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部分熔融岩石流变学

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嵇少丞 发表于 2015-7-14 01:06:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
论文
学科分类: 自然科学 » 地球科学
摘要: 部分熔融及其熔体的萃取、聚集、迁移和演化是造成地球成分演化形成层圈构造的重要地质过程,而且对深部地壳和上地幔的物理性质, 如电导率、滞弹性、弹性波速度、和流变性等皆具有非常重要的影响。洋中脊之下的上地幔的部分熔融的程度直接影响海底扩张和洋壳形成的速率,岛弧火山活动是俯冲板块之上地幔楔内部部分熔融的产物,是造山带内大量花岗岩的形成与地壳增厚、深部热能增加导致岩石部分熔融的结果。天然的部分熔融物质作为一种多相材料,其中的熔体相不仅刚度为零而且体积模量一般都较低,以致固-液相之间巨大的力学反差使得整个体系的流变学性质变化极大。再说,无论在共轴挤压还是在简单剪切变形的条件下,熔体含量及其分布对部分熔融岩石的力学性质的影响是巨大的。因此,有关部分熔融岩石流变学性质的研究成果对于深刻理解地球各圈层的变形、地幔对流、板块构造运移、造山带形成和地壳隧道流等地质过程至关重要。
作者: 邵同宾, 嵇少丞, 王茜
发布时间: 2011
原创/转载: 原创
【综述文章】
部分熔融岩石流变学

邵同宾, 嵇少丞, 王茜


《地质论评》, 第57卷,第6期, 851-869, 2011.

第一作者简介:邵同宾,男,1988年生,硕士研究生。主要从事实验岩石流变学研究。

    部分熔融及其熔体的萃取、聚集、迁移和演化是造成地球成分演化形成层圈构造的重要地质过程,而且对深部地壳和上地幔的物理性质, 如电导率、滞弹性、弹性波速度、和流变性等皆具有非常重要的影响。洋中脊之下的上地幔的部分熔融的程度直接影响海底扩张和洋壳形成的速率,岛弧火山活动是俯冲板块之上地幔楔内部部分熔融的产物,是造山带内大量花岗岩的形成与地壳增厚、深部热能增加导致岩石部分熔融的结果。天然的部分熔融物质作为一种多相材料,其中的熔体相不仅刚度为零而且体积模量一般都较低,以致固-液相之间巨大的力学反差使得整个体系的流变学性质变化极大。再说,无论在共轴挤压还是在简单剪切变形的条件下,熔体含量及其分布对部分熔融岩石的力学性质的影响是巨大的。因此,有关部分熔融岩石流变学性质的研究成果对于深刻理解地球各圈层的变形、地幔对流、板块构造运移、造山带形成和地壳隧道流等地质过程至关重要。

    在过去特别是近三十年来,部分熔融岩石流变学领域的实验和理论研究皆取得了长足的进步,加深了人们对部分熔融橄榄岩和花岗岩流变学性质的理解,现已达成许多共识。这篇文章系统地总结静态与动态条件下部分熔融岩石中熔体的形态及其分布 (拓扑结构) 的特征,着重阐述部分熔融对橄榄岩和花岗岩流变学性质的影响,为解决当前地学界非常关心的有关地球动力学的疑难问题提供新的思路。


要点:
1.       Urai (1983) 与Urai et al. (1986) 发现,在岩盐-盐水体系的塑性变形过程中,流体湿润几乎所有的颗粒边界,这样的显微构造加快了颗粒边界迁移即动态重结晶作用。但当差应力撤除之后,流体又会重返静态时的分布样式。Jin Zhenming et al. (1994) 报道,在中等围压 (~ 1.5 GPa) 的变形条件下,含低熔体分数的部分熔融橄榄岩具有与上述岩盐-盐水体系类似的显微构造,他们认为差应力导致玄武岩熔体润湿几乎所有的橄榄石的颗粒边界,因而导致强烈的弱化,但是并没有查明熔体润湿颗粒边界以及弱化的具体的物理化学机制,也没有观察到变形后长时间 (~40 h) 的静态退火对熔体分布的显著影响。值得注意的是,在与Jin Zhenming et al. (1994) 的实验相同的温度、位移速率和熔体分数、但围压较低的条件下对与之组分类似的尖晶石二辉橄榄岩的实验观察仅见到极少量的沿颗粒边界分布的熔体薄膜 (Kohlstedt and Zimmerman, 1996; Daines and Kohlstedt, 1997; Zimmerman and Kohlstedt, 2004)。迄今为止,Jin Zhenming et al. (1994) 的实验结果与Kohlstedt团队 (Kohlstedt and Zimmerman, 1996; Daines and Kohlstedt, 1997; Kohlstedt, 2002; Zimmerman and Kohlstedt, 2004) 的实验结论之间差异的原因不详,值得探究。此外,美国的洋中脊MELT地震研究计划 (The MELT Seismic Team, Science, 1998) 的集成性成果亦证明洋中脊以及两侧上地幔中的部分熔融是呈不均匀分布的,故导致测量到的地震波各向异性和剪切波分裂 (Wolfe and Solomon, 1998)。

2.       Kohlstedt (2002) 重申了Cooper and Kohlstedt (1986) 和Cooper et al. (1989) 的熔体平衡的理论模式 (即,CK模型),该模式认为,在扩散蠕变域,部分熔融之所以能促进变形是因为物质在熔体中的迁移扩散速率远比在固体中要大。而在位错蠕变域,熔体依靠造成局部应力集中来促进塑性变形。无论上述哪一种变形机制,低程度的部分熔融对以橄榄石为主要造岩矿物的地幔岩的流变强度的影响都不会太大,因为此时熔体还主要分布在颗粒三连点及粒棱,并没有润湿全部的颗粒边界 (Karato, 2010),上述结论与Jin Zhenming et al. (1994) 的截然不同,得到了学界的普遍认同。

3.       Yoshino et al. (2009) 在围压 ≥ 3.0 GPa、温度 ≥ 1750 K的静压实验中发现玄武岩熔体润湿较大部分橄榄岩的颗粒边界,二面角小于5°。因为是静压实验,他们无从了解熔体润湿颗粒边界对整体岩石流变强度的影响。他们的实验不同于Jin Zhenming et al. (1994) 在围压等于1.5 GPa、温度1475~1500 K的共轴挤压的差应力变形的实验结果,但是却意外地报道了相同的熔体分布结构。Yoshino et al. (2009) 的结论是,温度特别是压力的增加是造成熔体二面角减小的关键因素;而Jin et al. (1994) 的结论却是,变形使得熔体在岩石中作均匀分布,熔体二面角变为零是变形的结果,而不受温压条件的制约。Jin Zhenming et al. (1994) 还报道,只要有3~4 vol% 的部分熔融就能使得橄榄岩的流变强度发生巨大的降低,并将之归因于变形过程中全部的颗粒边界都遭到熔体的润湿。其实,Jin Zhenming et al. (1994) 实验使用的Griggs装置对应力测量相当的不敏感 (±50 MPa, Karato and Weidner, 2008),加之高压胞中试样的具体形状未知以及温度极其不均匀,所以,无法准确地估计Griggs装置内变形试样的流变强度。

4.       熔体二面角 (Dihedral angle) θ=0时,熔体呈薄层或薄膜形式沿颗粒边界分布,形成三维的熔体网络。即使在二维的切片或薄片上确实观察到沿颗粒边界分布的熔体薄层或薄膜 (Jin Zhenming et al., 1994), 也不能据此断言熔体布满了所有的晶面 (图1d),因为在晶体与晶体的接触点或接触面上依然没有熔体。


小结:

    在静态条件下,熔体二面角除了与温压条件、晶体形态、固-固相以及固-液相的界面自由能等因素相关外,还强烈取决于熔体的化学组分。例如,在盐-水体系中,熔体二面角就非常小,几乎为零 (Urai, 1983; Urai et al., 1986),因此,不能盲目的将盐-水体系的研究结论直接应用于由铝硅酸盐或硅酸盐矿物组成的上地幔岩石或地壳岩石。橄榄岩中的熔体二面角随着静水压力的升高也会有所减小 (Yoshino et al., 2007, 2009)。熔体一般会优先润湿造岩矿物的低指数晶面 (Waff and Faul, 1992; Faul et al., 1994)。在有差应力存在的动态条件下,熔体二面角往往还受变形的化学环境 (如,氧逸度) 的影响。一般原则是,在静态条件下,熔体迁移的主要驱动力是熔体表面张力;而在动态条件下,熔体的几何形态与分布既会受到化学扩散又会受到差应力的控制,因而具各向异性的特征。

   从上世纪80年代起,许多学者对含熔体的主要造岩矿物多晶集合体进行了大量的流变学研究,其中对部分熔融橄榄岩的低压 (<500 MPa) 实验研究 (Hirth and Kohlstedt, 1995a, b; Kohlstedt and Zimmerman, 1996; Zimmerman, 1999; Mei et al., 2002; Scott and Kohlstedt, 2006) 与理论研究(Cooper and Kohlstedt, 1986; Cooper et al., 1989; Takei and Holtzman, 2009a, b, c) 都表明,在低熔体分数 (<~ 5%) 时,部分熔融对橄榄岩只具中等的弱化效应。然而,据Jin et al. (1994) 报道,在低的熔体分数和中等围压 (~ 1.5 GPa) 条件下,差应力导致熔体几乎完全润湿橄榄石的颗粒边界,导致强烈的弱化。Mibe et al. (1999) 和最近Yoshino et al. (2007) 的静态高压 (>2.0 GPa) 实验证明, 流体的二面角会随着压力的升高而减小,在~7.5 GPa时他们发现橄榄石颗粒边界被流体完全润湿 (Yoshino et al., 2007)。但是, 他们的实验是在静水压力的条件下进行的, 因而无法查明该体系流变学强度随熔体二面角的变化规律。在有差应力和大变形的条件下,熔体的拓扑结构从受界面张力控制转化成由应力控制,流变弱化更加显著。随着熔体分数的增加,熔体会分离出来,汇聚到伸展剪切带,造成熔体在岩石中形成优选定向 (MPO, Holtzman et al., 2003a; Scott and Kohlstedt, 2006; Holtzman and Kohlstedt, 2007),与此同时,固体岩石的主导变形机制往往由位错蠕变转变成扩散蠕变 (嵇少丞, 1988; Hirth and Kohlstedt, 1995a, b; Daines and Kohlstedt, 1997)。
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