俯冲带中岩浆形成的物理方式.pdf

f 钟 第开 7 第 L 4 卷第 1 期 世界地质 1 9 9 5 年 3 月 一 俯冲带中岩浆形成的物理方式 川 蘑 f Ye r o s h e n k o Ye V S h a r k o v V A 7 梁细襞译 丁东业校 一 A 摘 要俯冲板块实质上是一剪切作用增厚带 沿 麦 带地壳及 壳下岩石 圈物质流入地慢 板块是一个 自我调整的分散绝 热体 系 因板块快速俯冲时的受限 热传导及其在剪切面 剪切 面的形成是一个吸 热过 程 上流 动时物质的不断更新 使体 亲保持低温状 态 然而 这 并不曲 碍俯冲带快 速的 岩浆开 成作用 这是 固为 尽管俯冲带是 高压的 但板块 内岩石的高度 旁散 作用 这种分散 作用减小 了岩 石 中单个 矿耪颗粒 及其 受力状态使 得岩 石的熔点 大幅度降 低 这就加速 了熔融作 用的进行 熔融作 用与发 生在俯 冲带平 面上 的相 对拉 伸作用 区域有 美 在这个 区域 内 界 面边界锐减 以及能量迅速释放 从而导致基鹿发 生被动熔融 在这 些于 高温高 压下形 成的 震源 内 有大量的热能聚集 这 些热能一旦冷 却就 以液体 向上迁 移的形 式 转换 成机 械 功 l 概述 传统的观点认为拉伸作用 广义的扩张作用 区域 内的条件最适 合于岩浆 形成作用 因 在这些区域内基底的固相线温度因减压作用而 降低 毫无疑问 这种机理 发生于裂谷作用的 区域 内 在这里 软流圈底辟上升并伴 随着广泛的玄 武岩浆作用 在活动大陆边缘及大陆板块碰撞带的挤压区域 内 也发育有广泛的岩浆作用 但它们是 以钙碱性 安山岩 及钾质亚碱性 撖榄玄粗岩 安粗岩 岩系建造为代表 拉伸作用区域内 的玄武岩 质火 山作用具有地幔软流圈物质的同位素特征和地 球化 学特 征 与之截然 相反 挤压作 用区域 内的岩浆特 征存在壳源组分 这 种壳源 组分 显然是 由板块 俯冲而进 入到岩浆 形成作用 区域内的 俯冲带的主要单元是 一块厚为 5 0 8 0 k m 的俯冲岩石圈板块 这个 岩石 圈板块大部分 是由于颤于大陆型岩石圈之下的大洋型岩 石圈组成 然而 在阿 尔卑斯一喜马拉 雅造 山带 大陆板块之间的俯冲现象却十分常见 因此 相互作用的板块性质在俯冲作用中并不重要 岩石圈俯冲板块性质在俯 冲作用中并不重要 岩石 圈俯 冲追踪到 6 5 0 7 0 0 k m 深 且仍保 持其 品质因数 即它 们的地震活动性几乎遍及整个俯 冲板块 震源面表明俯 冲板块未被与之 接触的热地幔加热 这种地幔势 必减小其 粘性 以及消除对产生震源所必需的应力聚集能 力 以现有 的俯 冲遵 率 4 1 0 e m a 一块 冷的岩石圈板块困其 俯冲速度 的极高而 来不及加热 到其 周围介质的温度 然而 这一说法主要 符合于板块 上部 2 0 0 3 0 0 k m 的情况 但仍然无 法解释俯冲板块深部带缺 少加热作 用和熔 融作 用的事实 后者需要进行 专门的研 究 因为这 译 藕收蓟 日期1 9 9 4 一l g 0 7 1 2 维普资讯 对于解释俯冲带产出广泛的与高板块品质因素相矛盾的特殊岩浆作用是较重要的 现在企 图解释 因板块顶板与地幔楔体摩擦而产 生的岩浆作用几 乎不是假想的 因为正是 在扳 块顶 板 和板块底板 定位 了绝大多数表明震源 带的地震 中心 根据地震资 料 这种熔融作用带也 存在 于俯 冲板块 的 内部 这 观 点与如下观点不 一致 即岩浆是 产 自地幔楔体中困俯冲板块 脱水而释 放流体的橄 榄岩 这种 岩浆形成的机理也需 要大量的热能 因为在橄榄岩的熔融过 程中 中一酸性安 山岩 一安粗岩岩浆的百分 产率 不超 过 1 2 并 且要 得到现 有体 积的 这类岩浆需要改造近整个地幔楔体 因此 假设熔融基底组分 中有广泛的壳 源物质参与是 更为现实的 至此 遇到了一个矛盾的情 况 即在俯冲带 中 尽管 俯冲板块与周 围热地 幔有熟接 触关 系 但除强烈熔融过程中其局部被加热外 俯冲扳块于 6 0 0 7 0 0 k m处仍然相 当冷 强烈熔 融过程后 俯冲板块迅速冷却并继续向下运动以及保持其地震品质因数 这就意味着板块是 一 个独立 的 自我调整 的绝热体 系 绝热是 由于如下两个 因素 一是其岩 石的热 传导 率相当 低 一是其热 释放率高 这样就 消去 了板块与 周围介质进行有效的热传递 该绝热体系的一个特点是 表面现象伴生的并由复杂热 力学体系描述的过程进行得非常 有敢 这些过程常常有 一个脉动分散的形式并可导致大量的能量聚集和快速释放 这种能量 的聚集和释放对于岩 浆生成带 的起源是必要的 在挤压带或拉伸带有效的岩浆生成 作用至 少需要满足两个条件 即存在液相和存在使岩浆向岩石圈上部迁移的驱动力 我们的日的是 分析那些有利于服从这些条件的因素 出现液相的原因因素主要有 岩浆形成带的热源及其 性质 影响基底熔点的参数和基底 内部熔融 中心的形成以及带内的冷却条件 岩浆 迁移的驱 动力因素有密度变化 浮力 岩浆通道内岩浆形成带与岩石圈上覆岩层之间的压力差以及 液相与 固相边界上的 亲液性 和疏液性 2 俯冲带的物理现象 俯冲带岩浆形成作用的第一个难题 从热 力学角度来看 挤压带似乎不利于岩浆的形 成 这 是因为其 高压大幅度 她提高 了固 相线 温度 这对于实验体系 f 总体 相 的 P 一 1 曲线 图确实如此 参考文献 中的数据特被用来 引证这种总体相 然而 与许 多地质构造学家 和地球物理学家的观 点相反 俯冲板块通常不是指正 常 力学 意义上的板块 即一个均一的总体相 对古俯冲带内如蓝片岩或大陆板块 碰撞 带内 片岩 的观 测表 明岩石 已遭受到粒 化作用 即粒度减小 以及因贯入构造 的产 生而降低了总剪切作用 这与非牛顿流体中牯塑性流的 力学有关 当选到 一定的应 力限 后 岩石 中就 会出现一平移面 系统 这种应 力限受制于内联结 力并随温 度和压 力升高而急剧下降 这些 塑性 流存在与牛顿 流体中片流相似的薄层状小片晶中 俯冲带岩石易遭受重结 晶作 用 变质作用 而形成新的 矿物集合体并大大地增加其密度 上述观察表明该类变质岩中的剪切面相隔 O 5 mm到 1 2 mm 或有时稍大些的距 离 这意 味着俯冲板块是一个分散程度相当高的体系 并具有高 分散体系的所有结果 应力释放后实际岩石可能会重结晶而增加粒度以及形成如硬玉 绿辉石和蓝闪石等高 压矿物的星形 弧形集合体 因此 在许多情况下 在极 可能已进入到俯冲带并于增生过程 中已搬运到表面的岩石 榴辉 岩 蓝片岩 等 中 其主要 的片理被 隐藏 了或被解释为在 大的逆 掩断层根底被搬运到表面 显然 后者的环境也是重要的 尤其是其特征的逆掩断层单元的 一 1 3 维普资讯 形成 然而 没有理 由将所有被观察到的 尤其是早期 的现象都 日于这一点 因为在活动板 块 相互作用的带内 广泛的变形作用将导致在绝大多数情况下可以观察到的总体剪切作用 熔 融作用的潜热 被消耗在 弱化和破坏分子 问联结 力上 因此 转变 必然伴 生物 质表面能的增 大 一种分散的物质从 其开 始就 具有较块状相高的表 面能 故该物质 的熔 融需要较少的热 能 然而 高 压 包括非静水压 在降低熔 点中的主要作用是它于 刚性 基体中建立 了超弹性 能 S o b y Gr i n f e d Os t a p e n k o和 Tr u s k i n o v s k i y等利用晶体中应 力的概念以及固态基体 中 机械力与化学联结力之间的关系首次提出考虑这种机理 在总体相中 不仅仅是 以板碎裂的颗粒形式 高应力晶体的熔点因如下理 由而降低 在 高压条件下 晶体 内的原子 间及分子间联结 力是处于预破裂状 态的 因此 锰度 或压力 应 力 的轻微变 动就会导致联结 力破裂崩落 这种分 解成原子 分子 晶簇或分子群的崩落将导 致总体相 分解成微区 的高效分 散作用 并形成一个极广泛的面界表面 因此 固态和液 态 晶簇能在一定的温度范围内共生 这将按照式 1 降低基底的熔点并能解释我们处理一个总 体相熔融的概念 事实上 在高压条件下 当降温 相对于表列温度 时 有效熔融的是包 古碎裂颗粒和 晶簇的崩落破坏结构而不是总体相 岩石本身 自然不会碎裂成埃级大 小的颗 粒 发生在表面或高压时碎裂过程 中的所 有转变都出现在品格阶段 的变形 晶体 中 离 散颗粒 的熔点降低 温度 A T 由如下半经验公式给 出 一 丁 一 r r 1 其 中 为总体相的熔点 r 是表征 绝对零度时 保持 液态 的限制粒度的物理 常数 例 如 对 于不同的纯金属该值为 3 2 O A r 为球形固态颗粒的现有半径 基底固相线温度的 降低也受利 于其高的含水率 这种高含水量是俯 冲带 伴生的特殊岩 浆系列的特征 高度的分散将导致水流体的均匀渗透 这种渗透也有利于被动熔融作用 形成 的岩 浆带是 一个 由液体和基底岩石的毛细管孔 隙状 固态基体所组成 的分散 体系 分散相中熔点的降低意味着俯冲带中第一个难题的解决是在于基底熔点的降低 而不是升 高 因熔点降低将增强熔融作用程度 新生液体的体积超出熔融岩石体积的 1 1 1 3 将 产生一个新 的裂隙网络 即块状相的附加破碎 从而加速 了熔融作用 所 以 岩浆形 成的速度 由高应力条件下岩石熔融的特定过程来决定 即按此机理的挤压带应是基底熔融带 在理解俯冲带中的岩浆形成作用时 热源的闻题是最重要 的问题 形 成相 问表 匾的等温 过程 包括挤压条件下的剪切作用 就象表面的大量增加过程一 样是 吸热 的 即需要如下形 式的热量补给 g 0 一 Td a d Tc o s O A ff 2 d q d t Td a d T 0 s 砌 0 d r 3 其 中 为表面增量 单位 I T l t 为时间 单位 s T为温度 单位 为表 匾张 力 g 0 为表面形成的潜热 0为接触角 显然 热吸收是如此有效以至平衡了由内部摩擦 粘滞扩 散 而产生的热量并且大大地抵消了俯冲板块与热地幔的热接触 除在板块快速下潜过程中 热量 传导 的有 限几率外 这个过 程对 于在俯冲带产生热槽各 以及使整 个板 块保存其地球 物 理性质是十分重 要的 这个过 程是总体的而非前缘类型的 这就确保了板块的高性能 另一方面 在与环境之间无效的热量 交换的分散体系 即绝热 体系 中 因聚集表面能的 释放 即相闻表面减小而引起的热释放 温度迅速上升而产生扩张作用 我们已经表明 在 等温过程中热量 与单位表 面的生成功 之 间有明显的关 系 图 1 图中 为机械能 输入 乱 一 1 4 维普资讯 为热量输入 丁 为温度 图 l表明 当 d 1时 在相对低温及高压条件下 出现机械能的 相 对聚集 或释放 当 d d 1时 在高温降压条件下 出现热能的显著聚集 或释 放 a换 句话 说 在板块 向下运动的过程中 如果板块进入到一个相对拉 伸的区域内 就 会出现相问 表面的迅 速减小并伴生表面形成潜热的释 放 即温度将迅速上升 在俯冲带 内 压应 力区与张 力区沿着 其烦斜表面交 替 出现 因此 进入该张 力带的预应 力物质开始迅速加热到固 相线温度或 固相 线以上的温度 这个过程属于总体类型的 并立即使大量 的基底物质卷入熔融过程中去 岩浆形成 带中的所有热机 械过程都促进了岩浆形成作 用 这些 过程的最终结 果是 温度 上升 俯冲 带中的摩 擦热 来 自地幔岩的热输入 以及园相闻表面减小而产生的热 促 进崩落岩 浆形成作用的起始机理是 园相间表面减小而产生 的热量 释放 因为通 常最 初的两个 过程 抵消了相问表面 吸 热生长时板块温度降低的功效 熔融作用受利于分散体系 t 中及预应力介质中的熔点降低 也受利水流体的广泛存在a圈L 机械隹与热能的置度函撒圈 俯冲带中岩浆形成作用的第二个难题 当出现液体时 为蕞体的收界温度 在建强度条件 由于内部 摩擦 力的明显减小 以及园熔 融作用主要发 生在 下 表面张力 为零 最压 碎的区域 内且相问表面普遍减小而使介质 的分散程 度降低 从而使 流变学和热力学参 数 急剧改变 这就急剧地减小了摩擦热的 生成 并且有一部热量被新生成的高热 容量 液体所 吸收 从而导致俯冲带的迅速冷却及岩浆形成作用的间歇 俯冲带的冷却引起其围岩中孔 隙和毛细管内的熔体发生位移 这个过程显然具有脉动 的特点 尽管被动熔融形成 了大量的 熔体 但这种新生熔 体应迅速离开岩浆 生成带 否则 熔体将在此 固化 而到达不 了地壳表面 整个基底都 发生熔融作用是 不可能的 因为这个 过程很快就被 抑舸 了 人们 已经做 了大量的努力企 图解释在特殊的压滤作用下纯机械因素是如何将这 种熔体 排 出其生 成带 的 但这些努力并不都是成功的 因为只有一部分液体能够被运移 而其余部 分仍然保留在固态碎屑物之间的间隙中 所以 假设机械运移一部分液体之后 萃取机理必 定具有不同的性质并与熔体相对基体而言的疏液性 有关 当这 个多相的体系冷却时 液相 中 的局部压力将由拉普拉斯毛细管压来决定 并随液体表面张力的增大而增大 所以 岩浆能 从孔隙 中白发地排 出且于弱化带 中形成大的岩浆 房 在这些于高温 高压 加上 白上而下下潜 的板 块压 力 条件 下形成的岩浆房内 大量 的热能在体 系冷却过程中被转 变成将液体往表面 上移 以及捧泄岩浆的机械功 我们认为这就构成 了驱动力 F e d o t o v已经讨论过岩浆 的过剩 浮力所起的重要作用 俯 冲板块继 续下潜 这时 扎 允 叉变成 大于 1 即过程 又因平移表 面 的演 变而开始吸收 能量 热量 物质又被分 散 冷却以及获得其影 响地震活动性 的品质 因数 在适当的条件下 板块也许 又开始发生熔融 作用 现有的少数资料表明俯冲带 中岩浆形成 作用发生在 1 2 5 2 0 0 k m探的范围内或可能深至 3 0 0 k m 也许是更深部的高压大大地提高了固相线温度以 至使热生成的规模不足以产生大量的熔体 在这里或更深 处 液体只能由板块的去气作用产 生 并且其地震 能量发生释放 最后 板块 物质象一巨石样聚 集在 6 5 0 0 0 k m深度 范围内 的地幔中 当它 比上覆软流圈重时 它可能被保 留在 此直到地幔对流体 系发 生全球性重分布 5 维普资讯 为止 而且 只有在全球性重分布之后 它才可能卷 入到大规模的循环作 用中 这个模式暗示着俯冲带中岩浆形成作用是脉动式的 整个俯j巾 板块都卷入到岩浆形成 作用 中是不可能的 更可 能的是 熔融带为局部 的且以熔融囊的形式 出现 从 岛弧 区和活动 大陆边缘 的火 山链就可知这 是很 明显的 3 讨论 绝 大多数研 究者 仿效林伍 德 Ri n g wo o d 和卡 尔 Ka y e 推 测形 成钙碱性 岩系的初始熔 体是 由拉斑玄武岩提供的 在岛弧区和活动大陆板块边缘及碰撞带 内 这种拉斑玄武岩总是 与安 山岩伴生并且逐渐 向安山岩过渡 该观 点的支持者利用该种玄武岩 的锶和钕同位素资 料来证 明玄武岩形成 于毕鸟夫带附近 它 是在俯j 巾板块脱 水产生水流体的条件下 由地幔楔 体橄榄岩和深海沉积物熔融而形成 的 根据我们的观点 这些地 区更可能出现相反的过 程 即地幔楔体橄榄岩的熔融是 由直接 产生在俯j 巾带 中的过热水饱和安 山岩熔体 引起 的 并伴生不同特征的混 合体 D a n y a s h e s k i y 在详细研究通 格弧 To n g a a l C 中岩浆作用的地球化学和同位索特征时 对玻 古安山岩系及 俯冲带伴生的高镁 安山岩的起源推导 出相似的结论 在此 我们不能详细地 讨论这点 但注 意到 囡熔体 的高热容量 这种熔融 作用 的机理在原则 上较 简单 流体更为 有效 根 据这 一观 点 该 岩系中的主要熔 体是安 山质的 在 3 GP a以上的压 力条件下 即钙碱性系列岩浆的生 成条件 这种安 山岩熔体是最低 温度的液体 在这种情况下 玄武岩是次要 的岩系 且在特定 条件下其数量直接依赖 于液化安 山岩熔体所 引起的超基性基体 的熔融范 围 玄武岩和安 山 岩是可混溶的 因此 基体 的熔融范围支配着 中问组分出现的范围 据此机理 一方面这 种熔 体和地幔楔体岩石的同位素特征的均一化得以保证 另一方面该岩系仍然保持其基本的安 山岩组分 否则 要 产生如此之多的安 山岩就势必要熔融整个 地幔楔体 而这与可获 得的能 量是不相配的 根据 上述提出的机理 岩石 圈楔体中的岩石组分是十分重要的 钙碱性 岩系中安 山岩和 玄武岩的稀土谱线相似 而 且仅能从玄武岩中稀土的低浓度来区别它们 只有当卷入熔融作 用的楔体岩石可由高亏损基底来表征时 上述稀土谱线才是可能的 然而 许多研究者认为 低亏损的橄榄 岩在孤后盆地 中占绝对优势 它 们与安 山岩的相互作用将大大地改 变新生熔 体的稀土谱线 弧后盆地是 由于软流圈向俯冲带底辟的上升流和单向流而形成的 弧后盆地的岩石圈 物质 这种物 质由扩散的软 流圈舌状体的顶部运移 最终被卷入到俯冲作 用中 稼流圈舌状 体邻部 图 2 被卷入到下潜运 动中 其 邻部 是由橄榄岩形成的 该 种撖榄 岩因弧 后扩 张伴 生 了广泛的玄武岩浆作用而极为亏损 软流圈底辟的下降前部是连续俯冲带的地幔楔体的一 部分 而且是 由方辉橄榄岩和纯撖榄岩类型 的极限或近 极限残 留体形成 的 当这种 岩石被安 山岩浆熔融时 它们 只能引起稀释剂的作 用 而不改变稀土谱 线的类型 显然 类似的机理适台于钾 质次碱性岩系的形成 在该岩系中 安粗岩 钾质安山岩是 其主要的岩石变种 与安 山岩相反 安粗岩熔体是由钾质流体贯入到岩浆生成 区而产生的 4 结论 1 俯 j 巾板块实质上是一个剪切作用增厚带 沿该带地 壳及壳下岩石 圈物 质流 入到地幔 一 l 6 一 维普资讯 中 板块是一个 自我调整的分散绝热 体系 因扳块快速下沉时的受限热传 口 导及板块 在剪切面 剪切 面的形成是 吸热过程 上流动时 的不断更新 体系 保持一个低温状态 其能量流变是如 此之强以至内部摩擦 所产生的热量被 平衡掉 了 与热 地幔进行 热接触而 获 得的热量输入也是如此 同时 尽管这 种环境条件及俯j 巾带的高压条件提高 了基底 的固相线温度 但在 俯冲带 产 生了广泛