云南高黎貢山典型斜長角閃巖地震波速、各向異性及其晶格優(yōu)選定向的研究

2013-04-13 07:33:56嵇少丞道林克禎邵同賓趙衛(wèi)華近藤洋裕王紅才

地質(zhì)論評 2013年4期

嵇少丞，道林克禎，邵同賓，趙衛(wèi)華，近藤洋裕，王紅才

1) 加拿大蒙特利爾綜合工學(xué)院民用、地質(zhì)與采礦工程系，加拿大蒙特利爾，H3C 3A7 2) 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，中國北京，100081 3)日本靜岡大學(xué)地球科學(xué)系，日本靜岡，422-8529

內(nèi)容提要：斜長角閃巖和角閃巖相變質(zhì)巖石是大陸中—下地殼、島弧深部地殼以及俯沖大洋地殼中最重要的組成巖石之一，查明目前地殼中斜長角閃巖的體積含量、空間分布及其應(yīng)變狀態(tài)對于深入研究大陸地殼的形成與演化過程極其重要。筆者等實驗測量了云南高黎貢韌性剪切帶典型變形斜長角閃巖7個關(guān)鍵性方向上的地震(P和S波)波速隨靜水圍壓(0～600 MPa)的變化規(guī)律，并利用電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)測定了主要造巖礦物角閃石、斜長石和石英的晶格優(yōu)選方位，查清斜長角閃巖中地震波速各向異性與剪切波分裂的成因，確定斜長角閃巖中有限應(yīng)變橢球與波速橢球的對應(yīng)關(guān)系，為今后利用原地地震波速的各向異性調(diào)查地殼深部區(qū)域構(gòu)造應(yīng)變場提供必要的實驗和理論基礎(chǔ)。

角閃巖又名斜長角閃巖，是以角閃石和斜長石作為主要礦物的區(qū)域變質(zhì)巖(Neuendorf et al., 2011)。斜長角閃巖既可是原先的基性火成巖(例如，玄武巖和輝長巖)或富鐵白云質(zhì)泥灰?guī)r在角閃巖相(即中溫中壓：500～700 °C、0.4～1 GPa)條件下變質(zhì)形成的結(jié)晶巖石，亦可以是高壓和超高壓榴輝巖、基性麻粒巖、甚至超鐵鎂巖退變質(zhì)而成。斜長角閃巖一般都具塑性變形的面理和線理構(gòu)造。斜長角閃巖和角閃巖相變質(zhì)巖石廣泛分布于造山帶中，是中—下地殼最重要的組成巖石之一(Christensen and Mooney, 1995; Laske et al., 2012)。此外，大陸下地殼、島弧深部地殼以及俯沖大洋地殼內(nèi)部斜長角閃巖發(fā)生部分熔融產(chǎn)生的巖漿，侵位結(jié)晶形成花崗巖、混合巖、二長花崗巖和英云閃長巖(Hamilton, 1988; Rappa et al., 1991; Foley et al., 2002)。所以，查明目前大陸地殼中斜長角閃巖的體積含量(Volume fraction)、空間分布及其應(yīng)變狀態(tài)對于深入研究大陸地殼的形成和演化過程十分重要。

目前有關(guān)中—下地殼的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)的認識絕大部分還是來自于地震波的資料(反射、折射、接收函數(shù)、剪切波分裂、各向異性等)，而地震波資料的正確解釋又離不開實驗室內(nèi)巖石地震波性質(zhì)的研究。本文將報告筆者等研究云南高黎貢韌性剪切帶典型斜長角閃巖的地震波速、各向異性及其晶格優(yōu)選定向的結(jié)果。

圖 1 斜長角閃巖標本GLG135的野外露頭照片(a)和光學(xué)顯微照片(b)Fig. 1 Field outcrop (a) and optical images(b) for amphibolite sample GLG135

1 標本和實驗方法

本研究所采用的斜長角閃巖標本(GLG135)采自云南省怒江傈僳族自治州福貢縣架科底鄉(xiāng)架科橋邊的怒江谷岸一個被江水打磨拋光的巖石大露頭(26°45′43.1″N, 98°53′25.6″E)。斜長角閃巖呈斜歪菱形布丁串分布于長英質(zhì)糜棱巖之中(圖1a)，后者的面理產(chǎn)狀為(350°∠ 85°)，拉張線理在面理面上的側(cè)伏角為20°N。斜長角閃巖布丁的非對稱性以及周圍糜棱巖中長石碎斑的旋轉(zhuǎn)特征皆指示所在巖石經(jīng)受了逆沖右旋走滑剪切。在平行于XZ面的露頭上，斜長角閃巖的面理(Sa)與長英質(zhì)糜棱巖的面理(Sf)之間亦有一個24°的銳角(圖1a)，同樣指示右旋剪切。此外，橫穿斜長角閃巖布丁的長英質(zhì)巖脈亦被右旋剪切旋轉(zhuǎn)(圖1a)。顯微分析表明，按體積計，該斜長角閃巖含有87%的普通角閃石，7%的斜長石、6%的石英。普通角閃石呈板條狀的大顆粒構(gòu)成應(yīng)力支撐格架，而斜長石與石英細顆粒則分布于角閃石的晶粒間隙(圖1b)。該斜長角閃巖的全巖化學(xué)分析結(jié)果如下：SiO2=48.03%，Al2O3=11.4%，F(xiàn)e2O3+FeO=12.41%，CaO=12.18%，MgO=9.4%，Na2O=1.1%，K2O=0.56%，TiO2=1.98%，MnO=0.19%，Cr2O3=0.06%，P2O5=0.21%，LOI=0.81%。

高壓實驗是在加拿大Dalhousie大學(xué)靜水壓力裝置中利用聲波脈沖技術(shù)進行的 (Ji Shaocheng and Salisbury, 1993; Wang Qian and Ji Shaocheng, 2009; Wang Qian et al., 2012; Sun Shengsi et al., 2012)。試樣呈直徑為2.54 cm，長度3～5 cm的圓柱狀。為了研究高黎貢山斜長角閃巖的地震波速及其各向異性，筆者等從GLG135標本的不同方向上鉆取7個圓柱試樣，分別是：

X試樣：圓柱軸平行于拉張線理的X方向。

Y試樣：圓柱軸位于面理面上但垂直于拉張線理方向。

Z試樣：圓柱軸平行于擠壓面理的法線(Z)方向。

X45Y試樣：圓柱軸位于面理面上、分別與X和Y方向成45°角。

X45Z試樣：圓柱軸位于XZ面上、分別與X和Z方向成45°角。

Y45Z試樣：圓柱軸位于YZ面上、分別與Y和Z方向成45°角。

X55Y55Z試樣：圓柱軸與XY、XZ和YZ三個主構(gòu)造面成45°角，但與X、Y和Z三個主構(gòu)造方向皆成等角，即55°角。

聲波發(fā)射和接收探頭的頻率為1 MHz。為了防止試樣浸油，筆者等用薄銅片包裹了試樣。P和S波速的測量誤差分別為 ± 0.5%和±1.0%。

圖 2 高黎貢山斜長角閃巖(標本GLG135)各個定向圓柱試樣的P波速度與壓力的變化關(guān)系Fig. 2 Vp-P curves for various directions of amphibolite sample GLG135 from the Gaoligong Mts.

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 縱波速度及其滯后性

典型的P 波隨圍壓變化的實驗曲線見圖2a。在升壓過程中，波速隨圍壓先作迅速的非線性增加，然后在某一臨界壓力(Pc-up)之上再緩慢的近線性增加。在降壓過程中，波速首先作緩慢的近線性減小，然后在某一臨界壓力(Pc-down)之下再作迅速的非線性減小。降壓曲線總是位于升壓曲線之上，Pc-up也總是高于Pc-down 。即使在線性區(qū)間內(nèi)，Vp-P曲線的斜率亦即波速的壓力偏導(dǎo) (dV/dP) 也總是在降壓時稍小于升壓時。上述現(xiàn)象稱之為地震波速的滯后性(Birch, 1960; Ji Shaocheng and Salisbury, 1993)，其量值可以定義為在某一給定壓力下升壓波速 (Vup) 和降壓波速 (Vdown) 之差：ΔV=Vdown-Vup。在無孔隙無裂紋的完全線彈性理想巖石中，ΔV=0；在有孔隙有裂紋的實際巖石中，則ΔV>0。

巖石波速滯后性的形成原因非常復(fù)雜，迄今尚無定論。不過在本研究中，絕熱升溫肯定不可能形成所觀察到的滯后性，這是因為除非發(fā)生礦物相變、去水化以及部分熔融，溫度對巖石彈性波速的影響甚小。在無裂紋無孔隙的單晶體和完整玻璃中并無波速滯后性。所以，波速滯后性必然是與孔隙及晶界相關(guān)的物理現(xiàn)象。Ji Shaocheng等 (2007) 提出以下三種機制可以形成所觀察到的波速滯后性：① 孔隙的不可逆壓縮：在高壓下被壓塌的孔隙即使外壓減小了也不可能恢復(fù)到原先的大小和形狀；② 微裂紋的不可逆閉合：在升壓過程中閉合的微裂隙兩壁彼此粘結(jié)起來，即使后來外壓降低了，也不再重新張開；③ 巖石中顆粒接觸條件的改善：天然巖石的顆粒邊界或裂紋往往遭受蝕變并在其中形成低強度的蝕變礦物如絹云母和綠泥石。在擠壓過程中，這些蝕變礦物起到了韌性潤滑作用，有效地改善了顆粒間的接觸條件，從而提高了波速。

由于在降壓時巖石試樣內(nèi)部的顯微構(gòu)造更加處于穩(wěn)衡的狀態(tài)(Ji Shaocheng et al., 1993; Wang Qin et al., 2005a, b)，下面我們僅討論降壓過程中測定的地震波速。全部的P波速度資料繪于圖2b，在高壓(>200 MPa)下，Vp(X)>Vp(X45Y)>Vp(X55Y55Z)>Vp(X45Z)>Vp(Y)>Vp(Y45Z)>Vp(Z)，即最大與最小Vp分別平行于拉張線理和垂直于面理的傳播方向。在面理(XY)上，Vp(X45Y)介于Vp(X)和Vp(Y)之間。在垂直于面理并平行于線理(X)的XZ面上，Vp(X45Z)介于Vp(X)和Vp(Z)之間，比Vp(Y)略高。在垂直于面理并垂直于線理的YZ面上，Vp(Y45Z)介于Vp(Y)和Vp(Z)之間。在與X、Y和Z方向各成55°的傳播方向上，Vp(X55Y55Z)介于Vp(X45Y)和Vp(X45Z)之間。

圖 3 高黎貢山斜長角閃巖(標本GLG135)各個定向圓柱試樣的S波速度與偏振方向及其隨圍壓的變化關(guān)系Fig. 3 Vs-P curves for various propagation and polarization directions of amphibolite sample GLG135 from the Gaoligong Mts.

2.2 橫波速度

全部的S波速度資料總結(jié)于圖3。在高壓(>200 MPa)下，孔隙近乎全部關(guān)閉，斜長角閃巖的S波速度反映其內(nèi)在性質(zhì)，在三個應(yīng)變主軸方向上(圖3a)，Vs(XY)>Vs(XZ)>Vs(YX)>Vs(ZX)>Vs(YZ)>Vs(ZY)，括弧中第一個字母代表S波的傳播方向，第二個字母代表S波的偏振方向。在與應(yīng)變橢球兩個或三個主切面互成45°的傳播方向上，Vs(X45Y+)>Vs(X55Y55Z+)>Vs(X45Z+)>Vs(X45Z-)≈Vs(X45Y-)>Vs(Y45Z+)>Vs(X55Y55Z-)>Vs(Y45Z-) , 括弧中字母、數(shù)字與符號描述S波的傳播與偏振方向，定義見表1。

2.3 波速—圍壓方程

無論Vp還是Vs隨圍壓(P)的變化皆可用下式描述：

V(P)=V0+DP-B0exp(-kP)

(1)

式中，V0為零圍壓時致密巖石的波速,D為波速的壓力偏導(dǎo)。V0和D一起描述高壓下 (P>Pc) 波速與圍壓之間的線性關(guān)系，反映致密巖石中礦物晶格的彈性體應(yīng)變隨外加靜水壓力增加而線性增加的規(guī)律。式 (1) 的右邊最后一項描述裂紋和孔隙對波速的影響，B0是零圍壓時由裂紋和孔隙造成的波速降，k是波速衰減系數(shù)。k值越大，圍壓的升高更能有效提高巖石的波速。k值其實是實際巖石內(nèi)部裂紋長寬比 (α) 分布的度量。α=a/b，a和b分別是裂紋長度和寬度。α大，則k值也大，在壓力作用下裂紋愈易關(guān)閉，反之亦然。當(dāng)α→1，則k→0，說明球狀孔隙是非常難以閉合的。所以，B0和k是描述低壓下 (P

筆者等使用(1)式對所有實驗測量的波速—壓力曲線進行了回歸分析，所有試驗結(jié)果與回歸曲線的吻合度皆R2>0.98(表1)。使用(1)式的優(yōu)越性非常明顯，在發(fā)表的巖石地震波性質(zhì)的論文中不必一一列出每一壓力下測量的波速，僅需發(fā)表V0，D，B0和k四個參數(shù)即可。讀者根據(jù)這些參數(shù)即可計算出自己所需要的圍壓或深度的巖石波速，便于數(shù)據(jù)的外延和內(nèi)插。

表 1 降壓過程中高黎貢山角閃巖標本各個傳播方向上的P波和S波速度—壓力曲線系數(shù)Table 1 Parameters of Vp—P and Vs—P curves measured during depressurization for the amphibolite sample from the Gaoligong Mts.

2.4 剪切波分裂

利用表1或圖3所示的數(shù)據(jù)，筆者等計算了斜長角閃巖每一個傳播方向上的剪切波分裂(圖4)。在低壓(<200 MPa)下，各個方向上的剪切波分裂反映礦物晶格優(yōu)選定向與微裂隙優(yōu)選定向之間復(fù)雜的相互作用的綜合結(jié)果。在高壓(>200 MPa)下，剪切波分裂僅反映巖石內(nèi)部礦物晶格的優(yōu)選定向。如圖4所示，在高壓(>200 MPa)下，剪切波在X和X45Z的傳播方向上幾乎不發(fā)生分裂，ΔVs<0.1；在Y和X55Y55Z的傳播方向上，剪切波分裂最大>0.3 km/s；中等強度的剪切波分裂出現(xiàn)在X45Y、Z和Y45Z的傳播方向上。

圖 4 高黎貢山斜長角閃巖7個不同方向上的剪切波分裂隨圍壓的變化Fig. 4 Shear wave splitting along 7 different propagating directions in the amphibolite from the Gaoligong Mts.

2.5 應(yīng)變橢球與波速橢球

在變形巖石內(nèi)部的三維空間上，有限應(yīng)變的狀態(tài)通常用應(yīng)變橢球逼近，應(yīng)變橢球的三個主軸分別是X、Y和Z，且有X≥Y≥Z。XY面是巖石的擠壓面理，即Z方向垂直于面理，X就是拉張線理方向，Y就是位于面理上與拉張線理垂直的方向。那么，地震波速的三維空間分布是否亦呈橢球形狀？即使是，波速橢球的三個主軸方向是否平行于應(yīng)變橢球的三個主軸？兩者之間的關(guān)系一直是深部地質(zhì)與地球物理學(xué)家希望解決的科學(xué)問題，查明這種關(guān)系就可能通過測定不同方向的地震波速與各向異性以確定地殼深部的原地應(yīng)變狀態(tài)與類型，為建立合理的大地構(gòu)造模型提供必要的實驗基礎(chǔ)。為此，筆者等將每一個圍壓下實測的Vp(X)、Vp(Y) 和Vp(Z) 值分別作為波速橢球的長軸、中軸和短軸代入橢球方程計算出Vp(X45Y)、Vp(X45Z)、Vp(Y45Z) 和Vp(X55Y55Z)，再將之與這些方向的實測波速進行比較，相對誤差隨圍壓的變化繪于圖5。在圍壓>300 MPa下(完全排除孔隙與微裂隙的影響)，Vp(X45Y)、Vp(X45Z)和Vp(Y45Z) 的計算值和實測值之間的誤差皆小于2%，但是Vp(X55Y55Z) 的計算值和實測值之間的誤差稍高于3%(圖5)，可能是由成分不均勻性造成的。

圖 5 高黎貢山斜長角閃巖中4個非應(yīng)變橢球主軸方向上理論計算與實驗測量P波速度的相對誤差隨圍壓的變化Fig. 5 Comparison of the theoretical P-wave velocities with those measured along 4 different propagating directions oblique to the principal axes of the finite strain ellipsoid (X, Y and Z) in the amphibolite from the Gaoligong Mts.

2.6 彈性模量與泊松比

(2)

(3)

圖6表示高黎貢斜長角閃巖GLG135的等量各向同性彈性模量和泊松比隨圍壓的變化規(guī)律。從常壓到200 MPa，E，K和G皆隨壓力上升而增加，反映斜長角閃巖內(nèi)部微裂隙的逐漸關(guān)閉。在200～600 MPa的壓力區(qū)間里，E，K和G隨壓力上升增加非常緩慢，但是υ緩慢地減小。在600 MPa時，υ=0.24，對應(yīng)于Vp/Vs=1.71。

圖 6 高黎貢山斜長角閃巖的楊氏模量E、體模量K、剪切模量G(a)與泊松比υ (b)隨圍壓的變化Fig. 6 Young’s modulus E, bulk modulus K, shear modulus G (a) and Poisson’s ratio υ (b) as a function of pressure for the amphibolite from the Gaoligong Mts.

圖 7 高黎貢山斜長角閃巖的P波和S波速度各向異性隨圍壓的變化Fig. 7 Vp and Vs anisotropy as a function of pressure for the amphibolite from the Gaoligong Mts.

2.7 波速各向異性

地震波速各向異性(A, %) 由下式定義：

(4)

圖 8 600 MPa圍壓下斜長角閃巖P波速度的Flinn投影Fig. 8 Flinn-type diagram showing P-wave velocities of amphibolites at 600 MPa 虛線表示各向異性等值面。角閃石單晶各向異性以及S-和L-構(gòu)造巖的最大各向異性也標注出來。實心圓圈是高黎貢山斜長角閃巖的數(shù)據(jù)(k=1.5)，空心圓圈表示參考文獻的數(shù)據(jù)匯總Dashed lines indicating iso-anisotropy surfaces. The maximum anisotropy is also illustrated for single crystal of hornblende, and S-and L-tectonites. The solid dot indicates the data from this study, and open dots the data from references

2.8 波速Flinn圖

2.9 造巖礦物晶格優(yōu)選定向及其波速計算

圖 9 利用EBSD技術(shù)測量的高黎貢斜長角閃巖標本GLG135中三種主要造巖礦物——角閃石、斜長石和石英的晶格優(yōu)選方位圖Fig. 9 LPO (Lattice preferred orientation) figures for amphibolite sample GLG135 from the Gaoligong Mts., measured using EBSD (Electron Backscattering Diffraction) techniques. Equal-area lower hemisphere projections

筆者等在日本靜岡大學(xué)地球科學(xué)實驗室對高黎貢斜長角閃巖標本GLG135中三種主要造巖礦物—角閃石、斜長石和石英進行了電子背散射衍射(EBSD, Electron Backscattering Diffraction)組構(gòu)的測量，角閃石的晶格優(yōu)選定向特別強，其 (100) 面平行于面理(XY面)，[001]方向平行于拉張線理，(010) 面的法線方向集中于Y方向(圖9a)，形成該組構(gòu)的機制既可能是以 (100)[001] 滑移系為主的位錯蠕變 (Reynard et al., 1989; Skrotzki, 1990; Ji Shaocheng et al., 1993; Barberini et al., 2007)，亦可能是差應(yīng)力作用下角閃石的各向異性生長(Schwerdtner, 1964)，后者在流體存在的環(huán)境中尤為可能。石英和斜長石的組構(gòu)與角閃石相比弱得多，主要由于它們分散于角閃石晶粒間隙之中，并不構(gòu)成連續(xù)的應(yīng)力支撐格架。盡管如此，圖9b所示的斜長石組構(gòu)還是能說明高黎貢斜長角閃巖中斜長石的位錯蠕變是以 (001)[100] 滑移為主的，而不是 (010)[001] 或 (010)[100]，后兩種滑移系在麻粒巖相變形斜長巖(Ji Shaocheng and Mainprice, 1988; 1990)或高溫實驗變形斜長石多晶集合體(Ji Shaocheng et al., 2000)中更為常見。石英的組構(gòu)(圖9c)揭示，石英作塑性變形，其位錯蠕變以 (001)滑移為主?？傊遍L角閃巖中角閃石和斜長石組構(gòu)記錄的應(yīng)該是相對高溫的變形，而石英記錄的則是后期的低溫變形。