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NG:石英包裹体揭示下地壳与高压熔体有关的地震活动
2021-06-28 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  俯冲带区域地震活动频繁,震源深度从几公里到几百公里不等,对应了非常广的温度和压力范围。在地震过程中,两个相邻岩块之间发生快速相对位移,伴随剧烈摩擦,并在摩擦面上可以形成一层较薄的高温摩擦熔体。地震结束后这些摩擦熔体快速冷却并形成过冷熔体,最终凝结为玻璃状或细粒的深色岩脉,即假玄武玻璃(Pseudotachylyte)。假玄武玻璃由于经历了地震过程中的应力释放以及摩擦熔融过程,被称为地震化石(fossil earthquake)。现今对假玄武玻璃的研究往往局限于岩石学的定性描述,这是因为冷凝结晶过程持续时间太短,里面的矿物组合较难达到热力学平衡,这使得研究人员对地震过程中的摩擦熔体所经历的瞬时温度和压力知之甚少。近日,挪威奥斯陆大学地球科学学院仲歆等应用石英包裹体压力计计算了地震过程中的摩擦熔体压力,使用弹性建模限定了下地壳的非静岩应力场,相关成果于617日发表在Nature Geoscience上。 

  在挪威西部卑尔根附近的Holsnoy岛,由于加里东造山期的地震活动,形成了岛上的假玄武玻璃。这些假玄武玻璃含有石榴子石颗粒(图1),这些石榴子石在假玄武玻璃的外缘分布密集,粒径较小,而在内部则相反,其分布类似被吹散的蒲公英。可能反映在靠近围岩的一侧摩擦熔体冷却速度较快,石榴子石结晶时间较短,所以结晶形成的粒径较小;而远离围岩的一侧石榴子石有更长的时间结晶,所以粒径较大。 

1 a)假玄武玻璃的野外照片;(b)假玄武玻璃和围岩的交界面,一粒石榴子石被截断。在假玄武玻璃内部遍布着似蒲公英状的小粒石榴子石,这些石榴子石在靠近交界面颗粒较小,在远离交界面颗粒较大(修改自Zhong et al., 2021

  通过深入观察这些石榴子石,发现它们内部发育各种包裹体。该研究集中在石英包裹体上,石英相对石榴子石更容易被压缩,当石英随着石榴子石被带到地表后会含有一定剩余压力。这个现象在日常生活中经常见到,例如将一个密封的空可乐瓶带上飞机,随着机舱压力降低,可乐瓶会膨胀。这是因为起飞后机舱的压力低于地表的标准大气压,所以空气会推动可乐瓶膨胀。类似地,石英包裹体就相当于这个例子中的空气,而石榴子石则好比可乐瓶。当石英被带到地表后,所包含的剩余压力的多少取决于石英和石榴子石的物理参数,以及石英被包裹时周围的温度和压力。 

  为了获取地震时摩擦熔体的压力,研究人员使用拉曼光谱仪测量了石英包裹体的拉曼频率偏移。在压力作用下石英晶格的振动频率升高,而频率的升高约正比于其所受的压力,通过这个方法得以计算出石英包裹体的剩余压力(见图2)。随后,通过建立一维弹性模型,恢复了石英包裹体记录的摩擦熔体压力。在超过围岩700 ℃条件下摩擦熔体压力应高于2 GPa。该研究首次对地震过程中的摩擦熔体进行准确的压力限定。有趣的是,这个压力和通过假玄武玻璃基质中的绿辉石-长石热力学平衡计算出的压力1.5 GPa相差超过0.5 GPa,远远高于这两个方法的误差范围总和。这个发现也带来一个问题,为什么两个方法的限定出来的压力相差如此大? 

  毫无疑问,石榴子石应在摩擦熔体冷凝的早期形成,因为其内部并未发现低压的长石包裹体,而假玄武玻璃的绿辉石-长石基质则是在随后的冷凝退火过程中形成的,两者压力的差值反映了摩擦熔体的降压过程。为解释两者的压力差值,需要模拟摩擦熔体在地震前后的应力变化。 

2 a)通过拉曼光谱测量出的石英包裹体的剩余压力,横轴纵轴为通过两个拉曼峰计算出的剩余压力,校正关系来自Schmidt and Ziemann2000);(b)绿色条带展示的是通过弹性模型恢复的摩擦熔体压力(修改自Zhong et al. 2021),虚线展示的是通过假玄武玻璃基质中的绿辉石和长石成分限定出的压力,与Bhowany et al.2018)结果一致

  研究人员使用了Eshelby解析解进行弹性建模。该方法可用于计算脉体由于体积变化或远场力作用下产生的应力。研究人员首先尝试检验由于摩擦熔融导致的体积膨胀是否可能带来瞬时的压力升高。模拟结果(图3a)显示,即使10%的体积膨胀仍然无法带来可观的熔体压力升高。随后,通过尝试检验低粘度的摩擦熔体在非静岩压力作用下是否可能产生明显的压力变化,研究发现,当地震摩擦熔体形成时,其内部压力瞬间达到垂直于其表面的远场应力(图3b),这是由于摩擦熔体剪切模量接近零,所以无法承受较高的差应力。为了保证受力平衡,摩擦熔体的压力值需等同于作用在脉体上的垂向应力。在冷凝初期蒲公英状石榴子石首先形成,其中的石英包裹体记录了高至2.2 GPa的摩擦熔体压力。而熔体彻底冷凝后,假玄武玻璃熔体的压力则快速回复至远场应力,并在退火过程中形成小粒的绿辉石-长石基质,对应了1.5 GPa的压力。这个过程可以较好地解释石榴子石和假玄武玻璃基质的0.5 GPa的压力差。值得一提的是,这里推测出的非静岩应力场的差应力值可以被其他独立方法验证,如通过熔体注入的弹性力学模型,得到的差应力值也在0.7 GPa左右,与图3b的结果接近。 

3 a10%体积膨胀导致的熔体压力变化;(b)远场力作用下的熔体压力变化(Zhong et al., 2021

  最后的一个关键问题是这个非静岩应力场是代表地震过程中的瞬时动态应力还是可以长期存在的构造应力?为回答这个问题,研究人员进行了热传导模拟(图4)。摩擦熔体由于热传导,其核心温度在3分钟后将降至1000 ℃左右。考虑石榴子石较慢的结晶速率,保守估计,其结晶时的温度应低于800900度。而地震的动态应力持续时间取决于震级,最多持续几十秒至几分钟(Rowe et al. 2012),所以石榴子石内部的石英包裹体记录的应该为构造应力。特别的是这个构造应力含有将近1 GPa的差应力。这个工作也引出了几个关键问题: 

  1)该地区围岩内未见含水矿物,断裂如何在较高的围压下形成?断层形成初期受到了什么弱化作用?Jamtveit et al.2018)提出一个新的理论,认为下地壳地震可能是由上地壳地震引起的,这个理论是否可以用在该地区? 

  2)下地壳的强度是否可以承受这个差应力?考虑围岩的蠕变作用,这个过程可能对应了地震前后应力的快速累积与释放,或是干燥的下地壳在流变学上比传统认为的更强? 

  3)由于该假玄武玻璃样品的独特性(蒲公英状石榴子石及石英包裹体),研究人员得以限定地震成因的摩擦熔体压力,但该方法是否可以在其他地区推广,值得更多的研究。 

4 热传导模拟结果,初始摩擦熔体为1500摄氏度(蓝色),高于石榴子石的熔点。曲线表示不同时间下摩擦熔体和围岩的温度变化

  主要参考文献 

  Bhowany K, Hand M, Clark C, et al. Phase equilibria modelling constraints on P–T conditions during fluid catalysed conversion of granulite to eclogite in the Bergen Arcs, Norway[J]. Journal of Metamorphic Geology, 2018, 36(3): 315-342. 

  Jamtveit B, Ben-Zion Y, Renard F, et al. Earthquake-induced transformation of the lower crust[J]. Nature, 2018, 556(7702): 487-491. 

  Rowe C D, Kirkpatrick J D, Brodsky E E. Fault rock injections record paleo-earthquakes[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2012, 335: 154-166. 

  Schmidt C, Ziemann M A. In-situ Raman spectroscopy of quartz: A pressure sensor for hydrothermal diamond-anvil cell experiments at elevated temperatures[J]. American Mineralogist, 2000, 85(11-12): 1725-1734. 

  Zhong X, Petley-Ragan A J, Incel S H M, et al. Lower crustal earthquake associated with highly pressurized frictional melts[J]. Nature Geoscience, 2021.原文链接 

  (撰稿:仲歆/奥斯陆大学,李继磊/矿产室)

 
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