地質大學許繼峰

⑴ 中國科學院廣州地球化學研究所的科研條件

設施設備 截至2009年7月，研究所科研儀器設備7770萬元，其中萬元以上設備6676萬元，擁有國際先進、中國領先的完備的開展固體地球科學、環境科學研究的測試分析儀器，其中包括地質和環境樣品物質成分與物質性質分析、地質年代學測定、礦物結構與形貌觀測、高溫高壓實驗模擬等四大系統。
2002年至2006年，對全所的基礎設施、有機礦物和同位素實驗大樓、流動人員公寓和長沙中心供電系統等進行了全面改造，改造面積約4.2萬平方米；興建了15000平方米科研綜合大樓。 館藏資源 截至2009年7月，研究所圖書館以數字資源為主，通過集團采購的形式，訂有全文資料庫6個（ACS Journals、Elsevier_SD、Nature、Science、Wiley、Oxford University Press），通過中圖公司訂購資料庫1個（AGU），單點開通資料庫2個（RSC、Annual Reviews）；藉助院圖、國家平台開通Springlink、Taylor & Francs、Geoscience、CNKI、ISI等全文資料庫、文摘庫近100個，涵蓋外文期刊6000多種，中國之外的博碩士論文33萬多篇，外文會議錄2.9萬多卷，外文圖書、工具書3.8萬多冊，中文期刊近10000萬種，中文博碩士論文151萬多篇。
截至2009年7月，研究所圖書總藏量共計12017種13047冊，其中外文圖書2599種2730冊；期刊552種12845冊（合訂本）；學位論文1280種2388冊。 截至2013年底，廣州地化所共有在職職工311人，其中科技人員198人、科技支撐人員75人，包括中國科學院院士2人、俄羅斯科學院外籍院士1人、研究員及正高級工程技術人員62人、副研究員及高級工程技術人員98人；共有中國科學院「百人計劃」入選者27人，國家傑出青年科學基金獲得者22人，國家優秀青年科學基金獲得者4人，新世紀百千萬人才國家級人選6人，中組部青年拔尖人才1人，科技部創新人才推進計劃中青年科技創新領軍人才2人。
中國科學院院士（2人）：傅家謨、彭平安
俄羅斯科學院外籍院士（1人）：謝先德 中國科學院「百人計劃」入選者序號姓名入選年度序號姓名入選年度1彭平安19962宋之光20003陳繁榮20014陳鳴20025徐義剛20036曾永平20037孫衛東20048應光國20059孫亞莉200510宋茂雙200611單業華200612任鍾元200713王焰200814游靜200915程和發200916許繼峰200917夏小平200918麥碧嫻201019羅春玲201020肖賢明201121朱潤良201122陳多福201223何宏平201224陳華勇201225孫新蕾201226熊小林201327王岳軍2013參考資料： 國家傑出青年科學基金獲得者序號姓名入選年度序號姓名入選年度1彭平安19942陳鳴19983徐義剛19994趙建新20005許繼峰20046陳衍景20047孫衛東20058麥碧嫻20059曾永平200510肖賢明200611應光國200612陳多福200713何宏平200714王岳軍200815熊小林200816王強201017王新明201018張干201119於志強201220韋剛健201321王焰201322安太成2014參考資料： 截至2009年7月，廣州地化所共有2個國家重點實驗室，2個中國科學院重點實驗室，2個廣東省重點實驗室，以及國家大型科學儀器中心—廣州質譜中心、與香港大學地球科學系聯合建立的「化學地球動力學聯合實驗室」、與蘭卡斯特大學環境中心和城市環境所聯合組建的「國際環境研究與創新中心」、2007年中國科學院批准建立中國科學院珠江三角洲環境污染與控制研究中心、可持續發展研究中心，並建有「地學與資源科普教育基地」。
國家重點實驗室（2個）：有機地球化學國家重點實驗室、同位素地球化學國家重點實驗室
中國科學院重點實驗室（2個）：邊緣海地質重點實驗室、礦物學與成礦學重點實驗室
廣東省重點實驗室（2個）：資源環境利用與保護重點實驗室、礦物物理與礦物材料研究開發重點實驗室

⑵ 秦嶺和華北岩石縱波速度及其對地殼低速層成因的啟示

趙志丹

（中國科學院地球化學研究所，貴陽550002）

高山駱庭川張本仁

（中國地質大學地球化學研究所，武漢430074）

謝鴻森郭捷許祖鳴

（中國科學院地球化學研究所，貴陽550002）

摘要人們在世界上許多地區的中、下地殼發現了低速層，並從不同角度來解釋它的成因。作者對采自秦嶺和華北地區的138個樣品進行了高溫（達1500℃）和高壓（達3GPa）條件下縱波速度的測定結果，探討了岩石縱波速度的一般特徵，並且發現了岩石縱波低速現象。通過對實驗產物的礦物組成和結構等的綜合研究表明，含水礦物（角閃石或黑雲母）的脫水、相變和部分熔融導致岩石出現縱波低速現象。實驗結果表明含水礦物脫水熔融可能是引起研究區或世界其他地區出現地殼低速層的重要機制。

關鍵詞地殼低速層岩石縱波速度脫水和相變部分熔融秦嶺造山帶華北克拉通

1引言

本世紀50年代以來，以地球物理為主的地殼深部探測和對地球深部物質的實驗研究使我們對岩石圈，特別是大陸岩石圈不斷加深了解。其中地殼低速層就是深部地球物理的重要發現之一，它分布在世界的許多地區，如阿爾卑斯、北美、西藏、華北和秦嶺造山帶等地區，而且其中的許多地區是具有高熱流的構造或地震活動帶^{[2,12,13,14,19]}。

人們用多種方式來解釋地殼低速層的成因。有人認為它是由流體、大規模的推覆體或韌性剪切帶等引起的軟層^[8,9]。其他學者則從實驗室中地殼礦物和岩石的成分及其物理化學性質出發，認為石墨、含鹽流體、或者礦物脫水相變及岩石部分熔融導致了低速層的出現^[2,4,8,9]。從已有的研究看，迄今尚無一種理想的模式完滿解釋地殼低速層的成因。本文測定了采自秦嶺造山帶及其鄰區和華北克拉通的138個岩石樣品高溫高壓下的縱波速度，探討了實驗結果並應用實驗數據解釋研究區內地殼低速層的成因。

2樣品和地質背景

研究區包括秦嶺造山帶及其鄰區和華北克拉通（五台山和內蒙古）。系統採集樣品的地質單元主要是前寒武紀基底和不同時代的侵入體，其變質程度包括榴輝岩相、麻粒岩相、角閃岩相和綠片岩相岩石，它們可以作為地殼主要岩類的代表（表1）。選取新鮮、肉眼見不到裂隙和無次生變化的岩石進行實驗。每個實驗樣品還配套進行顯微觀察、密度測定和岩石化學分析。對實驗產物還進行了鏡下鑒定和電子探針分析。

表1採集實驗樣品的地質單元

3實驗方法

實驗是在中國科學院地球化學研究所地球深部物質實驗室完成的。YJ-3000t六面頂靜態超高壓裝置可以在給定的時間內（幾分鍾至100小時）在腔體內產生高達6.0GPa同時1600℃的溫度和壓力。實驗樣品為長33mm、直徑12mm的圓柱體，葉蠟石粉壓塊作為傳壓介質。圓柱狀的樣品由3層不銹鋼箔加熱器包卷置於葉蠟石粉壓塊中。樣品室的溫度由已標定的功率—溫度工作曲線得出。高溫高壓條件下樣品的波速由彈性波發射和接收裝置所獲得的數值信號計算得出。實驗和計算方法詳見謝鴻森等^[17]和Xu等^[18]。

為模擬研究區地殼和上地幔的實際溫度和壓力條件，依據各構造單元的不同地溫分布曲線給出的壓力（P）和溫度（T）的對應關系^[7]，在p、T同步增加的條件下，測出每個樣品在一系列p（達3.0GPa）、T（達1500℃）值下的縱波波速V_p值。不銹鋼箔加熱器在溫度上升達到其熔點後會熔斷，因此每個樣品的加溫加壓過程即以加熱器熔斷為終結，每個樣品實驗終結時的壓力和溫度各不相同，最高的分別可達3GPa和1500℃，普遍都超過了1000℃和1GPa。取地壓增加梯度為0.03GPa/km，將壓力p（GPa）換算成深度h（km），獲得的大量數據表示於V_p—h圖中。

4岩石高溫高壓實驗縱波速一般特徵

圖1給出了6個樣品的V_p—h關系。各類岩石樣品的V_p值隨深度h增加表現出3段特徵，在第一段0～10km深度范圍內，V_p值快速增加，表明0.3GPa的壓力已使岩石內部裂隙基本閉合。在第二段10～30km深度，V_p值仍隨深度增加而增大，但增加的幅度減弱，幾乎所有樣品都在750～920℃和0.63～0.90GPa（相當於21～30km）范圍內達到了最大值V_p.max，第2段的縱波波速特徵（dV_p/dh和V_p,max的大小）可以代表各類岩石樣品的本質特性。第3段，即V_p值達到最大值V_p,max之後的變化呈現兩種趨勢，第1種是基本上隨壓力增大，V_p值恆定於V_p,max值附近；第2種是從V_p,max值開始逐漸下降，在1100～1200℃和0.99～1.50GPa（約33～50km），有54個樣品顯示了這類現象，占總數的1/3以上，我們將這種達到V_p,max值之後又下降的現象稱為縱波低速現象。這種現象對解釋地殼低速層的成因提供了重要的實驗依據。

圖1部分實驗樣品的V_p—h圖

1—大河群基性麻粒岩；2—秦嶺群斜長角閃岩；3一秦嶺群大理岩；4—甘溝石英閃長岩；5—寬坪群雲母石英片岩；6—伏牛山花崗岩

5出現縱波低速現象樣品的特徵

具有縱波低速現象的54個樣品的特徵總結在表2中，其中5個樣品的V_p—h關系見圖2。對實驗產物進行了鏡下觀察和電子探針分析，以求發現導致縱波低速現象的原因。

表2實驗岩石縱波低速現象統計表

續表

① 岩石樣品所達到的縱波最大值V_p,max及其對應的壓力和溫度；②岩石樣品所達到的縱波最小值V_p,min及其對應的壓力和溫度；③岩石V_p值下降幅度，ΔV_p=V_p,max—V_p,min；④岩石V_p值下降百分率，ΔV_p=（△V_p/V_p,max）×100%。

54個出現縱波低速現象的樣品，主要是斜長角閃岩、石英閃長岩、麻粒岩、輝長岩、大理岩、雲母斜長片岩等。除大理岩等極少數樣品外，絕大多數樣品含有角閃石或黑雲母。若從實驗的138個樣品來看，含有角閃石的各種岩類都出現了縱波低速現象。

圖2出現縱波低速現象的樣品的V_p—h圖

圖例中的樣號同表2中序號一致

絕大多數樣品在750～920℃、0.63～0.90GPa（約21～30km）范圍內達到最大值V_p,max，之後在1100～1200℃、0.99～1.50GPa（約33～50km）范圍內降至最小值V_p,min。設下降幅度△V_p=V_p,max—V_p,min，則有7個樣品的△V_p值超過1.0km/s（表2），它們是2個斜長角閃岩、2個變基性火山岩、1個輝長岩、1個麻粒岩和1個大理岩。從降低程度來看，V_p,min值比V_p,max值最多降低達到21%（樣品號5和37）。三種主要類型岩石的特徵描述如下：

含角閃石或黑雲母的岩類：全部實驗樣品中，含有角閃石或黑雲母的岩石樣品都出現了縱波低速現象；我們可以看到在角閃石或黑雲母的邊部有熔融玻璃（例如18號樣品）。熔融玻璃出現在角閃石（或黑雲母）和淺色礦物（斜長石或石英）的邊界上，並呈無色、棕色或淡黃色。熔融玻璃約占整個樣品的5%～10%。電子探針結果發現了有的角閃石已脫水、相變形成了輝石（例如樣品39）^[20]。

大理岩：實驗樣品中的大理岩都出現了縱波低速現象。樣品均由原來的淺色或無色變成了綠色或深綠色。有的樣品出現了小氣孔（小於1mm），這可能是其中的碳酸鹽類礦物（方解石或白雲石）釋放出二氧化碳後的殘余結構。鏡下顆粒之間出現大量的黑色全消光物質，可能是碳酸鹽類礦物相變的產物^[20]。

花崗岩：圖3是部分花崗岩的V_p—h關系，其中未發現縱波降低現象。花崗岩樣品中不含角閃石或只含少量黑雲母，實驗產物中除了發現有大量裂隙外，無明顯變化，而且未發現熔體。我們可以認為在花崗岩類樣品中，由於無或只有少量的含水礦物，使得產物中沒有出現脫水、相變或部分熔融。

以上討論可以簡單總結為，碳酸鹽類礦物的去氣作用和相變導致大理岩的縱波低速，並遺留了一些氣孔；而在存在含水礦物的岩石中，縱波低速則是由脫水、相變和部分熔融引起的。

圖3部分花崗岩樣品的V_p—h圖

LZ1-3—二朗坪黑雲母花崗岩；LZ2-3—滿子營黑雲母花崗岩；LH-6—老虎溝花崗岩；DL-2—黃陵花崗岩；EL-7—二里壩奧長花崗岩；WJ-1—王家會花崗岩

6討論

已有的大量研究結果表明，在室溫條件下，岩石的V_p值隨外加壓力的增大而單調增加或基本恆定在某個值，而在恆壓升溫實驗中，隨著溫度的增加而降低。因此外加溫度無疑是導致岩石波速下降的根本原因^[1,4,11]。

許多研究者解釋了岩石波速隨溫度增加而降低的原因，Kern^[10]在壓力小於0.6GPa條件下實驗證實礦物的顆粒邊緣的裂隙會因熱膨脹而張開；Christensen^[1]則認為礦物顆粒邊緣的孔隙在1GPa以上對波速的影響很小，即在地殼深處條件下，裂隙的作用不再是重要的。其他的實驗結果支持礦物脫水和相變是引起岩石波速下降的重要原因，如石英岩或富硅質的岩石在接近石英α—β相轉變的溫度范圍時岩石波速的急劇下降^[10]。本文實驗結果進一步證明在富含角閃石或黑雲母的岩石中，脫水、相變和部分熔融可以導致整個岩石的波速降低。

本文的實驗試圖模擬地殼深部的溫壓狀態，即在波速測定過程中，溫度和壓力同時上升，岩石樣品在外加壓力逐漸增大的過程中，礦物邊緣的熱膨脹引起裂隙張開已變得十分困難。138個樣品的實驗產物中都發現了存在不同規模的裂隙，不僅在出現低速現象的54個樣品中，而且在沒有出現低速現象的樣品（如花崗岩）中裂隙似乎更多，因此裂隙似乎不是引起岩石波速下降的決定性因素。實驗中出現低速現象的樣品均為含有角閃石或黑雲母的（大理岩除外），對實驗產物電子探針分析結果表明已出現了角閃石—輝石相變。

脫水對熔融的發生起了促進作用。以本次實驗的花崗岩為例，外加的溫壓條件已處於其液相線之上，但鏡下鑒定未發現其產生部分熔融，也沒有出現縱波低速現象。由此看來，或者外加水，或者岩石含有飽和水（水以OH^-形式存在於含水礦物中）對岩石中熔融的發生有十分重要的作用。出現低速現象的樣品除大理岩外，都有含水礦物（角閃石或黑雲母），脫水早於部分熔融，並成為後者的先決條件。部分熔融的出現又進一步降低了岩石的波速。地殼中、下部產生部分熔融，或規模不等的岩漿房、岩漿層，從物理性質上也可滿足低速高導層的條件。如東非裂谷（肯亞）、美國黃石公園等地的地震層析成像所探測到的地殼低速體就被認為是部分熔融物質^[15]。

實驗岩石的脫水作用的發生，以該岩石最大波速所對應的溫壓條件作為起始條件，對含角閃石的岩石來說，起始溫壓多集中在700～800℃、0.6～0.7GPa；降至波速最小值可能對應著礦物脫水程度最高和出現相當數量的部分熔融。

上述討論表明，礦物脫水相變及由之誘發的部分熔融確實是岩石出現低速現象的原因，另據其他研究者的實驗結果^[5]，礦物脫水相變、岩石部分熔融時其電導率明顯增加，這樣上述過程可以同時導致岩石低速和高導現象。

秦嶺地區和華北內蒙古、五台山地區的中、下地殼物質組成和熱狀態同本文中出現低速現象的實驗條件是可以類比的。研究區的中、下地殼以達到角閃岩相的岩石（如斜長角閃岩、變基性火山岩等）為重要的岩石類型，而且大量存在以角閃石為主的含水礦物^[6,16]。已有研究成果揭示出，秦嶺和華北地區均為高熱流區。地溫分布曲線顯示^[7]，中、下地殼可以達到本次實驗中角閃石脫水的起始溫壓條件（約700℃、0.6GPa）。至少有兩種可能性存在，一種是部分中地殼本身發生了礦物脫水相變和少量部分熔融，形成低速高導層；另一種可能是類似Etheridge等^[3]的研究結果，即礦物脫水相變和部分熔融發生於中地殼的底部或者下地殼，所產生的高溫高壓水或部分熔融物質上升至中地殼並被上覆的蓋層圈閉引起了低速高導層。因此以角閃石為主的脫水相變或由之引起的岩石局部熔融是研究區內產生地殼低速層的重要原因之一。

7結論

對54個實驗樣品的礦物組成和顯微結構的研究表明，礦物脫水相變和由它誘發的部分熔融是岩石出現縱波低速現象的原因。礦物脫水相變或部分熔融是導致秦嶺和華北地區，也可能是世界許多地區，存在地殼低速高導層的一個重要原因。

為同時解釋低速和高導這兩種性質的成因，在下一步工作中需要進行高溫高壓條件下岩石波速和電導率的綜合測量，並進行多次平行實驗和多次採集實驗產物，以更好地限制實驗中相變、熔融等發生的確切過程。

致謝歐陽建平教授、胡以鏗、張宏飛、許繼峰副教授和周文戈博士提供部分樣品，同劉慶生副教授進行了有益的討論，鄧晉福教授和F.Wenzel教授提供了熱情幫助，作者表示感謝。

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