MT约束的青藏高原东南缘上地幔热结构研究——以兰坪-贵阳剖面为例.pdf

书书书第 卷 第期 年月地球物理学报 ，王雪雨，朱涛，郭颖星 约束的青藏高原东南缘上地幔热结构研究 以兰坪贵阳剖面为例地球物理学报，（）：，：，：犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犑犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊（），（）：，：犕犜约束的青藏高原东南缘上地幔热结构研究 以兰坪贵阳剖面为例王雪雨，朱涛，郭颖星中国地震局地球物理研究所，北京 摘要青藏高原东南缘是青藏高原软弱物质运移的关键位置，研究其深部结构有助于理解青藏高原的扩张机制本文利用穿过青藏高原东南缘的一条起始于兰坪思茅块体，穿过川滇菱形块体，终止于华南块体的长约 的大地电磁测深（）剖面的电阻率结构，基于上地幔矿物和熔融体温度与电导率的关系，获得了研究区上地幔温度结构与熔融百分比分布结果表明，采用随深度变化的含水熔融上地幔矿物组分模型才能合理地获得整个上地幔温度；上地幔全岩含水量约 （深度）（深度），矿物熔融百分比约 之间，并在 深度附近出现了较明显的局部熔融带；上地幔温度位于 之间，随深度加深而逐渐增加；以浅的温度表现出相对强烈的横向变化，且川滇和兰坪思茅块体的上地幔温度和矿物熔融百分比的深度平均值明显高于华南块体关键词青藏高原东南缘；上地幔；热结构；熔融百分比 ：中图分类号 ，收稿日期 ，收修定稿基金项目中国地震局地球物理研究所自主立项项目和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（）共同资助第一作者简介王雪雨，男，年生，硕士研究生，主要从事地球内部物理方面研究 ：通讯作者朱涛，男，年生，中国地震局地球物理研究所研究员，博士生导师，主要从事地幔动力学模拟，以及电阻率层析成像方法和应用研究 ：犝 狆 狆 犲 狉 犿 犪 狀 狋 犾 犲 狋 犺 犲 狉 犿 犪 犾 狊 狋 狉 狌 犮 狋 狌 狉 犲 犻 狀 狋 犺 犲 狊 狅 狌 狋 犺 犲 犪 狊 狋 犲 狉 狀犿 犪 狉 犵 犻 狀狅 犳 狋 犺 犲犜 犻 犫 犲 狋 犪 狀犘 犾 犪 狋 犲 犪 狌 犻 狀 犳 犲 狉 狉 犲 犱犳 狉 狅 犿 犕犜：犃犮 犪 狊 犲 狊 狋 狌 犱 狔狅 狀犔 犪 狀 狆 犻 狀 犵 犌 狌 犻 狔 犪 狀 犵 狊 犲 犮 狋 犻 狅 狀 ，犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲 狅 犳犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊 犻 犮 狊，犆 犺 犻 狀 犪犈 犪 狉 狋 犺 狇 狌 犪 犽 犲犃 犱 犿 犻 狀 犻 狊 狋 狉 犪 狋 犻 狅 狀，犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 ，（），地 球 物 理 学 报（）卷 ；（）（），；，；，犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊 ；引言青藏高原东南缘是软弱物质运移、运动方向转换（由 南 南 东 向 南 转 换）的 关 键 位 置（，；，；，；，）因此研究青藏高原东南缘的上地幔热结构，对于理解和探讨该区域的地幔温度分布及其熔融状态具有重要意义，并可为研究地壳内部的温度结构提供下边界约束以及利用地球动力学模型来模拟研究地壳和地幔之间的相互作用（朱涛等，）提供基础资料近年来针对青藏高原东南缘开展了一系列深部结构探测工作一些研究者使用地震波层析成像（，；，；，；，；，；王椿镛等，；李永华等，；胥颐等，；郑晨等，；张智奇等，）方法揭示出该区域地壳内部存在低速异常带 探测结果表明该区域中下地壳普遍存在低阻高导层（，；，；，；金胜等，；程远志等，）一些研究者利用重力学方法进行了研究，结果表明该区域中下地壳存在低密度异常区域（，；，；，）这些研究结果均表明了青藏高原东南缘地壳存在软弱物质，但对于软弱物质的来源 来自青藏高原内还是原地生成尚存在争议大多数研究者认为研究区内的低阻低速层是由青藏高原内部经下地壳流迁移至此（，；，；，；，；，；，；，；，；王椿镛等，；李永华等，；金胜等，；胥颐等，；程远志等，；张智奇等，），也有一些研究者认为研究区内的低阻低速层是由上地幔物质上涌导致的（毕奔腾等，；，）研究青藏高原东南缘的热结构，分析该地区地下温度结构与岩石熔融状态，可为研究壳幔结构和探讨物质运动机制等提供帮助地球内部的温度结构对于研究地球物理学和地球动力学非常重要所有关于上地幔岩石学、流变学和动力学的解释都取决于对上地幔热结构的认识程度（徐义刚等，）目前有直接与间接方法用来获取地球内部的温度直接方法一般采用钻孔测温方法，通过钻孔可以准确地测量地球内部的温度，但由于该方法测量深度浅、测点分布不均匀、钻孔耗资较高等局限性，所以难以获得地球深部的温度间接方法有地热学、岩石矿物学、地球物理学方法，可以间接获取地球内部的温度（，）显然，对于上地幔热结构，只能采用间接方法来获得随着高温高压实验技术的长足进步，推动了电导岩石学物理实验的迅猛发展，通过对地幔岩石、矿物、熔融体等不同成分电导率进行大量研究，积累了丰富的实验数据，建立了电导率与温度、压力、含水量和熔融百分比等物理参数之间的定量关系将这些定量关系与所获得的电阻率分布相结合，可以推断上地幔电导率随温度、熔融百分比等的分布状况一些研究者基于这一思路开展了地球上地幔热结构的研究 和 （）在假设上地幔主要由方辉橄榄石和二辉橄榄岩构成，考虑上地幔岩石仅为固态的情况下，基于加拿大北部一条长约 的所获得的电阻率剖面，采用 （）边界条件（，）作为约束，推断其上地幔温度介于 之间 和 （）在假设上地幔主要由石榴石二辉橄榄岩构成的前提下，综合考虑了上地幔岩石为固态、含水及玄武质岩浆熔融体存在的情况下，基于日本西南部九州俯冲带深度为 的三维电阻率模型，在 条件的约束下，推期王雪雨等：约束的青藏高原东南缘上地幔热结构研究 以兰坪贵阳剖面为例断了其上地幔温度以及熔融百分比分布研究结果表明干地幔与湿地幔温度分别介于 及 无论是对于干地幔还是湿地幔，在火山区下方的上地幔熔融百分比均可高达，而在非火山区上地幔熔融百分比通常小于 李宝春等（）采用与 和 （）相同的矿物模型和边界约束条件，基于穿过青藏高原东缘的一条长约 的剖面的电阻率结构，推断在松潘甘孜地块上地幔温度介于 之间，熔融百分比达；龙门山断裂带以东、四川盆地西缘上地幔温度介于 之间，熔融百分比介于 ；龙门山断裂下方上地幔温度在 附近，基本没有局部熔融；四川盆地东部上地幔温度介于 之间，没有发生局部熔融在本文的研究中，也采用了基于电导岩石学物理实验建立的矿物电导率与温度、压力、含水量和熔融百分比等参数之间的定量关系及获得的电性结构来推断上地幔温度结构在前人（，；，；李宝春等，）的研究中，采用了来自大陆和俯冲带的上地幔岩石矿物组分来构建上地幔矿物组分模型，这对于我们研究位于大陆内部的青藏高原东南缘的上地幔温度结构来说，显然是不合适的因此，我们首先搜集了大陆上地幔岩石样品的矿物组分实验测量结果，建立了适合于大陆的矿物组分模型；然后基于研究区域内一条长约 的剖面（图）的电阻率结构，推断了研究区域的上地幔热结构，并在此基础上探讨了其地球动力学意义图青藏高原东南缘地质构造与大地电磁测线分布图蓝色圆点为测点位置，白色圆点代表峨眉山大火成岩省内带、中带的分布边界，黑色实线为断裂带：怒江断裂；：澜沧江断裂；：红河断裂；：龙蟠乔后断裂；：鹤庆洱源断裂；：程海断裂；：元谋断裂；：易门断裂；：普渡河断裂；：小江断裂；：威宁水城断裂 兰坪思茅块体；川滇菱形块体；华南块体 ；：；：；：；：；：；：；：；：；：；：；：；研究方法 上地幔矿物组分模型 （）较早提出了上地幔的矿物组分模型他假设上地幔由 的橄榄石（）、的斜方辉石（）、的单斜辉石（）和 的石榴子石（）组成这一模型经过多年的研究与修正，现如今国际地学界广泛接受的上地幔矿物组分模型为 的橄榄石、斜方辉石、的单斜地 球 物 理 学 报（）卷辉石和 的石榴子石（张乐天等，）由于这个模型是基于陆缘和俯冲带下地幔矿物样品的实验结果，所以更适合应用于研究包括大陆俯冲带的地幔热结构本文研究区域位于青藏高原东南缘，是大陆地区，显然使用既包含大陆又包含俯冲带的实验数据来构建矿物模型是不太合理的为获得更适合本文研究区域的上地幔矿物组分模型，我们首先搜集了来自于大陆上地幔的高温高压岩石实验矿物组分测量结果（表）；然后计算了实验测量的矿物组分含量的算术平均值；最后根据岩石中矿物组分含量之和为 进行归算，获得的上地幔矿物组分模型为 的橄榄石、的斜方辉石、的单斜辉石和的石榴子石该模型与李宝春等（）在研究青藏高原东缘的上地幔热结构时所采用的 和 （）利用包含了大陆与俯冲带岩石样品数据获得的上地幔矿物组分模型（，）存在一定的差异确定矿物组分模型后，将根据各矿物组分的电导率与温度关系（节）计算各矿物组分的电导率表大陆上地幔岩石样品的矿物组成犜 犪 犫 犾 犲犜 犺 犲犿 犻 狀 犲 狉 犪 犾 犮 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犻 狅 狀狅 犳 狉 狅 犮 犽狊 犪 犿 狆 犾 犲 狊 犮 狅 犾 犾 犲 犮 狋 犲 犱犳 狉 狅 犿犮 狅 狀 狋 犻 狀 犲 狀 狋 犪 犾 狌 狆 狆 犲 狉犿 犪 狀 狋 犾 犲样品（）（）（）（）数据出处 （，）（，）（，）注：样品数据来自 等（）对大陆捕虏体测定上地幔矿物实验结果样品数据来自 等（）对莱索托、罗得西亚、南非和坦桑尼亚金伯利岩中 块捕虏体测定上地幔矿物的平均实验结果样品数据来自 和 （）利用大陆捕虏体测定上地幔矿物实验结果 上地幔矿物电导率与温度关系对于本文所使用的上地幔矿物组分模型中的四种矿物组分，采用了前人根据高温高压实验结果所获得的各种矿物组分电导率的计算公式对于含水与不含水条件下橄榄石（）的电导率（，）：犻 犎犻（）犽 犜犺 犎犺（）犽 犜狆犆 犎狆 犆（）犽 犜，（）其中，下标犻、犺、狆表示三种不同的半导体导电机制，分别对应着离子传导、小极化子传导、质子传导；为指前因子；犎为活化焓；犆为含水重量百分比；是几何因子；犽为玻耳兹曼常数 ；犜为温度（）对于含水与不含水条件下斜方辉石（）的电导率（，）：犺 犎犺（）犽 犜狆犆狑 犎狆 犆狑（）犽 犜，（）对于含水与不含水条件下单斜辉石（）的电导率（，）：犺 犎犺（）犽 犜狆犆狉狑 犎狆（）犽 犜，（）其中，指数狉为常数对于含水与不含水条件下石榴子石（）的电导率（，）：犺 犎犺犘 犞（）犽 犜狆犆狉狑 犎狆犘 犞（）犽 犜，（）其中，犘为压力（）；犞和犞为摩尔体积（）本文采用了犘犵 犺来计算压力为密度（），从 模型（，）获得，犵为重力加速度，其值为 ；犺为深度（）式（）（）中所采用的各参数取值见表 混合模型选取电导岩石学通常对单一矿物进行电导率测定，而天然岩石样本并非单一矿物组成实验室常使用分离法测定全岩电导率，但由于岩石中的矿物组分构成不均匀以及颗粒大小不统一，且岩石样品体积太小并不能代表岩石的整体，因此分离法并不能准确地计算混合体系的整体电导率因此考虑由多种矿物组分组成的上地幔矿物混合模型，才能更准确地计算上地幔整体的电导率（杨晓志，）本文上地幔矿物混合模型为 的橄榄石、的斜方辉石、的单斜辉石和的石榴子石上地幔矿物混合模型的电导率可利用串并联公式、阿尔奇公式（，）、公式（）（，）来进行计算在这些方法中，利用根据变分原理严格推导的 公式（）的计算方法相对稳健可靠，且具有普适性 犖犻狏犻犻 ，（）其中，代表着上地幔岩石电导率的最大值（）和最小值（），狏犻为上地幔矿物混合模型中矿物组分的体积百分含 量，犻为 上地 幔 岩 石中 的每一种矿物组分，即、，犖为上地幔矿物的总数，代表着四种矿物中电导率的最大（）、最 小 值（），犻为 各 矿 物 组 分 的 电导率期王雪雨等：约束的青藏高原东南缘上地幔热结构研究 以兰坪贵阳剖面为例表上地幔主要组成矿物电导率温度计算公式参数取值犜 犪 犫 犾 犲犘 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉狏 犪 犾 狌 犲 狊狅 犳 犮 犪 犾 犮 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀犳 狅 狉 犿 狌 犾 犪 犳 狅 狉犮 狅 狀 犱 狌 犮 狋 犻 狏 犻 狋 狔犪 狀 犱狋 犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲狅 犳犿 犪 犻 狀犿 犻 狀 犲 狉 犪 犾 狊 犻 狀狌 狆 狆 犲 狉犿 犪 狀 狋 犾 犲橄榄石（）（，）斜方辉石（）（，）单斜辉石（