橄榄石的同系温度T/Tm:对上地幔蠕变与橄榄石组构转变的启示

作者：王勤

来源：中国科学:地球科学 , 2016, 46(05): 618-638.

DOI：10.1360/n072015-00431

• 橄榄石
• 同系温度
• 晶格优选定向
• 水
• 地震波各向异性
• 上地幔

同系温度为晶体材料的绝对温度(T)与其熔点(Tm)的比值,是对比晶体流变强度的重要参数之一.橄榄石(Mg,Fe)2Si O4的熔点随含铁量和含水量的增加而降低,随压力增加而升高,高压下橄榄石的相变可导致熔点随压力发生不连续变化.本文对前人的铁橄榄石(Fe2Si O4)熔融实验结果进行校正,确定铁橄榄石-γ相Fe2Si O4-熔体的三联点位于6.4GPa和1793K.然后使用广义混合律建立了常压至6.4GPa,无水橄榄石的固相线和液相线与含铁量和压力的关系.橄榄石T/Tm随深度的变化可用于定性对比具有不同热状态和橄榄石成分的上地幔流变强度,T/Tm=0.5的深度界定了上地幔从半脆性变形到完全塑性变形的转换深度.克拉通岩石圈地幔的橄榄石T/Tm显著低于造山带和伸展盆地,一直到岩石圈-软流圈边界才与周围地幔趋于一致(T/Tm>0.66),表明克拉通的岩石圈强度较高.此外,使用T/Tm分析橄榄石的变形实验结果,发现含水量对橄榄石组构的影响与压力密切相关,但是水对橄榄石流变强度的弱化作用及其与橄榄石同系温度的关系尚需进一步研究.低于6.4GPa(<200km),T/Tm控制了橄榄石[100]和[001]位错滑移的转变.在上地幔10-(12)10-(15)s-1的应变速率和低应力条件下,橄榄石[100](010)位错滑移系(A型组构)的稳定域为T/Tm>0.550.60.T/Tm<0.550.60时,[001]位错滑移更易于发生,低T/Tm使橄榄石的主控位错滑移系转变为[001](100),形成C型组构.这与天然变形的橄榄岩普遍发育橄榄石A型组构,而超高压变质带中经历了深俯冲的橄榄岩发育橄榄石C型组构一致.而[001](010)位错滑移系(B型组构)受T/Tm和应力的共同影响.因此,橄榄石的同系温度建立了将变形实验结果外延到上地幔流变的桥梁.克拉通地区的上地幔地震波各向异性需要一个四层模型来拟合:上层为残留的A型组构,中间为B型组构,岩石圈-软流圈边界为新生的A型或B型组构,以及Lehmann不连续面之下以扩散蠕变为主的软流圈地幔.对橄榄石组构转变机制的认识是通过地震波各向异性追踪上地幔含水量的分布和地幔流动的关键.

• 单位
  内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室; 南京大学