岩漿環境下橄欖石的塑性變形特徵研究取得進展

最新 07-13

作為上地幔的最主要礦物相，橄欖石在地幔對流過程中發育塑性變形體現於地幔包體和地幔橄欖岩中廣泛存在的波狀消光和膝折帶等特徵。其主要變形機制包括位錯蠕變、擴散蠕變和顆粒邊界滑移。在不同溫壓、應力、應變速率、含水量、粒間熔體存在與否等條件下，一種或多種流變機制主導橄欖石變形，形成不同的晶格優選定向，即橄欖石組構。目前已識別出多種橄欖石組構，地幔橄欖岩中最為廣泛的是A型組構，即(010)晶面平行於剪切面，[100]晶軸平行或近平行於剪切運移方向。另一方面，橄欖石不同晶軸方向上的彈性波速大小不同，表現出顯著的各向異性，故地幔流動所控制的橄欖石晶格定向排列會引起地震波的各向異性。將不同動力學背景下橄欖石的組構特徵與相應地震波各向異性的觀測數據相結合可有效判定地幔流動方向和流動面，業已成為研究板塊構造的重要手段。

然而，橄欖石在不同構造環境下的組構特徵和形成機制長期存在較大爭議，其中B型組構由於可以合理解釋地幔楔中與俯衝帶平行的地震波各向異性特徵引起人們的廣泛研究和激烈討論。同時，近期研究報道橄欖石的波狀消光等塑性變形特徵同樣發育在Duke、Bushveld、Stillwater、坡一等鎂鐵-超鎂鐵岩體，表明橄欖石的塑性變形並不僅僅局限於地幔之中。中國科學院地質與地球物理研究所礦產資源研究重點實驗室博士姚卓森（現加拿大卡爾頓大學博士後），在導師、研究員秦克章與南京大學教授王勤的指導下，以新疆坡一岩體中的橄欖石塑性變形（圖1）為研究對象，細緻釐定其形成過程及溫壓條件，首次證實岩漿環境下晶粥的堆晶壓實作用可誘發橄欖石塑性變形，發育獨特的B型組構，並進一步通過微觀結構探究其變形機制，取得如下成果：

（1）坡一純橄欖岩的全岩微量及礦物成分特徵表明其形成於岩漿的堆晶過程，而非高程度部分熔融或熔岩反應的產物。同時該岩體巨厚晶粥層發生了強烈堆晶壓實過程，晶體框架與填隙熔體間密度差異產生的有效應力(～2-10 MPa)觸發了橄欖石的晶格變形。

（2）橄欖石的塑性變形隸屬於B型組構，即位錯在(010)晶面上沿[001]晶軸滑移(圖2)，屬岩漿體系內的首次報道，形成於特殊的低壓、貧水、高溫熔體環境，同時透射電鏡揭示其發育多組位錯滑移系(圖1)。堆晶作用早期，單軸擠壓環境下，橄欖石受結晶習性控制形成B型組構，之後隨著堆晶作用的增強，粒間熔體減少，有效應力顯著升高，驅動晶格發生位錯蠕變和顆粒邊界滑移(圖3)。

（3）該組構產生反向的地震波各向異性(VSH

上述成果系首次系統研究岩漿環境下橄欖石的塑性變形特徵，拓展了相關研究領域，喚起了人們對於岩漿體系內橄欖石變形作用的重視，將微觀尺度的橄欖石晶格變形、中等尺度的晶粥堆晶壓實作用，以及宏觀尺度的地震波各向異性有機聯繫起來。

研究成果發表於JGR: Solid Earth。