Thermal Structure and Rheology of the Upper Mantle Derived from Mantle Xenoliths from Gansu Province, Western China

Mantle xenoliths brought up by Cenozoic volcanic rocks onto the earth‘s surface may provide direct information about the upper mantle beneath the volcanic region. This paper presents the study on mantle xenoliths collected from Haoti village, Dangchang County, Gansu Province, western China. The main purpose of the study is to gain an insight into the thermal structure and rbeology of the upper mantle beneath the region. The results show that the upper mantle of the region is composed mainly of spinel lherzolite at shallower depth (52-75km), and garnet iberzolite at greater depth (greater than 75km), instead of harzburgite and dunite as proposed by some previous studies. The upper mantle geotherm derived from the equilibrium temperatures and pressures of xenoliths from the region is lower than that of North China, and is somewhat closer to the Oceanic geotherm. The crust-mantle boundary is determined from the geotherm to be at about 52km, and the Moho seems to be the transition zone of lower crust material with spinel iberzolite. If we take 1280℃ as the temperature of the top of asthenosphere, then the fithospbere-asthenosphere boundary should be at about 120km depth. The differential stress of the upper mantle is determined by using recrystallized grain size piezometry, while the strain rate and equivalent viscosity are determined by using the high temperature flow law of peridotite. The differential stress, strain rate and viscosity profiles constructed on the basis of the obtained values indicate that asthenospberic diapir occurred in this region during the Cenozoic time, resulting in the corresponding thinning of the lithosphere. However, the scale and intensity of the diapir was significantly less than that occurring in the North China region. Moreover, numerous small-scale shear zones with localized deformation might occur in the iithospberic mantle, as evidenced by the extensive occurrence of xenoliths with tabular equigranular texture.     

变形岩石的显微构造与岩石圈流变学

岩石圈的流变学分析和岩石构造、显微构造证据揭示出大陆岩石圈具有显著的横向和纵向上的异向性，并具有明显的非板块表现。全面开展不同温度和压力条件下变形岩石的构造与显微构造分析，正确认识岩石圈不同层次上岩石的流变学规律、流动机理及其制约因素等，将成为后板块构造研究与新的岩石圈演化理论建立的基础和主要动力。岩石流动的宏观-微观尺度问题(岩石圈结构与流变性、边界弱化效应和岩石流变学与显微构造响应等)、岩石流动的时间问题(不同时间尺度岩石的流动性、实验室模拟与天然岩石流动的协调性、浅层岩石流动变形的有效定年等)、岩石流动的制约因素(内在的成分与结构、外在的物理与化学环境)将成为岩石圈流动与岩石变形显微构造研究的重要方面。现代化实验室建设和最新实验技术、手段的利用将成为解决上述科学问题的必要条件。     

柴达木盆地北缘东段察汗河右行转换挤压剪切带的变形样式及构造意义

转换挤压剪切带普遍发育在汇聚板块边界及碰撞造山带中，对调节造山过程中的增生、碰撞及物质侧向挤出等起重要作用。位于青藏高原东北缘的柴达木盆地北缘构造带（柴北缘构造带）被认为是早古生代原特提斯洋闭合、大陆深俯冲、陆- 陆碰撞和造山后伸展垮塌作用的产物。最近，在柴北缘构造带东段乌兰北部察汗河地区，笔者新厘定出NWW—SEE向展布的右行转换挤压韧性剪切带。本文通过对该剪切带内宏微观构造特征、石英c轴组构、运动学涡度等研究，结合锆石U- Pb年代学数据，来探该讨剪切带的转换挤压样式及对柴达木盆地北缘早古生代造山作用的启示意义。察汗河韧性剪切带内XZ面上发育的宏微观构造以及石英c轴组构共同指示了右行走滑剪切指向，结合糜棱岩的轻微压扁—压扁的应变椭球体形态，共同指示了其具有转换挤压的构造性质；估算的平均运动学涡度限定了其转换挤压变形样式。根据石英颗粒的重结晶机制、c轴组构滑移系以及其开角温度计，确定其变形温度为500～553℃，指示了中地壳变形层次，并结合剪切带内石英动态重结晶颗粒大小，估算其差异应力为28. 5～30. 0 MPa，古应变速率为10-12/s。通过锆石U- Pb定年，获得卷入韧性剪切变形的闪长岩时代为432±3 Ma，结合柴达木盆地北缘已有区域地质资料，推断韧性剪切作用的活动时代为中志留世—早泥盆世（432～396 Ma）。以上资料显示，察汗河韧性剪切带表现出垂直于造山带的水平收缩和平行于造山带的侧向挤出的构造变形样式，伴随着部分由北向南的逆冲分量，形成于柴达木盆地北缘早古生代晚期的碰撞造山阶段，并指示了其造山作用具有斜向汇聚及碰撞特征。     

九十年代早前寒武纪克拉通区变质地体研究的新展望

从本世纪九十年代开始,早前寒武纪克拉通区变质地体的研究已开始完全向几何学、运动学和动力学思想过渡,以便充分掌握不同层次物质的时空演化规律。目前,除了继续应用新的年代学方法来揭示早期年代构造地层地体的时空展布外,更多地加强了对早期地壳演化的地球动力学研究,如对早元古碰撞型造山带内部的斜向俯冲机制的研究,对早期伸展构造、地球的流变学分层性及变形机制的研究,在成矿学上,也加强了对线型巨脉状中温热液金矿床的构造学意义及地球动力学背景的研究。     

橄榄石单晶体高温蠕变

作者首次采用中国河北大麻坪橄榄石单晶体做原始变形材料,在温度1200—1500℃,应力16—175 MPa,氧分压10~(-4)—10~(-10)atm 条件下,对上地幔流变学的有关三个问题进行了详细研究:(1)化学环境(氧分压和斜方辉石缓冲剂)对橄榄石流变性质的制约作用;(2)详细测定橄榄石单晶体流变参数和建立流变本构方程;(3)对橄榄石单晶体[110]c 方向的三个蠕变机制进行研究,这些新的高温实验成果第一次为研究中国东部岩石圈动力学提供了有意义的定量资料.     

变形石墨对构造- 热过程的定量约束及流变弱化意义

岩石变形过程的精细厘定是构造地质学研究中的难点和重点。石墨是碳的同素异形体，摩擦实验研究表明，增加少量石墨化碳质物能够显著降低岩石的摩擦系数和力学强度，具有固体润滑剂的流变学意义。本研究针对红河- 哀牢山剪切带新生代变形，开展了详细的野外观测和构造解析，针对不同变形- 变质程度的天然含石墨岩石样品，利用光学显微镜、场发射扫描电子显微镜、电子背散射衍射(EBSD)、拉曼光谱方法，开展了详细的显微及亚显微变质与变形构造、矿物晶格优选定向、石墨拉曼地质温度计应用等深入分析。发现深变质岩中，石墨晶体常常与黑云母共生且定向拉伸或生长，呈现出晶质片状、条带状、膝折等变形构造特征；在强烈塑性变形的岩石中，石墨表现出塑性到超塑性流动构造特征；细粒化石墨富集形成微型滑移带/面，承载流变弱化的“干”润滑作用；在低级变质- 弱变形岩石中，石墨有序度低，呈弥散状分布。EBSD组构显示石墨发育柱面、菱面到低温底面晶格滑移系，对应的石墨拉曼地质温度范围为600~500℃、530~460℃、450~400℃。变形石墨的位错滑移系具有与石英位错滑移系类似的演化特征，具有成为变形温度计的潜力。     

俯冲带板间地震活动的热-力学特征

地震广泛发生于板块的汇聚边界,并表现出多样性。全球多数8级以上和所有9级以上的地震都发生在板块界面即俯冲断层,此类板间地震及其引发的海啸会给人类社会带来巨大的灾难。本文聚焦于孕育此类大地震的地震带及其下方的慢地震带区域,阐述断层热-力学在研究地震活动过程中发挥的重要作用和潜在的应用。在目前对地震发生时间尚无法有效预测的前提下,了解地震发生的地理位置和最大震级对防震减灾工作尤为重要。俯冲断层的热-力学特征可以:(1)借助岩石学特征,圈定大地震发生的上下边界,估算潜在发生大地震的震级;(2)借助海底热流和地形观测,确定俯冲断层强度,推断大地震发生的地理位置;(3)借助岩石学特征和地震观测,推断断层流变学特征(脆性摩擦与黏性蠕滑),建立与实测地震的对应关系,如地震带与其下方的慢地震带分别对应着两段相互分离的脆性摩擦区域。以上研究都离不开热流观测对研究结果的约束,然而目前对俯冲带的热流观测还相对不足。西太平洋周边拥有多个典型俯冲带,开展这些区域特别是马里亚纳俯冲带的热流观测是研究俯冲断层热-力学的重要依据和补充。     

超高压榴辉岩流变学研究

大陆岩石圈和大洋岩石圈在成分、厚度和力学强度方面有明显的差别。因此,现有板块构造不完全适合于大陆构造。大陆地壳和上地幔流变学的综合研究是认识大陆构造最佳途径之一。流变学研究是大陆造山带几何学、运动学和动力学的桥梁。大陆岩石圈对构造作用、重力不稳定性和热结构的响应在很大程度上取决于岩石流变强度。岩石圈流变性质是岩石圈分层、构造复杂性和塑性流动的主导控制因素。超高压榴辉岩在地幔对流、壳-幔物质循环和俯冲带动力学起着重要作用。榴辉岩的流变性质和变形机制对于阐明大陆造山带和大陆深俯冲的动力学过程具有十分重要的意义。本文主要内容包括以下4个方面：（1）岩石流变学研究在地球动力学中地位和重要性;（2）回顾池际尚先生对岩石流变学实验的贡献;（3）近几年来超高压榴辉岩流变学研究成果;（4）国外岩石流变学实验研究发展态势和启示。