthavebeenachieved(seethereviewofCongandWang,l994;Wangetal.,l997).Butthereisverylittleexperimentalstudyofphysicalpropertiesofthemetamorphicrockstillnow(HarleyandCarswell,l995).Elasticwaveve-locityisoneofthemostimportantparametersofrocks,whichisabridgeconnectinggeochemistryandgeophysics.Itwillbehelpfulindiscussingthe…     

高温高压下CO2在水中溶解度实验及理论模型

利用自行研制的高温高压反应釜,在不同温度、压力和矿化度条件下测试CO₂在地层水中的溶解度。实验结果表明:温度一定的条件下,CO₂在水中的溶解度随压力的增加而增加;压力一定的条件下,CO₂在水中溶解度的主要变化趋势为随温度的增加而降低,当温度大于100℃、压力在22 MPa左右时,CO₂在地层水中的溶解度将发生异常,出现低压(小于22 MPa)时随温度的增加而降低,高压(大于22 MPa)时随温度的增加而略微升高;在温度压力都一定的条件下,CO₂在水中的溶解度随矿化度的增加而降低。并且,在新测得的实验数据和已有的实验数据的基础上,通过修正PR-HV状态方程中的参数,建立了一个能够精确计算CO₂在水中溶解度的模型;并将该模型与其他模型对比。对比结果表明,该模型计算精度最高,平均相对误差仅为2.69%。     

角闪石高温高压实验研究进展及其地球物理意义

高温高压实验作为地球科学研究的重要方向之一,通过模拟地球深部的温度和压力条件,了解地球深部物质的物理化学性质、地球内部结构和动力学演化。角闪石属于双链硅酸盐矿物,为地幔岩石圈的重要组成,广泛分布在海洋地壳、俯冲板块、变质岩和火成岩中。作为俯冲带的重要含水矿物,角闪石的广泛分布和高温高压下的脱水对于理解俯冲带水含量以及水迁移具有重要作用,同时在俯冲带的地震活动、高电导率异常、地震波速异常和岩浆活动中扮演重要角色。在过去的近百年时间里,国内外学者对角闪石高温高压物理化学性质进行了大量的研究。角闪石具有非常复杂的元素组成和结构特征,由此也导致了不同角闪石物理化学性质存在显著不同,包括脱水与脱羟基反应中元素迁移的差异、角闪石形成与分解过程中碱性元素(K+Na)和H2O含量对热稳定的影响、不同空间群结构下的高压结构相变、原位条件下不同结晶方向的电导率异常、不同结晶学优选方位(CPO)下的波速异常等。已有的研究对于角闪石的物理化学性质以及其在俯冲带中发挥的作用有了比较清楚的认识,但仍然有许多问题需要进一步研究,如角闪石的高压脱水动力学、热物性和变形机制等。     

秦岭造山带若干岩石高温高压脱水熔融的特征及其意义

对秦岭造山带和邻区块状岩石样品进行了高温（1 100~1 300 ℃）和高压（1.2~1.8 GPa）脱水熔融实验。通过对实验产物综合分析发现许多样品中出现了熔融玻璃和雏晶。玻璃代表的熔体成分为基性和中性,部分接近于超基性范围,熔体与原来岩石全岩成分比较,更偏基性。熔体出现的空间和成分都显示了局部熔融体系的特征,即含水矿物（角闪石或黑云母）和浅色矿物（石英或斜长石）控制了熔融的发生并且决定了熔体的成分。脱水熔融产生了比原岩更偏基性的熔体,这意味着熔融后残留部分将愈偏酸性。如果这种机制存在于大陆中-下地壳,将对探讨大陆地壳的结构和物质组成,解释某些地区的长英质中下地壳的成因等具有重要的意义。     

Experimental Investigation of Eclogite Rheology and Its Fabrics at High Temperature and Pressure

Eclogite plays an important role in mantle convection and geodynamics in subduction zones. An improved understanding of processes in the deeper levels of subduction zones and collision belts requires information on eclogite rheology. However, the deformation processes and associated fabrics in eclogite are not well understood. Incompatible views of deformation mechanism have been proposed for both garnet and omphacite. We present here deformation behaviour of eclogite at temperatures of 1027–1427 °C, confining pressures of 2.5–3.5 GPa, and strain rates of 1 × 10^?5 s^?1 to 5 × 10^?4 s^?1. We obtained a power‐law creep for the high temperature and pressure deformation of a ‘dry’ eclogite (50 vol.% garnet, 40% omphacite and 10% quartz) with A = 10^{3.3 ± 1.0}, n = 3.5 ± 0.4, ΔE =403 ± 30 KJ mol^?1 and ΔV = 27.2 cm³ mol^?1. The two principal minerals of eclogite have greatly different strengths. Progressive increase of garnet results in a smooth increase in strength. Analysis by electron back‐scattered diffraction shows that: (1) garnet displays pole figures with near random distributions of misorientation angle under both dry and wet conditions; (2) omphacite shows pronounced lattice preferred orientations (LPOs), suggesting a dominant dislocation creep mechanism. Further investigation into the water effects on eclogite show: (3) water content does not influence the style of omphacite fabric but increases slightly the fabric strength; (4) grain boundary processes dominate the deformation of garnet under high water fugacity or high shear‐strain conditions, yielding a random LPO similar to that of non‐deforming garnet, despite the strong shape preferred orientation (SPO) observed. {110} [001] slip may dominate the deformation of rutile. Quartz displays complicated and inconsistent LPOs in eclogite. These results are remarkably similar to observations from deformed eclogites in nature.     

高温高压条件下水镁石相变的拉曼光谱研究

本文应用金刚石压腔装置结合拉曼光谱分析技术原位观测了高温高压条件下水镁石的结构变化特征。结果表明：常温升至300℃过程中,随温度升高,水镁石中表征H-O对称伸缩振动的3652 cm-1拉曼特征峰向低波数移动,拉曼特征峰波数与对应的体系温度呈现良好的线性相关关系。常温条件下体系加压过程中,当压力升高至1.19 GPa时,水镁石中表征H-O振动的3652 cm-1拉曼峰向高波数移动并逐渐消失,同时产生表征方镁石的1078 cm-1拉曼特征峰,表明水镁石脱水相变为方镁石。随后压力降低过程中,表征水镁石H-O振动的3652 cm-1拉曼特征峰没有重新出现,脱水相变过程不可逆。