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本世纪初,美国构造地质学家在“构造地质学和大地构造学的新航程”研讨会上提出了超越板块构造理论,并将流变学作为新世纪超越板块研究的重点,从此,流变学在地质研究中的应用进入新的阶段。流变学是近年来地球科学研究中的热点,对于解决板块在碰撞俯冲折返过程中的变形机制、历史及变形的动力学环境具有重要的作用,尤其对于用板块构造理论不能解释的大陆造山带动力学的研究具有重要的意义。
显微构造方法是岩石流变研究的重要方法,通过岩石显微构造的研究,对于探讨地壳表层区域大地构造的演化过程、历史,及地球深部各圈层的物质组成、流变学性质和动力学过程具有重要的意义。这是一种由表层到深部、由微观到宏观的研究方法,可以更有效地解决地球科学中的一些问题。岩石中矿物的位错构造和组构(通常指Lattice Preferred Orientation,简称LPO)研究是两种重要的显微构造研究方法,在上地幔岩石流变学和地球动力学的研究中起着举足轻重的作用。
岩石或矿物组构是其形成、变形历史的窗口,其显微组构的研究是获得岩石流变学信息、研究其变形机制与历史及形成动力学环境的一种重要手段。特别是在电子背散射衍射技术(EBSD)广泛应用之后,岩石组构研究取得了很大的进展。EBSD技术可以提供完整量化的显微构造和结晶学数据,实现矿物相鉴定、变形机制及位错滑移系等研究,已成为地球科学中岩石变形显微组构分析的重要手段。
位错构造研究是岩石流变学研究的重要方法,对于揭示岩石的变形机制、环境和过程具有重要的意义。扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)技术是两种重要的位错研究方法,它们的广泛应用克服了光学显微镜在位错观察中低放大倍率及分辨率的缺点。
名义上无水矿物(NAMs)结构水测量也是岩石流变学研究的一条重要途径。近年来,众学者利用傅里叶转换红外光谱(FTIR)技术对NAMs中结构水含量、赋存机制及对超高压变质岩变形组构和机制的影响进行了研究并取得了很大的进展。通过结构水测量,为进一步研究结构水对岩石矿物变形、岩石组构等的影响提供了基础数据。
碧溪岭岩体位于华北与扬子板块碰撞俯冲折返而形成的大别-苏鲁超高压变质带中,是中国重要的超高压岩体研究基地,目前仅少数学者对碧溪岭石榴橄榄岩流变学进行过研究,至今,并没有人做过关于碧溪岭石榴橄榄岩含水量与组构关系及深入的位错构造研究。论文采用EBSD和FTIR技术分别测量了碧溪岭石榴橄榄岩中单斜辉石、橄榄石和石榴石的组构及含水量,并研究了组构和含水量的关系,还采用氧化缀饰方法研究了橄榄石位错构造,为岩体变形机制、历史及变形的动力学环境研究提供了依据。经研究,主要获得以下几点结论:
(1) FTIR测量结果显示,橄榄石及单斜辉石皆表现出明显的红外谱峰,橄榄石最大红外谱峰主要位于3571cm-1附近,单斜辉石则在3610~3623 cm-1、3525~3532 cm-1及3440 cm-1处存在红外谱峰,石榴石未出现红外谱峰。经计算,各样品(BXL-1,BXL-2,BXL-10,BXL-14)中橄榄石结构水含量均值分别为70 ppm,38 ppm,80 ppm,54 ppm;单斜辉石含水量则多于橄榄石,各样品中单斜辉石结构水含量均值分别为236 ppm,124 ppm,274 ppm,174 ppm,低于Bell and Rossman(1992)所计算的原始地幔中石榴橄榄岩中各矿物的结构水含量(橄榄石:140 ppm,单斜辉石:540 ppm;石榴石:200 ppm),这可能与和岩体上升至地表过程中由于压力降低而导致的H扩散作用有关。
(2)氧化缀饰法研究表明,橄榄石中含有丰富的位错组态类型,包括自由位错、位错壁、位错弓弯、位错网、位错环等;EBSD的研究结果也揭示,橄榄石呈现一定的晶格优选方位,[001]轴沿线理形成极密,这些都为样品位错蠕变变形机制提供了依据。
(3)通过位错壁间距对流变学参数进行计算,差异应力σ=416 MPa,应变速率为(ε)=1.14×10-13 S-1,有效粘滞度η=1.22×1021 Pa·s。有效粘滞度与中国东部上地幔整体水平一致;应变速率则大于中国东部,这与本文计算所得的异常高的差异应力有关;差异应力值远超出了正常上地幔稳态流变应力值范围(20~50 MPa),反映了碧溪岭岩体曾经历了异常高差异应力的地球动力学过程。
(4)组构测量结果显示,橄榄石组构较复杂,并未形成显著组构类型,[001]轴沿近平行线理方向形成极密;单斜辉石组构可分为两组,BXL-1和-14的组构一致,[001]轴平行线理而[100]轴垂直面理方向,而BXL-2和-10的[001]轴沿线理方向而[010]轴在垂直线理方向形成形成大圆环带;石榴石的组构较弱。对于复杂的橄榄石组构,本文认为是超高压作用和橄榄石组构的形成有关,而高应力及含水量则促使其组构更加复杂;将单斜辉石组构与超深源及高压组构进行对比后发现,本文所测单斜辉石组构与其一致,因此,初步认为,本文单斜辉石组构与超高压作用有关;而对于石榴石出现弱极密的的原因,仍需进一步研究。
(5)组构测量结果显示,单斜辉石组构较强,橄榄石较弱,这与橄榄石蠕变强度较弱(较易变形)而单斜辉石蠕变强度较强(较难变形)的事实相反,经研究,本文认为此现象可能和矿物中所含的结构水有关,矿物中的结构水改变了矿物的相对蠕变强度。