青藏高原地壳低速层的物理性质

研究成果·　矿物岩石地球化学通报　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　Ｍｉｎｅｒａｌｏｇｙ，Ｐｅｔ￣ｏｇｙ　ａｎｄ　Ｇ∞ｃｌ】　Ｖｏ１．１９　Ｎｏ．１，２ＯＯＯ　Ｊａｎ．　

青藏高原地壳低速层的物理性质　顾芷娟　，潘裕生２，周勇２吴春明２，俞历　，宋长青　，陶京岭　（１．中国地震局地质研究所，北京１０００２９；２．中国科学院地质与地球物理研究所，北京ｌＯ￣２９）　

、摘要：在相当于青海一西藏高原地壳低速层埋藏深度（２０　３０　ｋｍ）的压力条件下进行了角闪岩的变形实验实验表明，当加热到８００￣Ｃ、１０∞℃时，角闪岩出现塑性变形，并进入稳定蠕动应变状态。由于岩石的塑性变　形、弱化和强度的减小，以及从岩石中脱出的水的参与，这个带就成了地壳中的薄弱层和低速层。　关键词：角闪岩变形实验；青藏高原；地壳低速层　中圈分类号：Ｐ５８９．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７．２８０２（２０ｏＯＪ０ｌ　】３（　ｏ４　

上新世青藏高原平均海拔约为５００　１　０００　ｍ，　而现在则约为４　５００　５　０００　ｍ，可见青藏高原的真正　隆起发生在雅鲁藏布江缝合带形成之后。青藏高原　第四纪以来的这种强烈隆升原因非常复杂，目前比　较一致的看法是，与高原异常地壳厚度（平均厚度约　６０—７０　ｋｍ）的形成有关，其次是均衡补偿作用，导致　抬升隆起¨Ｊ。　中新世以来，高原地壳大约缩短了一半，厚度则　增加了一倍，地壳的这种缩短加厚是通过分层变形　进行的…。　

重　

纵向上高原地壳分层特征明显，地壳深处２０　３０　ｋｍ处普遍存在波速为５．６　５．７　ｋｍ／ｓ的低速层　（图１、２　），它把高原地壳分成上、下两层。上部地　壳以脆性、韧性形变特征为主，主要通过平面上数条　规模不等、强度不同的深大断裂，以上陡下缓的铲式　断层形式来完成地壳的逆掩推覆，使其重叠加厚；下　部地壳则以韧性和塑性流变为形变特征，通过挤压　褶皱叠覆或叠瓦状韧性剪切带完成物质的缩短和垂　直加厚。这个低速层不但能把高原地壳分成具有不　同形变特征的上部地壳和下部地壳。成为上、下地　

芏　

＝一　一／／　：　：　５·９０　６０）　／／　Ｑ　，一　

５ｕ７ｔ０ｕ　６０－．２００　６．３０　１３Ｏ一２５０　６．５０　…　

、　６．６５　２Ｏ　３４０　：８．１０＼§、１０　●．．－－．．－．．Ｉ．　．．．＿．．．－．．．．　．．．－．．　．　．．　●　

长／ｋｉｎ　

图ｌ羊卓雍湖至亚东地壳结构图　Ｆｉｇ．１　Ｍａｐ　０ｆ　ｃｒｕｓｔａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｒｏｍ　Ｙａｍｚｈｏ　ｌａｋｅ　ｔｏ　Ｙａｄｏｎｇ　ｐ１０６ｋ　

蝗稿９期：本文１９９８－０７．１３收到，１９９９－０９－２０改回　第作者简介：顾芷娟（１　），女，高级工程师，从事构造物理学、岩石学、矿物学研究。　矿物岩石地球化学通报　壳差异形变的滑脱界面，而且能使上部壳型断裂常　常在地壳深处２０—３ｏ　ｋｍ的低速层处消亡。为什么　这个低速层能把高原地壳分成两部分？为什么这个　低速层能成为上、下地壳差异形变的滑脱界面？又　

３ｌ　为什么上部壳型断裂常常在这个低速层处消亡？要　回答以上问题就必须对低速层进行研究，探讨其物　质性质状态。　本文试图通过青藏高原２０　３０　ｋｍ深度角闪岩　

Ｖ　５．８５　Ｑ　’　６．１Ｏ一一　１００—１１ｎ　……　：　６．３０　１８０．－，２７０　６．５０　５１Ｃ　Ｚ　卜４‘　：　６．７０　３３　００　

长／ｋｍ　

图２纳木湖至莎马达地壳结构图　Ｆｉｇ·２　Ｍ印ｏｆ　ｃＩ１．１ｓｔａ［ｓｔｍｃｔｏｒｅ　ｆｒｏｍ　Ｎａｍ　ｌａｋｅ　ｔｏ　Ｓｅｍａｄａ　ｐｌｒｏ￣ｌｅ　

相主要岩类之一——角闪岩（即青藏高原壳内低速　层层位一种主要物质）变形实验研究来探讨以上问　题。　

１　变形实验　实验装置：采用固体介质三轴实验装置进行角　闪岩变形实验。　实验样品的制备：角闪岩样经鉴定，挑选新鲜、　粒度合适的样品磨制成直径１０　ｌ砌、高２０　ｌ砷圆柱　实验样品。　实验方法：据沈显杰研究［３】，青藏高原喜马拉雅　和拉萨一冈底斯两个地体显示了明显的热壳特征．　１３个测区中３个地热区测定高于３００　ｒＩｌＷ／ｒｎ２。两个　地体极有可能集中展示了陆壳汇聚型构造诱发热作　用的空间域。２０—３０　ｋｍ深地壳温度约为９００￣Ｃ。　据地层埋深２０—３０　ｋｍ估算的压力值为４５０　５５０　ＭＰａ。参照这些结果，设计实验的温度、压力条件。　

２实验结果　（１）变形曲线及其特点：　图３为围压５００　ＭＰａ、应变率５　Ｘ　１０～／ｓ条件　下，角闪岩常温及加温至８００　１　０００￣Ｃ的一组应力．　应变曲线。从图３中可明显看到这组曲线各有特　点。　图３角闪岩变形特征　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｄｄｅｍ￣ｅｔｌｏｎ　ｂｅｈａｖ￣　舳　ｈｉ　室温曲线：首段斜率上升，然后是线性弹性变形　阶段，以后便偏离直线进入非线性变形阶段。样品　达到峰值强度以后破裂，这时应力下降并延续了一　定时间，最后曲线变得平缓，出现稳定的摩擦滑动。　８００￣ｃ曲线：样品屈服以后，很快进入稳态蠕变。　１　０００￣ｃ曲线：样品屈服以后，非常快进入稳态　蠕变。　３２　顾芷娟等／青藏高原地壳低速层的物理性质　（２）强度特征：表１为青藏高原角闪岩在室温、　角闪石与原样中角闪石相比，有明显变化（图５、图　８００℃、１Ｏ００℃下抗压强度、摩擦强度变化值。　６）。　

表１角闪岩强度　Ｔａｂｌｅｌ　１１Ｉｅ　ｓｔｒｍ２ｔｈ　０ｆ锄ｍｌｈ洳０ｌｉｔｅ　

从表１可见，角闪岩抗压强度、摩擦强度都随温　度升高而越来越小，图４可说明角闪岩抗压强度、摩　擦强度随温度变化的特点。　

矗　巷　

古　

Ｃ　图４角闪岩强度－温度关系图　ｒｉｇ．４　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ａｍｐｈｉｂｏｌｉｔｅ　

从图中可以明显看到：１）室温时角闪岩的抗压　强度大于摩擦强度，显示角闪岩脆性变形；８００℃、１　０００℃时角闪岩的抗压强度与摩擦强度一致，表明角　闪岩在这两个温度发生塑性变形。２）角闪岩强度随　温度升高明显下降，８００℃时为３５０　ＭＰａ，１　Ｏ００℃时　为７０　ＭＰａ。　

３微观分析　（１）显微镜鉴定：１　Ｏ００℃角闪岩中角闪石的常　规光学性质和原样中角闪石无重大变化。　（２）电子探针分析：１　０００℃角闪岩中角闪石与　原样中角闪石，分析结果除未测Ｈ２Ｏ以外，其余化　学成分变化不明显。　（３）红外吸收光谱分析：８００℃、ｌ　Ｏ００℃角闪岩中　

波数ｌｅｎａ’’　图５角闪岩中角闪石的水红外吸收谱带（原样）　Ｆｉｇ．５　Ｉｎｈａｌｅｄ　ａｌ￣ｏｒｐｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｂａｎｄ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｏｆ　ａｍｐｈｉｂｏｌｅ　ｉｎ　ａｍｐｈｉｂｏｌｉｔｅ（　瑚ｒｙ　８ｆｌｌｎｐｌｅ）　

波数／ｃｍ’　图６角闪岩中角闪石的水红外吸收谱带　ｒｉｇ．６　Ｉｎｈａｌｅｄ　ａＩ　０ｎ　ｓｐｅｅｔｎｉｍ　ｂａｎｄ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｏｆ　ａｍｐｈｉｂｏｌｅ　ｉｎ　ａｍｐｈｉｂｏｌｉｔｅ　

从图中明显看到。未经加热的原样角闪石水吸　收谱带出现在３　１００～３　７００　ｃｍ～；而加热至８００ｏＣ、　１　０００ｏＣ时角闪石的水吸收谱带虽在同一区间仍有　显示，但幅度随温度升高而减弱。１　０００ｏＣ时幅度非　常小，这说明在８００ｏＣ与１　０００ｏＣ时角闪岩中角闪石　脱落了水，１　０００ｏＣ时比８００￣Ｃ脱落的多。　（４）角闪石光轴角变形分析：原样与不同实验温　度下的角闪石光轴角变形分析表明。８００ｏＣ与　１　０００ｏＣ时的角闪岩中角闪石比原样中角闪石分别　大３．５。与４．５。（平均值；用费氏锥光法测定，各３００　个颗粒）。　（５）局部熔融分析：显微镜和各种配件联合使　用，对实验后的角闪石解理、颗粒之间裂隙等详细观　察，发现１　０００ｏＣ角闪石发生了局部熔融。　以上各种微观分析表明，在围压５０Ｏ　ＭＰａ。温度　８００ｏＣ时，角闪石没有发生相变。也没有熔融现象。　角闪岩塑性变形，强度下降到３５０　ＭＰａ。水的脱落　可能是角闪石光轴角变形的主要原因之一：在围压　５００　ＭＰａ、温度１　０００ｏＣ时，角闪石没有发生相变。角　闪岩塑性变形，强度下降到７０　ＭＰａ，角闪石光轴角　矿物岩石地球化学通报　３３　变形、局部熔融、水的脱落可能是主要原因之一。　工作ｑ－得到了叶大年院士的指导，还得到了张　４　几点认识　釜　嘉　玲、另　婉林、卢敬之等同志的帮助’　

实验研究表明，在青藏高原壳内低速层（深２０　３０　ｋｍ）地压近似的条件下，角闪岩加温至８００ｏＣ、　１　０００ｃＩ＝时，强度下降，发生塑性变形并呈现稳态蠕　变。物质在此温压条件下发生塑性变形、弱化，强度　降低，并有脱落的水参与，使此层位成为地壳中的软　弱带。这种软弱带易于形成层间滑动。此层位即低　速层，因而能成为上、下地壳差异形变的滑脱界面，　上部壳型断裂常在该处消亡，故成为青藏高原地震　分布的优势层位。　参考文献：　ｌ　肖序常，等．再论青藏高原的板块构造［Ｊ］．中国地质科学院院　报．１９８６，１４：７—１９．　２尹周勋，等．西藏高原亚东至当雄地带二维地壳结构的研究【Ｊ］．　中国地质科学院院报，１９９０，２１：２３９—２４５．　３沈显杰，等．青藏高原南北地体壳幔热结构差异的大地热流证据　［Ｊ］．中国地质科学院院报，１９９０，２１：２０３—２１２．　４顾芷娟，等．壳内低速高导层成因初步探讨［Ｊ］．中国科学，１９９５，　

２５（１）：１０８一ｌｌ２．　

Ｔｈｅ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｃｒｕｓｔａｌ　Ｌｏｗ—Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｌａｙｅｒ　ｉｎ　Ｑｉｎｇｈａｉ—Ｘｉｚａｎｇ　Ｐｌａｔｅａｕ　

Ｇｕ　Ｚｈｉ—ｊ　，ＰＡＮ　Ｙｕ－ｓｈｅｎｇ２，ＺＨＯＵ　Ｙｏｎｇ２，ＷＵ　Ｃｈｕｎ．ｍｉｎ　，　ＹＵ　Ｌｉ　，ＳＯＮＧ　Ｃｈａｎｇ－ｑｉｎｇＩ，ＴＡＯ　ｌｉｎｇ－ｌｉｎｇＩ　（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＣｅｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎａ　Ｓｅｉｓｍｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｂｕｒｅａｕ，　１ｏ￣２９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ￣ｄｏｇｙ，　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｄｅｎｃｅｓ，＆　１０（１Ｙ２９，Ｃｈ／ｎａ）　

Ａｂｓ缸叠ｃｔ：Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｍｐｈｉｂｏｌｅ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ．ｕｎｄｅｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｐｔｈ　ａｔ　ｗｈｉｃｈ　ｃｒｕｓｔａｌ　ｌｏｗ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｌａｙｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｑｉｎｇｈａｌ—Ｘｉｚａｎｇ　ｐｌａｔｅａｕ　ｉｓ　ｂｕｒｉｅｄ（２０－３０　ｋｍ），ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｈｅａｔｅｄ　ｔｏ　８００￣Ｃ　ａｎｄ　ＩＯ００￣Ｃ，ａｍｐｈｉｂｏｌｉｔｅ　ｕｎｄｅｒｇｏｅｓ　ｐｌａｓｔｉｃ—ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｎｔｅｒｓ　ｓｔｅａｄｙ—ｃｒｅｅｐ　ｓｔｒａｉｎ　ｓｔａｔｅｓ．Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａ－　ｔｉｏｎ，ｗｅａｋｅｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｔＩｅｎｇｔｈ　ｄｅｃｌｉｎｅ　ｏｆ　ｒｏｃｋｓ，ａｎｄ　ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｒｅｌｅａｓｅｄ　ｆｒｏｍ　ｒｏｃｋｓ，ｔｈｉｓ　ｚｏｎｅ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ａ　ｗｅａｋ　ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｒｕｓｔ　ａｎｄ　ｃｒｕｓｔａｌ　ｌｏｗ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｍｐｈｉｂｏｌｉｔｅ；Ｑｉｎｇｈａｌ—Ｘｉｚａｎｇ　ｐｌａｔｅａｕ