Microstructures and Rheology of Harzburgites from Dongqiao, Northern Tibet
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摘要: 西藏东巧地区蛇绿岩套中橄榄岩是青藏高原出露的为数不多的地幔岩体之一, 对于揭示该地区的上地幔流变学特征具有重要意义.报道了该地区方辉橄榄岩中橄榄石的位错显微构造特征, 估算了上地幔流变学参数.显微构造研究表明, 东巧方辉橄榄岩发育残斑结构, 橄榄石中位错组态类型比较丰富, 包括自由位错、位错壁(包括宽阔型和紧密型)、位错弓弯和位错网, 表明橄榄石的主导变形机制可能为位错蠕变.该区地幔岩变形大致分为2个阶段: (1) 地幔缓慢塑性流动变形, 形成宽阔型位错壁; (2) 蛇绿岩侵位过程中的变形, 产生紧密型位错壁.根据2种位错壁估算的流动应力平均值分别为3 9.3MPa (宽阔型)和113.9MPa (紧密型), 计算结果获得东巧地区上地幔流动速率为1.13× 10-12 ~ 2.95× 10-11s-1, 有效粘度为4.44×1017~ 1.16×1019Pa°s, 这些参数为东巧地区上地幔物理特征提供了流变学的约束条件Abstract: The peridotite section of the Dongqiao ophiolite is one of the few peridotite bodies exposed in Tibet, which may play an important role in revealing the rheological properties of the upper mantle in this area. In this paper, the microstructural and rheological characteristics of harzburgites from Dongqiao are investigated. Microstructural analysis indicates that harzburgites exhibit porphyroclastic texture and undulose extinction and kink bands are common in olivine and orthopyroxene. The oxidation decoration technique is used to examine the dislocation microstructure in olivine. The results show olivines are abundant in dislocation substructures, including free dislocation; dislocation wall, which can be subdivided further into widely and closely spaced types; and dislocation bow and net, indicating that the deformation of olivine may be dominated by dislocation creep. Following the microstructural analysis, two deformation stages are recognized. The first is deformation due to slow upper mantle flow, which results in a wide dislocation wall. The second is deformation related to the emplacement of ophiolite, which generates a closely spaced dislocation wall. The average flow stress calculated is 39.3 MPa (for the wide dislocation wall) and 113.9 MPa (for the closely spaced dislocation wall) respectively. Based on Chopra and Paterson's olivine flow law, the creep rate estimates of the upper mantle in this area are 1.13×10-12-2.95×10-11 s-1 and effective viscosity estimates are 4.44×1017-1.16×1019 Pa°s. All these provide fundamental constraints on the rheological properties of the upper mantle in the Dongqiao area.
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Key words:
- harzburgite /
- olivine /
- petrofabric /
- dislocation /
- Dongqiao
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蛇绿岩中变质橄榄岩和幔源包体橄榄岩都经历了上地幔的高温塑性变形, 其中的橄榄石普遍发育晶格优选方位(LPO)和位错等显微构造, 它们记录了上地幔的变形机制和变形历史.因而, 研究其显微构造特征, 特别是位错特征就可以估算上地幔流变参数(应力、流动速率和粘度等), 推断橄榄石的流变机制(包括蠕变控制因素) 以及揭示岩石的变形历史.幔源包体作为来自上地幔的“使者”被其寄主岩浆快速带到地表, 来不及发生蚀变和重新平衡(O'Reilly and Griffin, 1996), 从而可以提供有关上地幔的直接信息.国内同行此前的工作也多集中在对幔源包体橄榄岩的流变学特征研究(Jin et al., 1989; 孙平和路凤香, 1994; 金振民等, 1995; 林传勇等, 1995), 而对蛇绿岩中变质橄榄岩体的研究相对较少(李金铭, 1994; 李德威, 1994; 董云鹏等, 1996).与幔源包体相比, 橄榄岩地体展示了可能在地幔中生成的流动构造的大规模露头(尼可拉斯和泊利埃, 1985), 因此, 对橄榄岩体的研究可以提供更具代表性的上地幔流变学特征.此外由于受后期构造事件的影响较大, 橄榄岩地体也记录了上地幔和进入地壳后的变形变质史, 从而对它们的流变学特征研究也就显得意义非凡.
青藏高原北部东巧地区蛇绿岩中出露有地幔橄榄岩体, 为研究该区上地幔流变学性质和构造演化提供了难得的机会.过去20年间, 国内外地质学家对该地区蛇绿岩的岩石构造特征(邓万明, 1984; Girardeau et al., 1984; Girardeau et al., 1985)、形成时代(Allegre et al., 1984; Zhou et al., 1997)、形成环境(Gopel et al., 1982; 汤耀庆和王方国, 1984; Girardeau et al., 1984; Allegre et al., 1984; 王希斌等, 1987; Zhou et al., 1997)和铬铁矿矿床地质(孙德恕, 1983; 王希斌等, 1987; 鲍佩声等, 1999)等进行了详细研究, 取得了丰硕成果.有关该地区上地幔流变学特征方面的研究已有零星报道: 如鲍佩声等(1999)对东巧地区方辉橄榄岩中橄榄石的显微构造及流变参数进行了初步研究, 获得了橄榄石在TEM下的位错构造以及相应的流变参数.本文采用氧化缀饰法研究了东巧地区方辉橄榄岩中橄榄石的位错特征, 计算了相应的上地幔流变参数, 并结合显微构造探讨了该地区橄榄岩的变形历史和变形机制.
1. 地质背景和样品
青藏高原北部班公湖-怒江蛇绿岩带是青藏高原最负盛名的2条蛇绿岩带之一, 是羌塘地块和拉萨地块的结合带. Girardeau et al. (1985)和王希斌等(1987)研究认为: 藏北蛇绿岩是被肢解了的蛇绿岩, 但蛇绿岩岩石序列是完整的.根据不同地区蛇绿岩典型剖面对比, 恢复建立了该区蛇绿岩的层序(由上至下) : 基性火山岩-堆晶杂岩-变质橄榄岩.根据与蛇绿岩共生的放射虫硅质岩中发现的放射, 虫确定该蛇绿岩作为洋壳的生成时代为晚侏罗世(王希斌等, 1987).通过与蛇绿岩伴生的变质晕中角闪石Ar-Ar法(Zhou et al., 1997)和K-Ar法(王希斌等, 1987) 定年获得了相近的结果, 分别为175~180 Ma和179 Ma, 指示其构造侵位时代应在中晚侏罗世.东巧蛇绿岩处于该带的中段, 位于安多县西90 km (图 1).关于东巧蛇绿岩的形成环境, 大部分观点趋于一致, 即认为东巧蛇绿岩形成于俯冲带环境中的一个小的弧后或弧间盆地(Allegre et al., 1984; 汤耀庆和王方国, 1984; 邓万明, 1984; Girardeau et al., 1985; 王希斌等, 1987), 但是对于俯冲带的极性(polarity) (潘桂棠等, 1983) 以及是否存在俯冲带(雍永源和贾宝江, 2000) 还存在不同意见.东巧地幔橄榄岩体侵位于上、中侏罗统的一套厚层砂岩和黑色板岩之上(Allegre et al., 1984), 被下白垩统不整合覆盖(王希斌等, 1987), 长17.5 km, 宽2~4 km.东巧地幔橄榄岩以方辉橄榄岩和纯橄榄岩为主, 岩石蛇纹石化作用明显: 纯橄榄岩完全蛇纹石化, 方辉橄榄岩则部分蛇纹石化.因此, 本文主要研究对象为方辉橄榄岩.
图 1 研究区(东巧)和西藏北部湖区蛇绿岩分布示意图(据王希斌等, 1987略作修改)Fig. 1. Schematic map showing the study area (Dongqiao) and distribution of ophiolite in northern Tibet2. 方辉橄榄岩的岩石矿物学成分和结构特征
手标本中, 方辉橄榄岩由于蛇纹石化仅见到少量残余橄榄石颗粒, 而斜方辉石集合体的形态指示出岩石具有较明显的面理(S)和线理(L).镜下观察, 岩石由蛇纹石(40%~60%)、橄榄石(10%~20%)、斜方辉石(15%~35%)和少量铬铁矿(< 1%) 组成.橄榄石均发生不同程度蛇纹石化作用, 残余的橄榄石被蛇纹石以网状穿切, 根据不同颗粒一致消光可分辨出原始的橄榄石颗粒.橄榄石分为2个世代: 大残碎斑晶(0.5~3 mm), 颗粒粗大并拉长应变, 呈半自形至他形; 后期形成的小且无应变的多边化新晶(< 0.5 mm) 多呈他形, 分布在橄榄石残斑周围.斜方辉石颗粒比较完整, 多构成残斑, 呈半自形至他形.铬铁矿(铬尖晶石) 呈小颗粒分散于岩石中, 由他形至自形变化.橄榄石和斜方辉石斑晶中都可以看到扭折带(图版Ⅰ, 2)和波状消光现象, 反映岩石经历了变形和韧性剪切作用.参照Mercier and Nicolas (1975)对地幔橄榄岩包体显微构造的分类将方辉橄榄岩的结构定为残斑结构(图版Ⅰ, 1).一般认为, 残斑结构反映岩石在上地幔条件下经受过高温流变(尼可拉斯和泊利埃, 1985).此外, 岩石中还可以见到丰富的斜方辉石熔融残余结构, 揭示岩石曾经历局部熔融作用(鲍佩声等, 1992).
东巧方辉橄榄岩岩石主量元素化学成分和部分主要矿物电子探针分析结果见表 1.方辉橄榄岩的Mg#值为80~82, 与汤耀庆和王方国(1984)的结果相当.
表 1 东巧方辉橄榄岩岩石主量元素化学成分和部分主要矿物电子探针分析结果Table Supplementary Table Bulk-rock compositions and representative mineral analyses of harzburgite from Dongqiao
3. 橄榄石的组构特征
为便于研究, 我们选取了采自东巧107号矿体的2块方辉橄榄岩样品为代表, 根据手标本中拉长变形的斜方辉石和铬铁矿定向, 确定出面理XY (S)和线理X (L), 并沿平行和垂直于线理且垂直于面理的方向分别切制定向薄片.在费氏旋转台下测定了橄榄石的晶格优选方位(图 2).由图中可以看出, 所测样品的晶轴具有中等强度的优选方位.样品TD0021 (图 2a) [010]轴极密比较明显, 靠近于面理面极点附近; [100]轴和[001]轴则分别表现为与面理面相交成一定角度的完整或不完整的大圆环带, 环带中分布着一个或几个次一级点极密.样品TD0024[010] (图 2b) 轴极密也非常明显, 且近垂直于面理面; [100]轴与面理面相交成35°~45°的大圆环带, 环带中存在一个明显点极密; [001]轴优选方位不显著, 近于均匀分布.
图 2 东巧地区方辉橄榄岩中橄榄石组构a.样品TD0021共79颗粒; b.样品TD0024-86颗粒.下半球等面积投影, 等密线: 1%~2%~3%~4%~5%~6%;S.面理; L.线理Fig. 2. Petrofabric diagram of olivines显然, 这2个样品中橄榄石的晶格优选方位(LPO) 与中国东部及世界上其他地区幔源包体橄榄石所具有的典型LPO (滑移系为(010) (100)) 不同(尼可拉斯和泊利埃, 1985; 金振民等, 1994), 其成因有待进一步研究.
4. 橄榄石的位错特征
位错构造研究是揭示地幔变形环境、变形机制和变形过程的有效途径.为进一步揭示岩石的变形特征和变形历史, 我们通过氧化缀饰法研究了东巧地区8个方辉橄榄岩样品中橄榄石的位错亚构造特征.在光学显微镜下观察发现橄榄石中发育有丰富的位错组态类型, 现将各种位错亚构造特征简述如下: (1) 自由位错: 自由位错是在变形过程中未排列成倾斜位错壁的随机分布位错(金振民等, 1995).这种亚构造在东巧地区橄榄石中很发育(图版Ⅰ, 3), 但分布相当不均匀; 其形态包括自由随机分布的刃型位错和直而平滑的螺型位错. (2) 位错壁: 它是样品中最发育的位错亚构造, 包括(100)和(001) 位错壁, 并以(100) 位错壁为主.垂直于位错壁分布有密集平行排列的螺型位错.位错壁是在塑性变形过程中橄榄石一系列刃型位错按“几何学边界需要”, 通过滑移和攀移作用形成的(金振民等, 1995).橄榄石的(100) 位错壁是地幔橄榄岩在高温流变过程中形成的典型稳态显微构造(金振民和Green, 1988).东巧地区橄榄石中位错壁分为宽阔型(图版Ⅰ, 4)和紧密型(图版Ⅰ, 5) 2种. (3) 位错弓弯: 这一现象在东巧地幔橄榄石中很常见(图版Ⅰ, 6), 它实际上是横穿(100) 位错壁平行排列的螺型位错, 在塑性流动中, 由于两端被位错壁固定, 位错中部向前滑移而产生的弓形弯曲现象(金振民和Green, 1988).位错弓弯一般是在800 ℃以上开始形成的(郑伯让等, 1988). (4) 位错网: 这种位错亚构造在东巧地区地幔橄榄石中偶尔可以见到(图版Ⅰ, 7).它由2组纵横交叉的螺型位错密集平行排列而成.关于位错网的构造成因问题, 目前还不十分清楚(金振民和Green, 1988).此外, 橄榄石中还发育一些介于自由位错与位错壁之间的亚构造, 表现为平直的刃型位错断断续续平行排列, 具有(但还未) 最终形成位错壁的趋势(图版Ⅰ, 8).
与鲍佩声等(1999)的研究结果不同, 我们在所研究的8个方辉橄榄岩样品中并没有观察到位错环亚构造.
5. 上地幔流变学参数估算
5.1 差异流动应力(σ)
差异流动应力(σ) 是上地幔流变状态的重要参数之一, 对于人们认识地幔对流和岩石圈板块内部变形之间的耦合联系非常关键(Jin et al., 1989).目前, 常用的橄榄石显微构造古应力计有稳态自由位错密度、亚颗粒大小(位错壁间距)和动态重结晶颗粒大小.考虑到本区橄榄石中自由位错密度受后期变形影响较大, 同时岩石蛇纹石化作用使得动态重结晶颗粒难于分辨, 而橄榄石的位错壁是上地幔固态流动的典型稳态显微构造(Green and Jin, 1987), 并且在本区岩石中非常发育, 故采用位错壁间距进行古应力计算.
东巧地区橄榄石中发育宽阔型和紧密型2种位错壁亚构造, 推测二者是不同变形环境的产物.我们分别测定了2种类型位错壁间距值, 统计编制了其对数频数分布图.结果表明多数样品对数位错壁间距均呈近似正态分布(图 3).这种分布反映了橄榄石的位错壁间距有一个最佳值(金振民等, 1989), 即其几何平均值.利用Durham等(1977)根据高温高压实验总结的经验公式:
图 3 代表性橄榄石位错壁间距对数频数分布Fig. 3. Representative histograms displaying the number of dislocation walls versus natural logarithm of the wall spacing其中: σ为应力(MPa); d为亚颗粒大小或位错壁间距(μm), 分别计算了宽阔型和紧密型位错壁对应的差异应力值.计算结果显示(表 2), 东巧地区橄榄石中紧密型位错壁间距值为8.91 μm, 对应的差异流动应力平均值为113.9 MPa; 而宽阔型位错壁间距值为25.52 μm, 对应的差异流动应力平均值为39.3 MPa.后一结果与根据幔源包体计算的上地幔差异应力值(几个至几十个MPa) 相吻合, 但与鲍佩声等(1999)的结果(18~75 MPa) 有所差别, 这可能是由于他们采用的是位错密度来计算古应力, 而位错密度常受到后期变形的影响.这一结果也暗示宽阔型位错壁可能是在上地幔塑性流动变形中产生的, 而紧密型则可能代表了蛇绿岩后期侵位过程中的变形产物.
表 2 东巧地区橄榄石的位错壁间距统计和差异应力计算结果Table Supplementary Table Dislocation wall spacing and differential stress of olivine in Dongqiao
5.2 流动速率(
考虑到紧密型位错壁可能是在侵位过程中形成的, 故只估算了宽阔型位错壁对应的上地幔流动速率和有效粘度.岩石的结构和显微构造表明其主要变形机制应为位错蠕变, 故采用Chopra and Paterson (1984)的高温幂律公式, 其流动速率计算公式为:
根据应变速率与有效粘度的关系
6. 讨论和结论
6.1 变形机制
东巧方辉橄榄岩具有残斑结构, 暗示其是上地幔变形条件下的产物(何永年和林传勇, 1981).对东巧地区采集的8个方辉橄榄岩样品氧化缀饰法研究发现, 残斑橄榄石中发育了丰富的位错组态类型, 主要有(100) 位错壁、位错弓弯、自由位错以及位错网等.这些位错亚构造反映了东巧地区上地幔经历了明显塑性变形.特别是, (100) 位错壁是橄榄石在稳态流动变形过程中通过刃型位错滑移和攀移多边化作用形成的(金振民等, 1995).结合橄榄石和斜方辉石中发育的扭折带, 我们认为东巧地区方辉橄榄岩所反映的上地幔塑性变形机制主要是位错蠕变占主导.
6.2 变形历史
地幔橄榄岩在塑性变形过程中产生的位错构造可以反映其变形历史.东巧地区橄榄石位错显微构造研究揭示位错壁分为宽阔型和紧密型2种类型, 其平均位错壁间距值分别为25.52 μm和8.91 μm.据此, 我们将东巧地幔岩的变形划分为2个阶段: (1) 地幔缓慢塑性流动变形阶段Ⅰ.地幔橄榄岩在地幔高温塑性流动中产生变形形成宽阔型位错壁(对应应力值为39.3 MPa)和位错弓弯.根据前人对蛇绿岩形成环境的研究结果, 东巧蛇绿岩产生于俯冲带之上的一个弧后或弧间的小洋盆环境, 且根据变质晕中角闪石的Ar-Ar (Zhou et al., 1997)和K-Ar (王希斌等, 1987) 年代学研究, 东巧地幔橄榄岩体的侵位时代应在中晚侏罗世(175~180 Ma).因此, 这一阶段变形应该是在中晚侏罗世之前的一个弧后或弧间的小洋盆上地幔中完成的. (2) 蛇绿岩侵位过程中的变形阶段Ⅱ.中晚侏罗世(175~180 Ma) 时, 东巧地幔橄榄岩体开始侵位.在侵位过程中, 橄榄岩又经历一次变形的改造, 产生紧密型位错壁(应力值σ约为113.9 MPa).与中国东部幔源包体中橄榄石位错构造(金振民等, 1995; 林传勇等, 1998) 的比较表明, 东巧橄榄石中缺少位错环、位错缠结等代表典型高温蠕变的位错构造, 从侧面佐证了橄榄岩体受到后期侵位过程中构造变形的改造, 而幔源包体由于被岩浆快速萃取, 从而使得原有构造较少受到改造.
6.3 上地幔流变学参数
借助于橄榄石中位错壁亚构造, 我们估算了东巧地区具有代表性的上地幔流变学参数, 获得差异流动应力为39.3 MPa (根据宽阔型位错壁间距计算), 这一数值与根据幔源包体计算的上地幔差异应力值(几个至几十个MPa) 相吻合; 流动速率为1.13×10-12~2.95×10-11 s-1, 有效粘度为4.44×1017~1.16×1019 Pa°s.这些参数不仅反映了东巧地区上地幔物质的构造物理特征, 也对该地区上地幔的流变性质进行了约束.
图版说明
图版Ⅰ
1.方辉橄榄岩的残斑结构(样品D1305/ 5-1)
2.橄榄石中的扭折带(样品TD0021)
3.自由位错(样品TD0012)
4.宽阔型位错壁(样品TD0012)
5.紧密型位错壁(样品TD0021)
6.位错弓弯(样品TD0021)
7.位错网(样品TD0022)
8.自由位错, 表现出将要形成位错壁的趋势(样品TD0018)
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图 1 研究区(东巧)和西藏北部湖区蛇绿岩分布示意图(据王希斌等, 1987略作修改)
Fig. 1. Schematic map showing the study area (Dongqiao) and distribution of ophiolite in northern Tibet
图 2 东巧地区方辉橄榄岩中橄榄石组构
a.样品TD0021共79颗粒; b.样品TD0024-86颗粒.下半球等面积投影, 等密线: 1%~2%~3%~4%~5%~6%;S.面理; L.线理
Fig. 2. Petrofabric diagram of olivines
图 3 代表性橄榄石位错壁间距对数频数分布
Fig. 3. Representative histograms displaying the number of dislocation walls versus natural logarithm of the wall spacing
表 1 东巧方辉橄榄岩岩石主量元素化学成分和部分主要矿物电子探针分析结果
Table 1. Bulk-rock compositions and representative mineral analyses of harzburgite from Dongqiao
表 2 东巧地区橄榄石的位错壁间距统计和差异应力计算结果
Table 2. Dislocation wall spacing and differential stress of olivine in Dongqiao
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