商詠梅 周永勝 馬璽

松遼盆地是中國東部晚中生代裂谷盆地群中發(fā)育最早(Renetal., 2002)、保存最完好的盆地,是中國東部巖石圈減薄的中心之一(Lietal., 2021)。圍繞松遼盆地的地震波各向異性測量結(jié)果為研究松遼盆地巖石圈地幔變形提供了條件,以往多采用SKS波分裂(S為剪切波、K為穿過外核的縱波,SKS wave splitting)研究大陸上地幔的各向異性特征,遠震SKS波穿過下地殼和地幔各向異性層,分裂成不同速度傳播的快波和慢波,快波偏振方向平行于地幔流動方向,快波、慢波延遲時間差依賴于上地幔的各向異性強度與各向異性層的厚度。已有研究表明,地震波各向異性主要由巖石圈內(nèi)造巖礦物的晶格優(yōu)選方位(Crystallographic Preferred Orientation, CPO)引起。在構(gòu)造應力作用下,礦物發(fā)生塑性變形形成CPO,導致巖石圈具有地震波各向異性。因此,通過SKS波分裂測量結(jié)果可建立起巖石圈變形與各向異性之間的關系(Nicolas and Christensen, 1987; Silver and Chan, 1991; Tommasietal., 1999)。

圍繞松遼盆地已進行的大量SKS波分裂測量,獲得了地幔變形結(jié)構(gòu)特征(Liuetal., 2008; Li and Niu, 2010; 強正陽和吳慶舉, 2015; Shietal., 2015; Chenetal., 2017; Lietal., 2017; 魯明文等, 2019; Bietal., 2020)。結(jié)果顯示在松遼盆地內(nèi)部,以N45°～N46°為界,其南北兩側(cè)的SKS快波方向不同,在北側(cè),SKS的快波方向為NNW-SSE向,與其東側(cè)的三江盆地一致;在中部(N45°～N46°),SKS快波方向近E-W向;而在南側(cè),SKS的快波方向既有NW-SE向,又有NE-SW向(Chenetal., 2017; Lietal., 2017; 魯明文等, 2019)(圖1)。固定臺站的觀測結(jié)果顯示松遼盆地各向異性強度表現(xiàn)為西部較弱,而中部和東部相近且較強(魯明文等, 2019)。

圖1 中國東北地區(qū)構(gòu)造分區(qū)簡圖(據(jù)Yu et al., 2010; Hao et al., 2016; Li et al., 2017修改)

不同學者對圍繞松遼盆地的地震波各向異性的來源存在爭議。部分學者提出,巖石圈早期伸展變形導致的殘留各向異性可以解釋中國東北地區(qū)的NW-SE向的SKS測量結(jié)果(Li and Niu, 2010; 強正陽和吳慶舉, 2015; Chenetal., 2017)。Liuetal.(2008)認為SKS測量結(jié)果可以由太平洋板塊內(nèi)亞穩(wěn)態(tài)的橄欖石的CPO解釋,也可以由板塊之上地幔楔中的弧后軟流圈的流動來解釋。對于大興安嶺南側(cè),松遼盆地西南部的復雜SKS觀測結(jié)果,Lietal.(2017)認為是由于長白山火山下面的地幔上升流觸發(fā)了松遼盆地南部的地幔下沉,Chenetal.(2017)認為是該區(qū)域下方正在進行的巖石圈拆離引起。

由此可見,松遼盆地的地震波各向異性具有復雜的特性,由于缺乏深部巖石變形方面的研究來約束地球物理測量結(jié)果解釋的合理性,制約了人們理解該地區(qū)的巖石圈變形動力學過程。變形導致的橄欖巖各向異性是上地幔各向異性的主要來源(Mainpriceetal., 2000; Jung, 2009)。橄欖石作為上地幔最主要的礦物,其發(fā)生塑性變形形成的CPO是解釋上地幔地震波的各向異性的基礎。野外觀察和實驗研究表明,橄欖石作為控制上地幔變形速率的礦物(Jinetal., 1989),其不同CPO的形成可能與上地幔地球動力學過程密切相關。研究表明橄欖石的CPO可以分為A、B、C、D、E和AG六種主要類型(Jungetal., 2006; Karatoetal., 2008; Tommasietal., 1999, 2000, 2008),主要受應力、水含量,溫度,壓力和熔體的影響(Jung and Karato, 2001; Jungetal., 2006; Holtzmanetal., 2003; Couvyetal., 2004; Mainpriceetal., 2005; Higgie and Tommasi, 2012, 2014)。其他因素也會影響橄欖石CPO的形成,如應變(Hansenetal., 2014; Chatzarasetal., 2016; Bernardetal., 2019)、變形歷史(Boneh and Skemer, 2014)和變形機制(Précigout and Hirth, 2014)。因此,研究橄欖石的CPO可為上地幔的變形環(huán)境和變形特征提供指示。

由堿性巖漿快速上升攜帶至地表的地幔包體能夠很好地保留深部巖石圈地幔的變形特征,研究這些包體的成分和顯微構(gòu)造可以為巖石圈深部巖石學和構(gòu)造變形的研究提供最為直接的信息和證據(jù)。已有報道在松遼盆地南部雙遼火山群中產(chǎn)出大量的地幔橄欖巖包體(于宋月等, 2007; Yuetal., 2009, 2010; Haoetal., 2016),研究多以地球化學為主,缺乏來自構(gòu)造變形方面的研究。基于此,本文擬以松遼盆地南部雙遼火山群中地幔橄欖巖包體為研究對象,對其進行詳細的巖石學、地球化學、顯微結(jié)構(gòu)、各向異性研究,來約束新生代松遼盆地南部巖石圈地幔的變形環(huán)境及運動變形特征,結(jié)合地球物理測深資料,為松遼盆地復雜的地震波各向異性解釋提供約束。

1 地質(zhì)背景

雙遼火山群位于松遼盆地南部,由八座盾狀火山組成,包括大吐爾基山、小吐爾基山、敖寶山、勃勃圖山、玻璃山、大哈拉巴山、小哈拉巴山和石頭山,火山巖主要為碧玄巖和堿性橄欖玄武巖,其中敖寶山、勃勃圖山和玻璃山普遍包裹大量的地幔橄欖巖包體(高金亮等, 2017; 郭鵬, 2019)。本次研究的樣品采自雙遼火山群勃勃圖山(N43°33′13″、E123°32′28″)和玻璃山(N43°44′6″、E123°27′58″)碧玄巖中(圖1),火山圍巖年齡集中于始新世(51～41.6Ma)(劉嘉麒, 1999; Xuetal., 2012)。橄欖巖包體呈橢球形或扁圓形,包體長軸約3～10cm,塊狀構(gòu)造,中細粒-中粗粒結(jié)構(gòu),肉眼可見鮮綠色的橄欖石,未見明顯蝕變。本文共分析了9件包體樣品,橄欖巖含橄欖石(53%～85%)、斜方輝石(9%～26%)、單斜輝石(2%～19%)和尖晶石(<5%)(表1),根據(jù)包體樣品礦物含量確定的巖性為二輝橄欖巖和方輝橄欖巖。

2 研究方法

本次研究對所采集的地幔橄欖巖包體樣品進行了詳細的電子探針測試分析。電子探針測試分析在吉林大學地球科學學院自然資源部東北亞礦產(chǎn)資源評價重點實驗室完成,礦物成分測試儀器為JXA-8230型電子探針,加速電壓和電子束電流分別為15kV和1.02×10-8A,束斑直徑0.5μm,采用美國SPI公司的硅酸鹽礦物及氧化物標樣,應用ZAF氧化物修正法校正。主要測試分析礦物為橄欖石、單斜輝石、斜方輝石和尖晶石,各種礦物的電子探針測試結(jié)果見表2。

巖石包體樣品中礦物的CPO測量在中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學國家重點實驗室完成,使用Zeiss Sigma掃描電鏡及Oxford Aztec軟件進行EBSD測量分析。將巖石薄片精細拋光后置于20kV的掃描電鏡電子束電壓下,采用巖石包體薄片大面積自動掃描技術(shù),掃描步長約18～30μm。本次研究樣品均為地幔巖石包體,無法直觀地獲得宏觀面理和線理。在標準礦物的選擇上,已有研究表明自然界中斜方輝石存在7種CPO類型,分別為AC、AB、BC、ABC、CA、CB和BA型,并存在斜方輝石的CPO“模仿”橄欖石的CPO情況(Bernardetal., 2021),結(jié)合雙遼地區(qū)地幔橄欖巖存在熔體交代作用(Yuetal., 2009),熔體-巖石反映結(jié)構(gòu)指示存在Opx+Sp+熔體(Ⅰ)→Cpx+Ol+熔體(Ⅱ)(于宋月等, 2007),故本次研究沒有選擇以斜方輝石或單斜輝石的CPO為標準進行組構(gòu)旋轉(zhuǎn)。在數(shù)據(jù)處理時結(jié)合巖石薄片的線理方向進行參考,選擇以橄欖石的CPO為參照礦物進行CPO極圖旋轉(zhuǎn),使橄欖石[100]軸的極密平行于E-W(X)方向,橄欖石的[010]軸的極密平行于N-S(Z)方向。

巖石包體樣品中礦物百分比由EBSD圖像計算得出(表1)。地幔橄欖巖中礦物組構(gòu)強度以J值(Bunge, 1982)和M值(Skemeretal., 2005)表征,以BA值來表征橄欖石CPO對稱性(Mainpriceetal., 2015),其中P和G是用來描述[100]和[010]軸分布參數(shù)(P表示點,G表示環(huán)帶)(Vollmer, 1990)。依據(jù)BA值將橄欖石CPO分為三類:(1)fiber-[010]組構(gòu)(AG型),CPO以[010]軸點極密和[100]和[001]軸環(huán)帶分布為特征(BA<0.35);(2)斜方對稱型組構(gòu),CPO以[100]、[010]和[001]軸呈現(xiàn)點極密為特征(0.350.65)(Liuetal., 2019)。

依據(jù)巖石包體中主要礦物的單晶體彈性常量、CPO和礦物(橄欖石、斜方輝石、單斜輝石)百分比來計算地震波性質(zhì)(Mainprice and Humbert, 1994; Mainprice, 2007)。利用MTEX軟件計算地幔橄欖巖中主要礦物CPO極圖、M值、J值、BA值以及地震波參數(shù)包括VP、VS,各向異性參數(shù)AVP(AVP=2×100%×(VPmax-VPmin)/(VPmax+VPmin))、AVS(AVS=2×100%×(VS1-VS2)/(VS1+VS2))等(Bachmannetal., 2010; Mainpriceetal., 2011; https://mtex-toolbox.github.io/)。

3 研究結(jié)果

3.1 顯微結(jié)構(gòu)特征

在偏光顯微鏡下,橄欖巖顯示粗粒-殘斑狀、粗粒-原生粒狀、扁平-等粒狀結(jié)構(gòu)(表1)。橄欖石和輝石顆粒粒徑一般在0.5～5mm之間,大者可達6～8mm,裂隙發(fā)育,有些礦物顆粒出現(xiàn)壓扁拉長定向的變形特征。

在粗粒-殘斑狀橄欖巖中,橄欖石和斜方輝石顆粒邊界較平直,可見不規(guī)則形狀橄欖石和輝石,部分大顆粒橄欖石和斜方輝石拉長定向,粒徑約0.5～8mm。橄欖石保存亞顆粒邊界(圖2a-c),可見120°三聯(lián)點、大顆粒斜方輝石包裹橄欖石小顆粒(圖2b-e)、斜方輝石和橄欖石港灣狀顆粒邊界(圖2d, e),及他形尖角狀斜方輝石(圖2b, e)。

圖2 雙遼地區(qū)橄欖巖包體正交偏光下顯微結(jié)構(gòu)圖

在扁平-等粒狀結(jié)構(gòu)橄欖巖中,橄欖石和輝石顆粒邊界較平直,部分顆粒拉長定向排列,粒徑約0.5～3mm。橄欖石保存少量的亞顆粒邊界,可見120°三聯(lián)點、大顆粒斜方輝石包裹橄欖石小顆粒(圖2f)。在粗粒-原生粒狀橄欖巖中,靜態(tài)重結(jié)晶作用明顯,橄欖石和輝石顆粒邊界平直,粒徑約0.5～5mm,部分橄欖石保存亞顆粒邊界(圖2g),可見大顆粒橄欖石包含斜方輝石(圖2g)、120°三聯(lián)點(圖2g-h)和四聯(lián)點(圖2h)。在橄欖巖包體中,單斜輝石和尖晶石顆粒較小,多充填在其他礦物粒間。尖晶石呈他形粒狀(圖2i),在部分橄欖巖包體中可定向延伸形成線理。

3.2 地球化學特征

電子探針分析結(jié)果顯示,包體中橄欖石的Mg#[Mg#=100×Mg/(Mg+Fe)]變化范圍在90.23～91.87(表2)之間,含0.02%～0.10% CaO(圖3a)。斜方輝石含有2.16%～4.85% Al2O3、0.49%～1.08% CaO和0.04%～0.12% TiO2,Al2O3的含量與TiO2的含量呈正相關(圖3b)。單斜輝石含有0.92%～1.44% Cr2O3、2.95%～6.40% Al2O3、0.05%～0.39% TiO2和0.94%～1.56% Na2O,Mg#與Al2O3的含量呈負相關(圖3c)。尖晶石中Al2O3和Cr2O3的含量分別為27.59%～54.14%和12.21%～38.75%(表2),Cr#變化范圍為13.15～48.52。橄欖巖中共存的尖晶石的Cr#和橄欖石的Mg#值關系以及較高的Cr#表明部分樣品經(jīng)歷了較高程度的部分熔融(10%～25%)(圖3d)。

圖3 雙遼橄欖巖包體的礦物化學成分圖

礦物微觀結(jié)構(gòu)和化學成分顯示,雙遼地區(qū)地幔橄欖巖為平衡狀態(tài),利用斜方輝石中鈣地質(zhì)溫度計獲得樣品的平衡溫度為893～1077℃,利用二輝石地質(zhì)溫度計獲得樣品的平衡溫度為950～1152℃(Brey and K?hler, 1990)(表2)。橄欖巖包體的平衡溫度結(jié)果顯示,本次研究計算結(jié)果與前人的研究結(jié)果相近(Haoetal., 2016; 郭鵬, 2019; 林阿兵, 2020)。

3.3 主要礦物的CPO類型

雙遼地區(qū)橄欖巖包體中橄欖石、斜方輝石和單斜輝石的CPO測量結(jié)果見圖4、圖5、表1。由測量獲得的CPO極圖可知雙遼地區(qū)橄欖巖包體中橄欖石的CPO分為A型、D型和AG型3種類型。AG型橄欖石CPO表現(xiàn)為[001]軸和[100]軸在面理內(nèi)形成環(huán)帶,[010]軸形成面理法線方向(Z)的點極密(圖4、表1)。A型橄欖石CPO表現(xiàn)為[100]軸形成與線理(X)方向平行的點極密,[010]軸形成面理法線(Z)方向的點極密,[001]軸形成面理內(nèi)與線理方向垂直的點極密(Y)(圖4、表1)。D型橄欖石CPO表現(xiàn)為[100]軸形成與線理(X)方向平行的點極密,[010]軸和[001]軸形成垂直于線理方向的環(huán)帶(圖4、表1)。橄欖石的組構(gòu)強度J值和M值范圍分別為1.87～53.93和0.05～0.48(表1),其中樣品BLS19-3的橄欖石組構(gòu)強度較強,可能源于樣品中粗粒橄欖石較多(Liuetal., 2019)。本次研究中顯示AG型、A型、D型CPO的橄欖石BA值范圍分別為0.23～0.3、0.44～0.58、0.66～0.75,與前人的研究結(jié)果相似(Tommasietal., 2016; Liuetal., 2019; Yangetal., 2019)。

圖4 EBSD測量獲得的雙遼地區(qū)橄欖巖包體中橄欖石的CPO圖像

圖5 EBSD測量獲得的雙遼地區(qū)橄欖巖包體中斜方輝石(Opx)和單斜輝石(Cpx)的CPO圖像

雙遼地區(qū)橄欖巖包體中的斜方輝石可識別出多種類型CPO。其中AC、BC、ABC型為常見的CPO類型(Jungetal., 2010),與橄欖石CPO一致,顯示斜方輝石的[001]軸和[100]軸(或[010]軸)的極密分別平行于橄欖石的[100]軸和[010]軸的極密方向,暗示斜方輝石和橄欖石同期變形。部分樣品中斜方輝石的CPO與橄欖石的CPO不一致,顯示斜方輝石[001]軸或[010]軸的極密位于面理法線方向,[100]軸的極密與線理方向一致,近似BA、CA型CPO(Bernardetal., 2021)(圖5)。

由于樣品中單斜輝石含量較少(表1),單斜輝石相對比橄欖石和斜方輝石表現(xiàn)出較分散的極密特征。大部分樣品中單斜輝石的CPO與橄欖石的CPO的變形一致,顯示[001]軸的極密平行于線理方向,[010]軸的極密位于面理法線方向(圖5)。樣品BBT19-11中單斜輝石的[001]軸的極密位于線理方向,[100]軸形成面理法線方向的點極密,顯示(100)[001]滑移特征。

3.4 地震波各向異性計算結(jié)果

由橄欖巖包體中主要礦物CPO和礦物含量百分比計算獲得的全巖地震波各向異性參數(shù)見圖6。橄欖巖包體樣品中,P波速度最大(VPmax)方向均位于面理內(nèi)與線理方向平行,P波速度最小(VPmin)方向均位于面理法線方向。樣品BLS19-8的P波速度最小(VPmin)方向位于面理內(nèi)與線理方向垂直(圖6)。全巖VPmean為8.24～8.44km/s,平均值為8.34km/s,VP各向異性(AVP)為4.79%～11.80%,平均值約為8.00%(表3)。

表3 雙遼地區(qū)地幔橄欖巖包體全巖地震波參數(shù)

全巖最大剪切波各向異性(AVSmax)方向位于面理面內(nèi),最小剪切波各向異性(AVSmin)方向與面理垂直或斜交(圖6)。樣品BLS19-8的AVSmax方向位于面理法線方向,AVSmin位于面理內(nèi)與線理方向平行。橄欖巖包體全巖最大剪切波各向異性(AVSmax)為3.13%～7.93%,平均約為5.54%(表3)。全巖的快剪切波(VS1)極化方向與線理的方向平行(圖6)。

4 討論

4.1 松遼盆地南部巖石圈地幔變形環(huán)境

雙遼地區(qū)橄欖巖包體中橄欖石的Mg#值(90.23～91.87)和低CaO成分暗示橄欖巖包體來源于上地幔(表2)。橄欖巖包體的平衡溫度為893～1152℃,位于尖晶石穩(wěn)定的地溫梯度范圍內(nèi)。通過松遼盆地的地溫曲線(Jiangetal., 2019)推測雙遼地區(qū)橄欖巖包體的來源深度約為50～75km。圍繞松遼盆地,接收函數(shù)結(jié)果顯示松遼盆地的巖石圈厚度約100～120km(Guoetal., 2015, 2016; Zhangetal., 2014),地殼厚度約27～35km(Taoetal., 2014; Zhangetal., 2014)。由此可知,雙遼地區(qū)橄欖巖包體來源于巖石圈地幔。

雙遼地區(qū)巖石圈地幔橄欖巖中橄欖石和輝石發(fā)育明顯的亞顆粒邊界特征,這表明橄欖巖的主要變形機制為位錯蠕變(圖2)。橄欖石和輝石的粗粒、多邊形邊界及120°三聯(lián)點特征表明,橄欖巖在變形后經(jīng)歷了較強的靜態(tài)重結(jié)晶。傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)測量結(jié)果顯示,中國東北地區(qū)新生代巖石圈地幔含水量較低(Haoetal., 2016)。雙遼地區(qū)巖石圈地幔橄欖巖中橄欖石的CPO主要顯示A型、D型和AG型CPO(圖4)。橄欖石A型CPO作為上地幔最常見的橄欖石CPO類型,多形成于高溫、低應力和低水含量的條件下(Isma?l and Mainprice, 1998; Jungetal., 2006; Karatoetal., 2008),由此推測,雙遼地區(qū)巖石圈地幔處于高溫、低應力和低水含量的變形環(huán)境,主要變形機制為位錯蠕變。

4.2 橄欖石CPO的形成機制

AG型和D型橄欖石CPO的成因比較復雜,其中AG型橄欖石CPO的成因包括:(1)在高溫/高壓/高水含量/低應力條件下(010)[100]和(010)[001]滑移系的同時滑移(Tommasietal., 2000; Mainpriceetal., 2005; Jungetal., 2014; Wangetal., 2016);(2)軸向縮短或轉(zhuǎn)換擠壓條件下的變形(Tommasietal., 1999);(3)熔體存在條件下的變形(Holtzmanetal., 2003; Higgie and Tommasi, 2012, 2014; Qietal., 2018),(4)靜態(tài)重結(jié)晶(Falusetal., 2008; Tommasietal., 2008; Zaffaranaetal., 2014)。D型橄欖石CPO多形成于:(1)巖石圈剪切帶低溫、高應力、低水含量條件下(Katayamaetal., 2004; Chatzarasetal., 2016; Park and Jung, 2017);(2)轉(zhuǎn)換伸展或壓縮變形體系下的變形(Tommasietal., 1999; Chatzarasetal., 2016)。由前文可知,雙遼地區(qū)巖石圈地幔處于高溫、低應力和低水含量的變形環(huán)境,主要變形機制為位錯蠕變,因此,排除AG型和D型CPO的第(1)種成因機制。

在巖石圈相同的變形結(jié)構(gòu)背景下,如軸向縮短或轉(zhuǎn)換擠壓下,地幔橄欖巖中橄欖石和斜方輝石的變形一致,導致橄欖石的[100]軸和斜方輝石的[001]軸在面理內(nèi)形成環(huán)帶(Tommasietal., 1999; Le Rouxetal., 2008; Bascouetal., 2008; Higgie and Tommasi, 2014; Yangetal., 2019)。在本次的研究結(jié)果中可見AG型和D型橄欖石的[100]軸和其對應的斜方輝石的[001]軸或[100]軸在面理內(nèi)形成的環(huán)帶這一現(xiàn)象(圖4、圖5)。松遼盆地的構(gòu)造變形主要受到古亞洲洋構(gòu)造體系和環(huán)太平洋構(gòu)造體系的影響,在中新生代,西太平洋板塊向歐亞大陸巖石圈下大規(guī)模的多期次、多角度深俯沖,導致松遼盆地經(jīng)歷了NWW-SEE向水平拉張、NWW-SEE向水平擠壓、NW-SE擠壓或伸展等構(gòu)造變形(葛榮峰等, 2010; 田有等, 2019),為AG型和D型橄欖石CPO的形成提供了可能。

雙遼地區(qū)橄欖巖包體的主要礦物成分顯示橄欖巖經(jīng)歷了不同程度的部分熔融(圖3d)。于宋月等(2007)研究表明雙遼地區(qū)的巖石圈地幔受到了硅酸鹽熔體的交代。橄欖巖包體中不規(guī)則的顆粒邊界、橄欖石和輝石的鑲嵌結(jié)構(gòu)、包含結(jié)構(gòu)以及亞顆粒邊界等顯微結(jié)構(gòu)(圖2)的存在說明熔體-巖石反應與位錯蠕變變形是同期的(Higgie and Tommasi, 2012, 2014)。斜方輝石顯示[001]軸的極密位于面理法線方向,[100]軸的極密與線理方向一致的CA型CPO(圖5),可能源于斜方輝石在熔體存在下的定向結(jié)晶(Chatzaras and Kruckenberg, 2021)。熔體存在下的變形可以使橄欖石的[100]軸和[001]軸的極密分散,在面理內(nèi)形成環(huán)帶(Holtzmanetal., 2003; Qietal., 2018)。Tommasietal.(1999) 的研究表明擠壓驅(qū)動下熔體的提取可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)換擠壓變形,使得在熔體區(qū)形成橄欖石AG型CPO(Higgie and Tommasi, 2012)。由此推測,AG型橄欖石CPO可能形成于熔體存在下的變形環(huán)境。

顆粒邊界的熔體促進顆粒擴散蠕變、顆粒邊界遷移和靜態(tài)重結(jié)晶,從而弱化橄欖石的CPO特征(Holtzmanetal., 2003; Jungetal., 2006; Soustelleetal., 2009)。本次研究中顯示AG型CPO特征的橄欖巖的靜態(tài)重結(jié)晶程度弱于顯示A型和D型CPO的橄欖巖(圖2),且橄欖石的J值和M值位于中等范圍(表1),故認為靜態(tài)重結(jié)晶不是形成AG型橄欖石CPO的主要形成機制。

4.3 松遼盆地南部巖石圈地幔各向異性分析

將由地幔橄欖巖包體計算獲得的巖石圈地幔平均各向異性與地球物理測量結(jié)果對比可以估計松遼盆地南部巖石圈地幔各向異性的來源。利用公式H=δt×VS/AVS(Silver, 1996),可對松遼盆地南部各向異性層的厚度進行估算。

松遼盆地南部巖石圈地幔中橄欖石的CPO主要為A型、D型和AG型(圖4),其中A型和D型橄欖石CPO的滑移方向均沿[100]軸方向,可以導致觀測到的SKS快波方向平行于地幔流動方向(Mainpriceetal., 2005),而AG型CPO表現(xiàn)出滑移方向在滑移面上均勻分布。由于本次研究結(jié)果顯示松遼盆地南部巖石圈地幔橄欖巖AVSmax位于面理面內(nèi)(圖6),對于垂直入射的SKS,剪切波穿過水平面理的巖石圈地幔時觀察到的各向異性較小(Tommasietal., 2008, 2016)。當巖石圈地幔面理陡傾或直立時存在兩種情況:(1)線理方向垂直;(2)線理方向水平;剪切波穿過面理陡傾或直立,線理垂直的巖石圈地幔時幾乎觀察不到各向異性;當線理水平時,可以觀察到最大的剪切波各向異性(圖6)。

地球物理測量結(jié)果顯示松遼盆地南部SKS的快波方向既有NE-SW向,又有NW-SE向,分裂延遲時間約0.8～1.1s(N42°～N45°、E120°～E126°)(Shietal., 2015; Chenetal., 2017; Lietal., 2017; 魯明文等, 2019)。中國東北地區(qū)利用Ps震相測量獲得的地殼各向異性快波方向大致為NW向,地殼各向異性產(chǎn)生的分裂延遲時間約0.15～0.3s(張廣成等, 2013)。軟流圈流動方向通常平行于絕對板塊運動(absolute plate motions,APM)方向(Vinniketal., 1992),利用HS3-NUVEL-1A模型(Gripp and Gordon, 2002)計算獲得東北地區(qū)APM方向為296°(魯明文等, 2019; Luetal., 2020),與SKS各向異性快波方向存在較大差異,由此推測松遼盆地南部測量獲得的SKS各向異性主要來源于巖石圈地幔。

在松遼盆地南部,由巖石圈地幔橄欖巖包體中礦物CPO估算雙遼地區(qū)巖石圈地幔平均各向異性約5.54%,接收函數(shù)結(jié)果顯示松遼盆地的巖石圈厚度約100～120km(Taoetal., 2014; Zhangetal., 2014),當巖石圈地幔面理陡傾或直立,當線理水平時,可以解釋觀察到的SKS分裂延遲時間(圖7a);當線理垂直時,可以解釋在松遼盆地南部中間部分未觀測到的SKS分裂結(jié)果(圖7b)(Li and Niu, 2010)。

圖7 松遼盆地南部巖石圈地幔變形模式圖(據(jù)Chen et al., 2017修改)

松遼盆地南部巖石圈地幔的面理陡傾或直立這一結(jié)論得到了地球物理測量結(jié)果的支持。S波速度3D模型顯示在松遼盆地南部,N42°～N45°之間,存在高速層,并延伸至300km(Guoetal., 2018),為長白山火山下面的地幔上升流觸發(fā)了松遼盆地南部的地幔下沉(Guoetal., 2016, 2018),由地幔下沉形成的垂直剪切流動使礦物定向排列,導致Vvertical>Vhorizontal(Karatoetal., 2008; Liangetal., 2022)。綜合地幔橄欖巖變形和地球物理測量結(jié)果,推斷松遼盆地南部巖石圈地幔面理陡傾或直立,在盆地南部中間地幔垂直流動下沉,而在盆地南部圍繞地幔下沉部分的巖石圈地幔線理方向近水平流動(圖7)。

5 結(jié)論

通過對松遼盆地南部雙遼地區(qū)橄欖巖包體的巖相學、地球化學、顯微結(jié)構(gòu)、各向異性研究,獲得如下結(jié)論:

(1)雙遼地區(qū)橄欖巖包體的平衡溫度為893～1152℃,來源于巖石圈地幔;微觀結(jié)構(gòu)分析表明,松遼盆地南部巖石圈地幔處于高溫、低應力和低水含量的變形環(huán)境,橄欖石的主要變形機制為位錯蠕變;

(2)橄欖石的CPO主要為A型、D型和AG型CPO,其中,AG型和D型橄欖石CPO可能形成于西太平洋板塊向歐亞大陸俯沖回撤導致的巖石圈構(gòu)造變形,AG型橄欖石CPO可能形成于熔體存在下的變形環(huán)境;

(3)橄欖巖包體全巖VP各向異性(AVP)為4.79%～11.80%,最大剪切波各向異性(AVSmax)為3.13%～7.93%;基于各向異性計算,結(jié)合地球物理測量獲得的結(jié)果,推斷松遼盆地南部巖石圈地幔面理陡傾或直立可以解釋觀測到的復雜的SKS各向異性。

致謝感謝俞良軍副主編和兩位審稿專家認真審閱了本文并提出了寶貴建議和修改意見。