|
| |
地质科技情报GEOLOGICAL
SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION1999年 第1期 No.1 1999
部分熔融与青藏高原地壳加厚的关系综述
杨晓松 金振民
摘 要 从地球物理学、实验岩石学、岩石学和地球化学几个方面论述了青藏高原已具备壳内发生大规模部分熔融的物理环境及物质基础；并讨论了壳内部分熔融与青藏高原地壳加厚的关系和三种可能的加厚方式。
关键词 部分熔融作用 底侵作用 巨厚地壳 青藏高原
分类号 P314
RELATIONSHIP
BETWEEN INTRACRUSTAL PARTIAL MEL-TING AND THICKENING OF TIBETAN PLATEAU CRUST
Yang Xiaosong Jin
Zhenming
(Faculty of Earth Sciences,China University of Geosciences,Wuhan,430074)
Abstract From several
aspects,such as geophysics,experimental petrology,petrology and geochemistry,this paper
states that there are physical conditions and material basis of melting in wide scale in
Tibetan Plateau.Then the relationship between intracrustal partial melting and thickening
of Tibetan Plateau as well as three possible thickening models are discussed.
Key words partial melting,underplating,anomalously thickening
crust,Tibetan Plateau
地球物理研究已证实，青藏高原具有相对热、软和厚的地壳(最厚达78
km)和相对薄的岩石圈地幔。青藏高原的形成及演化与其特殊的岩石圈形成息息相关〔1，2〕。为了解释青藏高原巨厚地壳的形成，已提出过多种模型，归纳起来主要有：①地壳俯冲模型；②地壳挤压叠覆加厚模型；③挤压分层变形模型；④底侵(underplating)增厚模型。Dewey等〔3〕对青藏高原巨厚地壳形成的各种模式作了深入的评述。他指出：“不能忽视岩石圈地幔的作用。一般来说，汇聚必定使岩石圈地幔增厚，就像它把地壳加厚一样”。然而，大多数俯冲和挤压汇聚模式都回避了当印度板块俯冲时，欧亚岩石圈地幔减薄的问题。England等〔4〕认为，青藏高原岩石圈地幔可能曾发生过某种形式的快速拆沉作用，而拆沉诱发的岩浆活动有助于地壳底侵增厚。Furlong等〔5〕详细论述了大陆地壳的底侵作用，指出它是一种幔源地壳物质添加到大陆地壳底部的过程。底侵作用主要是指来自于下部岩浆的添加作用，这当然包括“下地壳岩石部分熔融形成的岩浆向中、上地壳侵位和添加的过程”〔6〕。研究表明壳内部分熔融及底侵作用已使青藏高原地壳增厚了约20
km以上〔7〕。青藏高原内部发育的大量中、酸性深成侵入体便是有力的证据。另外，部分熔融作用对于中下地壳逆冲推覆构造的形成、地壳的叠置加厚也有重要意义〔8，9〕。
1 青藏高原壳内部分熔融的证据
1.1 地球物理学及实验岩石物理学证据
人工地震资料业已证明，至少在青藏高原东部普遍存在上地壳低速层(vp为5.6～5.8
km/s)(图1)，其平均深度约为25 km〔10〕。最近INDEPTH-Ⅱ研究显示，自藏南帕里至藏北纳木湖，存在深度达50
km的下地壳低速层。此外整个青藏高原的地壳也具有较低的波速特征〔11〕。大地电磁结果显示，低速层往往具有高导特性(电阻率为n～n×10
Ω*m)〔12〕。在青藏高原内部，存在热流异常(146 mW/m2,91
mW/m2)，并且热异常具有浅源特点〔13〕。按p-T-t轨迹所获得的热梯度计算，在青藏高原20～25 km和40～50 km深度上，花岗质上地壳和中基性下地壳均可以发生低度部分熔融。因此，推测壳内低速层及地热异常是壳内部分熔融体存在的地球物理反映。 |
图1 纳木湖至莎马达地壳纵波结构图〔17〕
Fig.1 Map showing crustal structure beneath Nam lake to Samada profile
近年来的实验研究也已表明若岩石中含有熔体，即使熔体的含量不高也可以造成地震波的明显降低。图2显示了橄榄岩(0.5，1.0
GPa围压条件)的熔融比例、熔融温度及纵波波速的对应关系〔14〕。花岗质岩石在含有少量融体时其波速的衰减也很明显〔15〕。Tyburczy等〔16〕的实验结果表明玄武岩的部分熔融将明显提高其电导率。 |
图2 在0.5 ，1.0 GPa条件下固态橄榄岩弹性波速衰减、部分熔融比例增加与温度的关系〔14〕
Fig.2 Velocity reduction and increase of melt percentage with increasing
temperature for a dry peridotite at 0.5 GPa and 1.0 GPa
a为波速—温度曲线；b为熔融程度—温度曲线
在理论上可以模拟熔融比例如何影响岩石中的地震波传播速度。设熔融比例为ψ，固态岩石的弹性波速为vs，熔体的波速为vm，含熔体岩石的纵波波速为vp，则可推导出如下关系式
vp=1/(A+Bψ)
该式表明当熔体增加时，纵波波速将呈倒数衰减，这与实验结果吻合。
1.2 地质学、岩石学及地球化学证据
高喜马拉雅地区的淡色花岗岩与前寒武纪的片麻岩、混合片麻岩、混合岩的分布密切相关。特别是在西藏东部的墨脱—察隅地区大面积剥露出的混合岩与花岗岩互为伴生，逐渐过渡。按Brown〔18〕的观点这是地壳深熔，花岗质岩浆分离萃取的必然结果。
高喜马拉雅地区淡色花岗岩的岩石化学成分组成非常均匀，并具有高硅，富铝和贫钙的特点，显示出壳源物质低度部分熔融的特性。最近，笔者对西藏亚东淡色花岗岩进行了地球化学研究，结果表明，亚东淡色花岗岩的w(K2O)/w(Na2O)＞1，平均w(Al2O3)为15.19%，铝过饱和w(Al2O3)/w(CaO+K2O+Na2O)＞1,w(K2O+Na2O)为8.68%，w(CaO)为0.7%。在微量元素方面，它具有高Rb,U,B,w(Rb)/w(Sr)和低Sr,Zr,Th,Hf,Cr,Co,Ni,V含量,REE总量，w(K)/w(Rb)及w(Sr)/w(Ba)的特点。其岩浆形成深度为25～30
km，是在缺水环境下由变泥质岩的低度部分熔融所形成的。喜马拉雅淡色花岗岩的高同位素组成具有I(Sr)(20
Ma)介于0.730～0.825，εi(Nd)/(20 Ma)为－11.5～－17.0，［w(206Pb)/w(204Pb)］i为18.70～19.90，［w(207Pb)/w(204Pb)］i为15.78～15.90，δ(18O)为10‰～15‰的特点〔19，20〕，也显示其岩浆源于壳内。对比喜马拉雅淡色花岗岩和负片麻岩的同位素组成不难发现，二者的相关性非常明显。这显示，淡色花岗岩岩浆是陆内变泥质岩石部分熔融的产物，并且没有地幔物质的卷入。
1.3 实验岩石学证据
花岗质岩浆主要是在缺少流体参与的条件下，由岩石中的含水矿物脱水熔融形成的〔21〕，而熔融程度直接与岩石中含水矿物成正比。变泥质岩脱水熔融发生在700～850°C狭窄的温度区间，并可以产生10%～50%的花岗质熔体。例如：在无水，压力为1.0
GPa条件下，变泥质岩(bio+pl+q+mus，简称BPQM)中白云母的脱水温度始于750°C，黑云母的脱水温度为800～850°C，当温度低于800°C时，熔体含量低于15%，但当温度进一步升高时，熔体含量大幅度增加，至850°C，熔体含量已达30%〔22〕；Vielzeuf等〔21〕的实验研究同样表明，在0.7～1.0
GPa和850～875°C的条件下，变泥质岩通过脱水熔融可以产生40%的“S”型花岗质岩浆。
地壳内部的深熔作用已被证实，但目前对于形成上侵岩浆所需要的最低部分熔融程度则看法不一，Arzi〔23〕认为，部分熔融程度至少要达到20%才有可能形成脱离源区的花岗质岩浆。因此，仅有白云母的脱水熔融往往不足以形成岩浆，黑云母的熔融至关重要，这表明熔融的温度应高于800°C。但近年来的研究已显示，流变学临界熔体含量(rheological
critical melt fraction，缩写为RCMF)不是稳定的常数，至少在高应变区RCMF不适用。Miller等〔24〕的实验研究表明，2%的熔体便可在角闪岩晶粒间连通。对于静态湿润角介于40°～59°的情况，10%的熔融程度便可在晶粒间形成熔体的网络通道。这显示较低的熔融程度也有可能形成岩浆。
综合上述地质学、岩石学、地球化学、地球物理学、实验岩石物理学及实验岩石学的研究成果，我们认为青藏高原壳内已具备了发生大规模部分熔融和形成上侵岩浆的物质基础物理条件。2 青藏高原部分熔融的动力学过程
Scaillet等〔20〕认为青藏高原淡色花岗岩浆系高喜马拉雅中央结晶岩系低度部分熔融的产物。而位于主中央逆冲断层(MCT)下盘的低喜马拉雅沉积岩系所提供的大量挥发性组分(H2O,CO2,B,F等)对降低熔点起到了关键作用。另外，MCT剪切生热也是一个重要因素。
邓晋福等〔25〕参考了B型俯冲作用与岛弧岩浆作用的成因关系后，提出了A型俯冲(陆内俯冲)背景下的青藏高原壳内部分熔融模型。该模型强调下插的低喜马拉雅板片沉积岩脱水熔融和MCT上方存在诱发的上升热对流作用。朱元清等〔26〕从热源角度分析了青藏高原壳内部分熔融过程，指出其主要热能来源于剪切带内的摩擦生热。Hutton等〔27〕进一步指出，碰撞造山带内淡色花岗岩浆的形成、运移和就位均与横推剪切作用(transcurrent
shearing)有密切关系。横推剪切作用不但提供了摩擦热能，而且使地壳中的流体向潜在的熔融带运移，从而使熔融程度逐渐增大。
Swapp等〔8〕认为淡色花岗岩的初始熔融是在地壳挤压和增厚背景下形成的。虽然初始熔体含量很少，不足以萃取形成上侵的岩浆，但却可以导致局域应变，诱发地壳深部逆冲推覆型韧性剪切带的形成。当过热的包含熔体的中、下地壳沿剪切带上升(近似绝热减压过程)时，熔融程度逐渐增加，最终形成淡色花岗岩岩浆。
碰撞作用还可使先存的岩石圈—软流圈边界的热平衡发生改变，诱发软流圈的局部对流。通过拆沉作用使岩石圈减薄，强化地幔热流贡献。其结果是促进壳幔物质交换，形成壳—幔混合层。与此同时，强化的地幔热流有助于下地壳的深熔，形成下地壳部分熔融区。地震反射成果已证实，雅鲁藏布江以北的壳幔边界存在约20
km厚的高速层(vp为6.7～8.2 km/s)和深度达50 km的下地壳低速层〔18〕，这可能是上述壳幔物质强烈交换和深熔作用的标志。
3 部分熔融与青藏高原地壳加厚作用
3.1 部分熔融与青藏高原地壳加厚的关系
实验结果及大量的地震波折射研究表明，在5～50 km的深度上，花岗质岩石(花岗岩、花岗闪长岩、花岗片麻岩、黑云母片麻岩、酸性麻粒岩等)的平均纵波波速vp为6.0～6.3
km/s，地温梯度对其影响不大。而典型的中地壳闪长岩类的纵波波速vp约为6.5
km/s〔28〕。因此，如果将vp＝6.3 km/s作为青藏高原花岗质地壳之底界，则喜马拉雅和冈底斯地块花岗质地壳分别厚达35
km和45 km，占相应地区地壳厚度的60%左右。这个数字足以说明在青藏高原地壳加厚的过程中，上部花岗质地壳的加厚作用不可低估。该地壳的加厚除与表壳岩系的逆冲推覆作用有关外，我们认为可能主要受壳内部分熔融物质向上添加作用控制。
3.2 部分熔融导致青藏高原地壳加厚的可能方式
(1)部分熔融可导致中、下地壳变形机制的转变和应变速率的增加，从而促进中、下地壳的均匀加厚。嵇少丞〔29〕对钠长岩的实验研究表明，在低温场中，其应力指数为2.1～2.9，显示出位错蠕变的特征；但在高温场中，由于熔体(MF为5%～8%)的存在而有效地协调了颗粒边界的滑移，使变形机制从位错蠕变过渡到熔体强化的扩散蠕变(melt-enhanced
diffusion creep)，应变速率显著提高。Dell’Angelo等〔30〕通过实验也发现，熔体的存在可以大幅度降低细晶岩稳态变形所需的差异应力。例如：在应变速率为10－5s－1条件下，15%的熔体可使稳态变形所需的差异应力从850
MPa降低至100 MPa。青藏高原内部出露的混合岩、混合片麻岩及片麻岩中广泛发育的变形脉体是强化变形和地壳均匀加厚的重要证据。
(2)由部分熔融作用诱发的地壳深部的逆冲推覆构造是青藏高原地壳加厚的另一种可能方式。Swapp等〔8〕，Hollister等〔31〕依据对喜马拉雅地区逆向变质带的研究提出，位于高构造层(higher
structural level，简称HSL)的混合岩形成于地壳的下部，它们是在板块碰撞、地壳均匀加厚的背景下，通过地壳岩石部分熔融所形成的。正是由于部分熔融作用所产生的少量初始熔体诱发了深部地壳逆冲推覆剪切带(TSE)的形成。混合岩则沿该剪切带逆冲于由角闪岩相变质岩构成的低构造层(lower
structural level，简称LSL)之上，形成逆向变质带。这一过程不仅使深部地壳发生叠置加厚，而且改变了中、上地壳的热结构，进一步促进浅部岩石的部分熔融。目前还在活动的主中央逆冲断层(MCT)和主边界逆冲断层(MBT)的深部(MHT)可能同样发生着地壳的叠置加厚和绝热减压部分熔融作用。
(3)岩浆底侵作用是青藏高原加厚的另一重要机制。在喜马拉雅地区，部分熔融区出现在20～35
km范围内，因而底侵作用主要发生在中、上地壳。由于低喜马拉雅板片沿MCT持续不断的俯冲，并于20～35
km深度上变泥质岩发生脱水熔融，形成中、上地壳的部分熔融区(在地震波探测中呈现为壳内低速层)。从熔融区不断萃取出的淡色花岗岩岩浆底侵于上覆高喜马拉雅板片，使之逐渐增厚。雅鲁藏布江以南出露的大量淡色花岗岩岩体以及在宏观挤压背景下发育的大型拆离构造是中、上地壳发生大规模底侵作用的表现。不断加厚的高喜马拉雅板片沿MCT向南逆冲的直接结果是该地区的淡色花岗岩年龄具有向北渐新的分布规律〔32〕(图3)。 |
图3 壳内部分熔融及底侵作用加厚喜马拉雅地壳模式图
(据文献〔32〕修编)
Fig.3 The model of thickening of Himalayan crust by partial melting and underplating
1，2，3代表淡色花岗岩形成的先后次序；4.壳内部分熔融区；LH.低喜马拉雅；HHC.高喜马拉雅结晶岩系；HHr.高喜马拉雅淡色花岗岩；HHSS.高喜马拉雅沉积岩系；NHr.北喜马拉雅花岗岩带；NHSS.北喜马拉雅沉积岩系；ITSZ.雅鲁藏布江缝合带；THB.冈底斯岩带；MCT.主中央逆冲断层；MBT.主边界逆冲断层
| 4 结 论 (1)地球物理学、实验岩石学、岩石学和地球化学资料均支持青藏高原内部存在大范围的壳内部分熔融作用。最浅的熔融深度发生在20～30
km。
(2)脱水、绝热减压、剪切带摩擦致热、壳—幔热交换直接制约了部分熔融的动力学过程。
(3)青藏高原巨厚地壳的形成与壳内部分熔融作用有密切关联。
(4)应当充分认识熔融物质的垂直增生在青藏高原地壳演化过程中的意义。
在撰写本文过程中曾与中国地质科学院地质研究所肖序常院士进行了多次有益的讨论，在此表示诚挚的谢意。
① 国家自然科学基金资助项目（49574225）和博士点基金资助项目（96014003）成果
作者简介：第一作者简介：杨晓松，男，1959年5月生，副教授，主要从事岩石物理学研究及地质学教学工作
作者单位：杨晓松 金振民(中国地质大学地球科学学院，武汉，430074)
参考文献
[1] 肖序常，李廷栋，李光岑.喜马拉雅岩石圈构造演化总论.北京：地质出版社，1988
[2] 李廷栋.对青藏高原地质构造主要特点的再认识.见：佚名.青藏高原岩石圈结构构造和形成演化.北京：地质出版社，1996.160—163
[3] Dewey J F,Shackleton R M,常承法等.青藏高原的构造演化.见：佚名.青藏高原地质演化.北京：地质出版社，1990
[4] England P C,Houseman G A.The mechanics of the Tibetan
Plateau.Phil.Trans.R.Soc.Lond.,1988，A326：301—320
[5] Furlong K P,Fountain D M.Continental crustal underplating:thermal considerations
and seismicpetrologic consequences.J.Geophys.Res.,1986,91(B8)：8 285—8 294
[6] 金振民，高山.底侵作用(underplating)及其壳—幔演化动力学意义.地质科技情报，1996,15(2)：1—7
[7] 潘桂棠.青藏高原巨厚地壳与高原形成机制.青藏高原大地构造与形成演化.地质专报.第10号.北京：地质出版社，1990
[8] Swapp S M,Hollister L S.Inverted metamorphism with the Tibetan Slab of
Bhutan:evidence for a tectonically transported heat-source.Canadian Mineralogist,1991,29:1
019-1 041
[9] Hollister L S.The role of melt in the uplift and exhumation of orogenic
belts.Chemical Geol.,1993,108:31-48
[10] 吴功建，高锐，余钦范.青藏高原亚东—格尔木地学断面综合地球物理调查与研究.地球物理学报，1991，34(5)：552—560
[11] Nelson K D,Zhao W,Brown L D et al.Partially melten middle crust beneath southern
Tibet:synthesis of project INDEPTH results.Science,1996,274:1 684-1 688
[12] 郭新峰，张元丑，高锐等.青藏高原亚东—格尔木地学断面岩石圈电性研究.中国地质科学院院报(第21号),1990.190—202
[13] 沈显杰，张文仁，杨淑贞等.青藏热流和地体构造热演化.地质专报五.第14号.北京：地质出版社，1992
[14] Murase T,Kushiro I.Compressional wave velocity in partially molten peridotite at
high pressure.Carnegie Inst.,Washington Yearb,1979,78:559-562
[15] Muller H J,Roab S.Elastic wave velocities of granite at experimental simulated
partial melting conditions.Phys.Chem.Earth,1997,22:93-96
[16] Tyburczy J A,Waff H S.Electrical conductivity of molten basalt and andesite to
25 kilobars pressure:geophysical significance and implications for change transport and
melt structure.J.Geophys.Res.,1983,88：2 413—2 430
[17] 崔作舟，滕吉文，刘宏兵.西藏高原亚东至当雄地带二维地壳结构的研究.中国地质科学院院报(第21号)，1990.239—245
[18] Brown M.The generation,segregation,ascent and emplacement of granite magma:the
migratite-to-crustally-derived granite connection in thickened orogens.Earth Science
Reviews,1994,36:83-130
[19] France-Lanord C,LeFort P.Crustal melting and granite genesis during the
Himalayan collision orogenesis.Trans.R.Soc.,Edinburgh:Earth Sci.,1988.79:183-195
[20] Scaillet B,France-Lanord C,LeFort P.Badrinath-Gangotri
Plutons(Garhwal,India):petrological and geochemical evidence for fractionation processes
in a high Himalayan leucogranite.J.Volcanology & Geothermal Res.,1990,44:163-188
[21] Vielzeuf D,Holloway J R.Experimental determination of the fluid-absent melting
relations in the pelitic system.Contri.Miner.Petrol.,1988,98:257-276
[22] Gardien V,Thomposn A B,Grujic D et al.Experimental melting of
biotite+plagioclase+quartz+/-muscovite assemblages and implications for crustal
melting.J.Geophys.Res.,1995,100(B8):15 581-15 591
[23] Arzi A A.Critical phenomena in the rheology of partially melted
rocks.Tectonophys.,1978,44:173-184
[24] Miller C F,Watson E B,Harrison T M.Perspectives on the source,segregation and
transport of granitoid magmas.Trans.R.Soc.,Edinburgh:Earth Sci.,1988，79:135-156
[25] 邓晋福，赵海玲，赖绍聪等.白云母—二云母花岗岩形成与陆内俯冲作用.地球科学，1994,19(2)：139—147
[26] 朱元清，石耀霖.剪切生热与花岗岩部分熔融——关于喜马拉雅地区逆冲断层与地壳结构分析.地球物理学报，1990，33：408—416
[27] Hutton D W,Reavy R J.Strike-slip tectonics and granite
petrogenesis.Tectonics,1992,11(5):960-967
[28] Christensen N I,Mooney W D.Seismic velocity structure and composition of the
continental crust:a global view.J.Geophys.Res.,1995,100(B7):9 761-9 788
[29] 嵇少丞.部分熔融的构造地质意义(I)：变形机制转变的实验研究.地质科学，1988,(4)：347—356
[30] Dell’Angelo L N,Tullis J.Experimental deformation of partially melted granitic
aggregates.J.Metamorphic Geol.,1988,6:495-515
[31] Hollister L S,Crawford M L.Melt enchanced deformation:a major tectonic
process.Geol.,1986,14:558-561
[32] LeFort P.Granites in the tectonic evolution of the Himalaya,Karakoram and
Southern Tibet.Phil.Trans.R.Soc.Lond.,1988,A326:281-299
编辑：曲梅兰
收稿日期：1998-09-03 |
|
