上地幔地震波速各向异性与矿物组构.pdf

硕士学位论文 论文题目上地幔地震波速各向异性与矿物组构 作者姓名 学科专业 导师姓名 完成时间 刘矿杖攻 二0 ， 六年六q 中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 对地球内部各向异性的研究是地震学中的一项重要内容。上地幔是地球内部各向异性 现象最为集中、记录到的各向异性资料最为丰富的一个区域，已有的研究结果表明，上地幔 各向异性与橄榄石和斜方辉石在塑性流动过程中所形成的晶格优选方位之间有着直接的成 因关系。加强对上地幔各向异性与矿物组构关系的研究，对于我们解释记录到的各向异性资 料，推测地球深内部动力学过程有着重要的意义。 本文总结了前人对上地幔各向异性与矿物组构关系的研究成果．根据上地幔主要矿物橄 榄石和斜方辉石的组构特征，通过对晶格优选定向程度的假定，建立物理模型，对矿物集合 体的平均刚度矩阵运用v o i g t - R u e s s ．H i l l 假设，编写M a t l a b 程序，通过计算得出了上地幔纵、 横波速度各向异性随橄榄石和斜方辉石含量及晶格优选定向程度的变化曲线，从理论上揭示 了各向异性与矿物晶格优选方位 L P O 之间的关系。 利用我们得到的结果与台站观测到的地震波各向异性资料的对比，可以推测上地幔中各 区域的矿物组成及晶格结构信息。本文中，我们讨论了东太平洋地区洋中脊横波分裂现象的 成因，得出了靠近洋中脊附近P a c i f i c 板块一侧的横波分裂到时差比N a z c a 板块一侧大l s 的 成因是由于P a c i f i c 板块一侧更为强烈的地幔对流使得晶体的优选定向程度更高。我们还通 过在东太平洋Q u a r t e t 地区观测到的P 波各向异性资料，与B a c k u s 公式给出的P 波各向异 性髓方位角变化的经验值对比，估算了该地区的矿物含量，得出在该地区橄榄石和斜方辉石 的比例约为7 0 ％3 0 ％。 中同科擘技术大学硕士学位论文 A b s t r a c t A n i s o t r o p yi sa l li m p o r t a n tp a r to fS e i s m o l o g y ．I nt h eu p p e rm a n t l e ，m o s t a n i s o t r o p i ec h a r a c t e r sa n da n i s o t r o p yd a t aa l er e c o r d e d ．A l le x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l B s h o wt h a tu p p e rm a n l l ea n i s o t r o p yi sm o s tp r o b a b l yd u et o l a t t i c e p r e f e r r e d o r i e n t a t i o no fo l i v i n ea n do r t h o p y r o x e n ef o r m e di np l a s t i cc o n v e c t i o n ．S t u d yo ft h e c o n n e c t i o nb e t w e e nu p p e rm a n t l ea n i s o t r o p ya n dm i n e r a lp e 仃o f a b f i c si ss i g n i f i e a t i v e i ne x p l a i n i n gt h er e c o r d e da n l s o t r o p yd a t aa n dc o n f e r r i n gt h ed y n a m i c so f m eE a r t h s d e e pi n t e r i o r ． W c g i v eas n m m n r i T ∞o f t h ef o r m e rr e s e a r c hr e s u l t so f t h ec o n n e c t i o nb e t w e e n u p p e rm a n t l ea n i s o t r o p ya n d m i n e r a lp e t r o f a b r i c s ．W e a n a l y s i s t h ep e t r o f a b r i c c h a r a c t e r so fo l i v i n ea n do r t h o p y r o x e n e ，a f i s u n l et h ed e g r e eo fl a t t i c ep r e f e r r e d o r i e n t a t i o nt ob u i l dp h y s i e a lm o d a l ，c a l c u l a t et h eV - R - Ha s s u m eo f t h ea v e r a g ee l a s t i c c o n s t a n t sa n du s eM a t l a bt oc a l c u l a t et h ee o m p r e s s i o n a lw a v ea r f i s o t r o p ym a dt h e s h e a rw a v es p l i t t i n gi nt h eu p p e rm a n t l ec h a n g i n gw i t ho l i v i n ea n do r t h o p y r o x e u e c o n t e n ta n dt h ed e g r e eo fl a t t i c ep r e f e r r e do r i e n t a t i o n ，t h er e l a t i o nb e t w e e ns e i s m i c a n i s o t r o p ya n dl a t t i c ep r e f e r r e do r i e n t a t i o ni sd i s p l a y e di nt h e o r y ． B yc o n t r a s to fo u rr e s u l t sa n dt h ea n i s o t r o p yd a t ar e c o r d e db ys t a t i o n s ，w eC a r l g e ti n f o r m a t i o no fm i n e r a lc o n t e n t sa n dl a t t i c es t m c l u r ei nt h eu p p e rm a n t l e ．I nt h i s a r t i c l e ，w ed i s c u s st h ec a u s eo fs h e a rw a v es p l i t t i n gi l e a l - t h eE a s tP a c i f i cR i s e ．I nt h i s a r e a ，t h ed e l a yt i m eO i lt h eP a c i f i cP l a t ei n l sl o n g e rt h e nt h a to nt h eN a z e aP l a t e ．W e c o n c l u d et h a ti nt h eP a c i f i cP l a t e ，t h es t r o n g e rm a n t l ec o n v e c t i o nC a l , k q e sb i g g e rd e g r e e o f l a t t i c e p r e f e r r e do r i e n t a t i o n ．W e a l s o a n a l y s i s t h e P w a v e a n i s o t r o p y d a t a i n Q u a r t e t ． C o m p a r i n gw i t hB a c k u s ’Sr e s u l t s ，w ee s t i m a t et h ev o l u m ep e r c e n t a g e so fo l i v i n ea n d o r t h o p y r o x e n eu n d e r l y i n gt h i sr e g i o na t7 0 ％a n d3 0 ％． K e yw o r d s a n i s o t r o p y , p e t r o f a b r i c s ，l a t t i c ep r e f e r r e do r i e n t a t i o n ，u p p e rm a n t l e , o l i v i u e ，o r t h o p y r o x e n e 中国科学技术大学硕士学位论文 1 ．1引言 第一章绪论 地球内部物质弹性性质的变化与岩石在地球演变过程所经受的地质作用密切相关。在地 球内部复杂的热力作用下，岩石中发生着不可逆的显微结构变化，如造岩矿物颗粒的某种定 向排列，于是就产生了物理参数的各向异性；像沉积作用使岩石具有明显的层状结构，在这 种情况下，岩石物理性质的各向异性表现的很明显。目前越来越多的野外地震资料和实验室 岩石样品测试结果都证实，地壳上部的沉积岩对地震波速表现出各向异性．对于上地幔以下 的区域，无法取得岩石样品直接观测，通过对体波的反演，获得了S D ”层至岩石圈的大尺 度各向异性结构，研究结果指示上地幔与转换带范围内以及核幔边界上的D ”层均存在强度 不同的各向异性而下地幔似乎是各向同性的。根据宋晓东 1 9 9 6 等人的研究，甚至在地球 内核中，也存在着各向异性现象。 产生各向异性的原因主要有以下两个方面 1 。固有各向异性它是由介质本身的结晶各向异性引起的。一般天然材料中含有大量 各种不同矿物晶粒，每种晶粒本身的弹性大多具有各向异性。当它们杂乱无序地分布时，材 料表现为弹性各向同性；若由于某种原因使晶粒分布形成某种优势取向，材料就会呈现出一 定程度的各向异性。是什么样的机制能使晶粒形成优势取向呢 高温高压岩石学的研究结果 表明当岩石的变形主要由扩散蠕变控制时，岩石内部的矿物不会发生转动，即不存在晶格 优选方向；但是当岩石变形是由位错蠕变机制控制时，晶体将存在沿某一方向的优势排列。 2 。次生各向异性岩石中裂隙和孔隙的分布具有方向性，会产生次生各向异性。在地 壳浅层 3 ～S k m ，由于岩石中存在大量的裂隙及孔隙流体，它们对波速的影响很显著。在外 力场作用下，地壳浅层的裂隙和空隙通常都具有某种优势方向，这就导致了波速沿不同方位 的变化。许多研究指出，呈线状分布的微裂隙是产生地壳地震波速各向异性的主要原因。 B a b u s k a 等 1 9 8 1 ，1 9 8 4 仔细研究了花岗闪长岩和石英岩的速度各向异性，认为在大气压 和低的静水压力下，扁平状裂隙和它们的优势取向对地壳岩石中的波速各向异性起主要作 用。 地球内部不同深度处，由于其所处的温度、应力环境不同，各向异性的强弱及影响各向 异性的冈素也各不相同在地壳中，微裂隙及矿物晶体的晶格优选方位是产生各向异性的原 困在上地幔中，由1 i 高同压的作用．岩石中微裂隙大部分已经闭合，影响各向异性的主要 是矿物的品格优选方位；对于D ”层各向异性的成因，目前还存在着较大的争议；在内核中， 中国科学技术大学硕士学位论文 h e p 型铁晶体的定向排列被认为可能是内核各向异性形成的原因。 上地幔是地球内部各向异性较为明显，记录到的地震波速各向异性资料较为丰富的一个 区域。自从上世纪六十年代地震波速各向异性现象首次被发现以来，越来越来的学者们开始 投身这一领域，取得了丰硕的成果。各向异性的研究对于我们深入了解地壳、上地幔的运动 及演化起着越来越重要的作用，对地震波走时差和横波分裂的研究。已经成为了解上地幔对 流和板块内部应力场的一种重要方法。 L 2上地幔各向异性的研究概况 1 9 6 3 年，R a i t t 首次在太平洋东北部发现P n 波传播速度随方位改变而变化，在垂直洋中 脊方向上 8 ．3 k m ／s 快于平行于洋中脊方向 8 ．0 k m ／s ．H e s s 1 9 6 4 认为，这种地震波速各 向异性是上地幔中橄榄石或辉石在固态塑性流动过程中形成的晶格优选取向所致。由于该各 向异性与应力、运动、海底驱动力等有强烈的关系，引起了学者对海洋上地幔地震波速各向 异性研究的极大兴趣。分别对太平洋、印度洋和大西洋等地区的研究表明，上地幔地震波速 各向异性是存在的。在研究海洋岩石圈各向异性的同时，很多地方也发现了大陆岩石圈各向 异性，如在欧洲西部和中部、美国西部、俄罗斯等地。 s 波的难以辨认阻碍了对它的研究，7 0 年代，英国的C r a m p i n 领导的小组通过利用人工 地震地壳测深和天然地震资料，发现并证实了横渡分裂现象的存在，而且快横波的偏振方向 与应力场方向一致。s 波分裂对各向异性的影响非常敏感，它带来了更多的地球内部结构的 信息。促使对它的研究的蓬勃发展。 随后对长周期面波的研究证实，纵波方位各向异性和横波分裂现象在全球上地幔 一 4 1 0 k m ，尤其是最上层的2 0 0 k m 区域中，是广泛存在的。近几十年来，学者们从高温高压 实验和理论计算方面对上地幔地震波速各向异性进行了大量的研究工作K e r n 等 1 9 9 0 对 四块上地幔橄榄岩进行了不同方向上的速度测定，得出纵波速度各向异性受橄榄石的品格优 选方位控制；M a i n p r i c e 等 1 9 8 9 利用从上地幔岩石俘虏体中测得的矿物晶格优选方位和单 晶体弹性刚度矩阵，计算了矿物集合体各个方向上的波速变化；B i s t r i e k y 等 2 0 0 0 研究了 橄榄石在纯剪切应变下的流变学特征及产生的各向异性大小；对于晶格优势取向的成因机 制，目前认为是上地幔在动态重结晶过程中的塑性变形 位错滑移 、成核作用和颗粒边界 生长控制着晶格优选方位 L P O 的形成；K a r a t o 1 9 8 7 构建了L P O 机制图，得出当动态 重结晶发生时，在相对冷的地幔中产生由应力控制的地震波各向异性，在相对熟的地幔中产 生由运动机制控制的地震波各向异性。 2 中田科学拙术人学坝l j 学位论史 在我国，宋仲和等 1 9 9 1 第一次报道了我国西部三维速度结构及其各向异性。刘斌 等 1 9 9 8 在高温高压条r I | 卜．对角闪岩、蛇纹岩进行了波速测量，发现当围压超过 2 0 0 M P a - 2 5 0 M P a ．也就是当深度超过1 5 K i n ．2 0 K m 以J 亓，岩T i 内部的微裂隙几乎全部闭合． 各向异性基本上是由不含微裂隙的矿物集合体的性质决定。高山和金振民等 1 9 9 7 对大别山 超高压榴辉岩带典型岩石进行了各向异性研究，结果表明．在高温高压下，糜棱岩化奥长花 岗片麻岩的备向异性为5 ．0 3 ％，蛇纹化石榴石二辉橄榄岩各向异性为4 ，3 8 ％，各向异性现象 1 F 常明显。金振比、稀少丞等 1 9 9 4 对上地幔橄榄岩的地震波速务向异性进行了研究，认 为地震波各向异性与岩石在悯态塑性流动过程中形成的品格优选方位有直接的成因关系．这 与多数学者的观点是一致的。 1 ．3 本文的研究目标及意义 上地幔地震波速各向异性与岩石组构、地球内部动力学过程这三者之间是相互联系的 上地幔各向异性是由土要组成矿物晶体的含量及空间取向决定的；而矿物晶体之所有会定向 摊州，义是由其所处的地球动力学环境引起的。因此，以岩石组构分析为桥梁，可以建立地 震波速备向异性与地球动力学过程之间的联系。在这其中，对于各向异性与岩石组构的研究 是重要的一环，建立起各向异性与矿物组构之间的联系之后，利用实际观测到的地震波速各 向异性资料，可以推测岩石的组构特征，了解上地幔的矿物组成信息，反演地球深部动力学 过干 f } 。 图1 ．1地球内部系统信息与地震波各向异性关系图解 3 中国科学技术人学硕l 学位论文 本文通过对上地幔主要组成矿物橄榄彳i 和斜方辉年m 单晶体各向异性及其组构特征的 分析，建立物理模型，计算得出了上地幔中各向异性随着檄榄石及斜方辉石含量及晶格优选 定向稃度的变化特征。利_ L } j 得剑的结果，与尔太平洋地区台站记录到的纵波各向异性及横波 分裂资料对比，我们分析了该地区的地幔对流特征及矿物组成信息。 本文土要包含以F L 个部分在第r 二章中．介绍了目前对上地幔各向异性与矿物组构 的土要研究方法与成果第二章，分析了橄榄_ 伟I 斜方辉Z i 的单晶体各向异性以及它们的组 构特祉；讨论了各向异性介质中刚度矩阵的二种模型，v o i g t 、R u e s s 及H i l l 模型。建立物理 模型，给出了由橄榄石孝斜方辉石组成的多晶集合体中地震波速度的计算方法；并计算得到 了上地幔地震波速各向异性随橄榄孑彳、斜方辉石的含量及晶格优选定向的变化特征；第四章。 利用第二章得到的结果，分析了东太平洋地区的板块运动及地幔对流特征，并通过对P n 波 偏移的分析。得到了该地区的矿物组成信息；第五章，是对全文的工作总结和对未来工作的 展望。 4 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章主要研究方法及现有成果 由于大陆超深钻所能到达的深度有限，无法对上地幔中的物质进行直接观察；因此对上 地幔中物质性质的研究主要依靠对通过火山喷发或是岩浆运动被带到地表的岩石俘虏体的 测量来进行。对上地幔矿物组构与地震波速各向异性关系的研究，主要有两种方法 1 在 高温高压实验条件下直接测量天然变形岩石标本在几个不同方向上的超声波速，进而可以计 算出各向异性的大小，并研究岩石在不同温度、压力下的各向异性特征 2 测量岩石中晶 体颗粒的晶格优选方位，结合单晶体的弹性刚度矩阵，计算出岩石在不同方向上的波速。 2 ．1高温高压实验 在上地幔的高温高压环境下，岩石表现出许多特殊的性质。目前对地球深部构造的研究， 主要依靠地球物理探测资料，但是地球物理反演的多解性和不确定性一直是地球物理解释的 一大障碍。因此，模拟地球内部温压条件的高温高压实验研究，就成为探索地球内部奥秘的 一个重要手段。特别是高温高压下岩石矿物的弹性波速实验研究，为地球物理资料的解释提 供了重要的依据。在模拟地球内部的高温高压条件下，测量岩石、矿物的弹性波速，所获得 的波速资料对于讨论地震波速一深度一密度一成分的关系及其温度、压力效应具有更大的可靠 性和实用性。近年来，国际上开展的一系列大的全球性地学研究计划，包括国际岩石圈计划、 全球地学断面计划及大陆动力学计划等，已经获得了大量全球范围内的地球物理资料。而对 这些资料要进行正确的反演和物质成分的解释，就必须有大量的高温高压下岩石矿物的弹性 波速研究资料。 高温高压实验中弹性波速研究的主要目的是在高温高压、静态或动态条件和化学环境 下，研究岩石或矿物的弹性波速及其随温度和压力的变化规律，为对地球物理探测资料特别 是地震波速资料进行物质成分解释及建立地球内部物质波速结构模型提供依据。对地球内部 各向异性的研究是高温高压实验的一项重要内容，在高温高压条件下测量岩石不同方向上的 超声波速，可以得到岩石的各向异性的大小；改变温度或压力的大小，通过测得的波速数据 能够得到各向异性随温度、压力变化的特征。 对各向异性进行研究的高温高压实验通常选用具有明显的晶格优选方位的岩石样品来 进行，将岩样放入实验所用的真三轴压机中，根据岩样的构造方向来选取放置方向一般使 线理平行于X 轴，Y 轴在叶理面内且与线理方向垂直，z 轴垂直于样品叶理面。 5 中国科学技术大学硕士学位论文 0 2 5 4 n l r n V 口 图2 ．1 测量岩石波速及各向异性的真三轴压机 C h o l a c ha n dS c h m i t t ，2 0 0 4 根据矿物学分析，上地幔的主要矿物为橄榄石、辉石和石榴子石。对上地幔主要岩石测 茸平计算所得弹性波速备向异性结果如F 表所示，其中矿物自分含量指的是体积百分比。可 以看山，橄榄岩的P 波备向异性较强，‰大一V 量小／V 平均约为 3 ～l o ％，榴辉岩的较弱， 约为 O ．5 ～3 ％。在橄榄石和斜方辉石的富集体中，P 波速度随方位角的总变化约为 4 ～ 6 ％。而观测到的上地幔P 波各向异性一般为 3 ～6 ％，这是因为 1 地幔橄榄岩中 一股含6 5 ％以上的橄榄4 i 和i 2 0 ％的斜方辉石； 2 橄榄石单晶各向异性很强； 3 在高温 高压F 檄榄I i 快■沿着a 轴方向U o o ] ，橄榄行集合体中快砟也沿着这一方向，与塑性流动 方向一致； 4 观测表明檄榄』i 是最易变形和易丁．产生优势取向的上地幔矿物，它控制着 上地幔的地震波各向异性． 6 中商科学技术人学坝l ’学位论文 徘揽耕樊 l K7 50 48 5l7 417 9 I1 0 0a ，撒{ 蹙柯8449 54 ．7 0I7 0l7 9 3S24 0 54 ．7 2I6 6I7 4 7 0 ％暾揽f i l R4 4947 7l7 ll7 6 2824q47 0l6 7l7 4 3 0 ≈撼f i 孵{ i J8 ．I4947 2t6 5l7 2 I 78 047 546 5l6 4 I ．6 9 31 0 0 ％斜疗辫f i277 547 546 5l6 3l6 7 j77 S47 54 ，6 5I6 71 ．6 7 s Iq “i 稚r f ijS4 7 647 0IS 0 4 1 3 ％尊斜娇彳彳84 2 046 5lg I 2 4 谢} f 雠“jS ．3 7 54 ．7 ll7 8 l85 8 249 I1 ．7 5 4 7 ％石榴予石 4 5 ％堆斜解石 2 83 7 9 4 ．8 7I ．7 2 j8 ．3 0 047 91 ．7 3 4 6e ‘群橱予石 l83 I47 71 ．7 4 6 282 747 71 ．7 3 3 7 - 谋耗谁 i 3S “47 21 ．7 2 表2 ．1 上地幔岩石弹性波速的各向异性 A n d e r s o n ，1 9 8 9 下图给山的是在橄榄岩样品中测得的纵、横波速度随温度、压力的变化特征，以及各向 异性的特征。样品是一块由橄榄石、斜方辉石、单斜辉石及尖晶石组成的尖晶石二辉橄榄岩， 檄横4 i 霸l 斜方辉j 油丁t 拉伸作用其组构具有明显的特征。 闰a 显示了在室温r 样品中沿着相互正交的三个方向上地震波速度随压力的变化特征。 可以看出，在围压增加的初始阶段，岩石中的微裂隙迅速闭合，纵、横波速度急剧增大，对 丁纵波尤其明显；当闱压超过约2 0 0 M P a ～4 0 0 M P a 以后，波速增大的幅度明显减小，波速 一嗣压关系趋于线性，显示了乐实后岩白基体的速度特征。无论是在低围压下还是在高围压 F ．岩年i 中二个正交方向上的波速都相差很大，显示出强烈的各向异性。波速变化的特征表 明，在低罔乐F 各向异性是定向排列的微裂隙与具有优势取向的矿物晶体共同作用的结果， 高同压F 则主要是由具有优势取向的矿物晶体产生的。 幽b 是在6 0 0 M P a 的嗣压F 波速随温度的变化图。可以看出，随着温度的升高，弹性波 速度降低。在6 0 0 M P a 的高同压下，波速下降的幅度不大而且基本上是线性的，说明高围压 限制住了礅裂隙的热扩张。实验表明，岩j i 内的裂纹热扩张随温度升高发展很快，为了限制 住裂隙的热扩张，温度每升高l ‘C 用压至少要增加I M P a 左右。 纵波速度V 。在叫理面山平行丁线理方向的x 轴上达到最大值，沿乖直于叶理面的z 轴 方向上达剑最小值，纵波速度各向异性用爿。表示。在室温和6 0 0 M P a 的压力下，纵波速度 7 国2 ．2 懈蜘跚懒s 漱蛾嘞魄。‰㈣ 中国科学技术大学硕士学位论文 2 ．2 理论计算 a 室温下P 波、S 波速度随压力的变化 b 6 0 0 M P a 的匿压下P 波、S 波速度随温度的变化 岩_ i 的物理性质土要由其矿物组成以及土要矿物的结晶特性、晶格优势取向、晶体中的 弧构造等决定，其中的弹性波速度则由土要组成矿物品体的弹性性质和其取向分布决定。如 果已知岩午冲每一种矿物的晶格优选方位、密度、单晶体弹性刚度矩阵以及体积比例，就可 以计算山全岩 多晶集合体 在任意方向上的地震波速。如果知道温度和压力导数，可以进 一步从理论上计算出任意温度，压力条件下岩石的地震波速备向异性特征。 首先将每一种矿物的每一个颗粒的弹性刚度矩阵从颗粒本身的结晶学坐标系 C ，“ 旋转到样品参照系 e P 由面理和线理所定义的x y ．z 参照系C ’纠 。多晶集合体的平均弹性 刚度矩阵为 ，Ⅳ。 ％ ∑f ∑c ’删／N 。． 2 ．1 式中，C 州为第S 种矿物的第| Ⅳ，个颗粒在样品参照系中的弹性刚度矩阵 的体积比例。 多品集合体中某一给定方向上的波速 y 通过解C h r i s t o f f e l 方程得出 d e t J T , , 一8 , 。p v 2 I o 只为第S 种矿物 2 ．2 其中，以为K r o n c k e rJ ／9 为集合体密度r , k 为C h r i s t o f f e l 刚度矩阵， T A } A t C 。 t 2 3 式中A 为多品集台体中某一给定方向上的方向余弦。解山的y 通常具有3 个不相等的实数 根，分别对应丁．波面上的3 个波速，即纵波咋、快剪切波K ，和慢剪切波珞2 。利用F o m a n 样序，可以在微机上计算从上地幔中获取的岩f i 样品的波速特征。用理论计算得出的各向异 性，与测蕈得到的各向异性相对比，可以使我们更深刻的了解各向异性产生的物理机制。 r 面是住一块_ i 榴_ i 一辉橄榄岩样品中测得的纽构图及计算出的各向异性特征。石榴石 _ 二辉橄榄岩是上地幔最土要代表岩l 其主要成分为橄榄石 7 0 ％ ，顽火辉石 1 5 ％ ，其次 为铬透辉石 1 0 ％ ，尖晶石或石榴石各为2 ％和5 ％左右。岩石为组粒一板状变晶结构，由 乐扁橄榄I - 利辉√湘成n f 理 S ，线理构造 L 由拉K 橄榄4 l 、辉钉和条带状尖晶石组成。 切制干亩丁标本n l 理利平行丁线理的定向薄片，在光学显微镜百轴旋转台上，测定檄榄 9 中国F } 学技术人学颂t 学位论文 o 二Q 毒醺器 l 二 oVo描寒翘／s l o , o J 。, l , , s 嘛鹏 圈2 ．4 橄榄石单晶体中■，■l ，以2 和△■分布图 据金振民等，1 9 9 4 0 中国科学技术人学颀卜学位论文 多晶体中的备向异性特征如幽2 ．5 所示。K 特征清楚的反映了橄榄石晶体优选方位， 两者分布形态是一致的n 最大值对应[ 1 0 0 ] 点极密，与线理也呈5 。一1 0 。交角；K 最小 值对应T [ 0 1 0 ] 轴点极密，与叶理面近乎乖直。l I 最大值平行于 1 0 1 面法线方向，圪I 最 小值近似平行丁[ 0 1 0 ] 轴。以2 最人方向明显偏离[ 1 0 0 】轴，与线理交角为2 0 9 4 0 。，而圪2 最小方向平行与[ 0 0 1 ] 轴，剪切波速筹△” 0 ．4 k r n ／s 。由此可见，檄榄石优选定向是造成上 地幔地震波速再向异性的最土要原因。斜方辉干i 的存在只是减弱了各向异性，但并没有改变 波速变化的总体趋势。 l ；‰％ K l 一‰ A 9 ．9 ％ ●l 椭，口9 k m l s o 圪⋯8 i k m ／s 5 ．S ■ ，1 0 ，5 ．2 k m ／s ●K ；．4 ．9 k m l s 5 ．3 1 ； ‘K 4 ．9 k i n ，l o } 0 ．| ．7 t m 肛 - ‰0 ．4 k m ／s ，k 。O , O k m ／s 图2 ．5 橄榄石多晶集合体中砟，■I ，t 2 和△E 分布图 金振民等，1 9 9 4 叶理面垂直纸面 黑线表示 ，线理平行于东西向 黑圆点表示 ，下半球投影，等速面单 位k m ／s ． B u n g e 1 9 8 2 引入了取向分布函数 O r i e n t a t i o nD i s t r i b u t i o nF u n c t i o n 的概念来描述晶格 优选方位。为了定晕地表述晶体组构与各向异性之间的关系，在一块具有晶格优选方位的矿 物集合体中，可以定义其构造强度为 ‘， I 厂 g 2 由 2 ．4 其中，‘，为一无量纲的向量，厂 g 表示取向分布函数O D E 中g 方向上的密度， 瘩 d 仍d 仍d 仍s i n 矿／8 石2 ， 纯，≯，妒2 表示欧拉角。对丁具有随机分布的矿物集合体， - ， 1 ；在具有再向异性特征的单晶体中，‘，的值趋丁无穷人。 上地幔中的地震波速度由很多冈素所决定，包括矿物组成、构造框架以及晶格优选方位 的强度。由丁我们无法测得地球深部天然变形岩石样品中的应变大小，构造强度J 就成为估 箅晶格优选方位对地震波速度影响的一个重要参数。晶格优选方位是塑性变形、动力学重结 晶以及退火过科等多重作州的结果，，的人小不能反应出各种不同作用的区别。但是通过实 验室研究发现，J 的人小随着轴向应变的增加而增人，因此可以认为，J 的数值可以用来 衡苗由塑性变形引起的品格优选方位的强度。 中国科学技术大学硕I I 学位论文 f a b r i cs t r e n g t h 图2 ．6 构造强度与纵、横波各向异性 I s m a i l 等，1 9 9 8 对1 l o 块橄榄石集合体的研究发] 观 M a i n p r i c e 等，1 9 9 8 ，构造强度，的最大值为2 7 ．0 ， 最小值为3 ．2 ，平均值为7 ．8 ，标准差等于4 ．5 。纵波各向异性在4 ，O ％至2 1 ．4 ％之间变化，平 均人小为1 22 ％，标准著为3 ．9 横波各向异性 2 0 0 以。一略肺 ， 珞。。。 略。 在 3 ．3 ％至1 7 ，4 ％之间变化，平均值为9 ．4 ％，标准差为2 ．6 。纵、横波各向异性随着构造强度 的增加近似成指数关系变化。 2 ．3 本章小结 在高温赢乐实验申，通过对岩石样品在不同温度、压力下弹性波速度的测量，显示了纵、 横波速度及其各向异性随着温度、压力的变化，表明了在上地幔的高温高压条件下，地震波 各向异性主要由组成矿物本身的性质所决定对上地幔单晶体及矿物集合体的实验数据则说 明，橄榄石和斜方辉石单晶体均具有较高的纵、横波各向异性特征，橄榄石和斜方辉石的晶 格优选方位是形成上地幔地震波速各向异性的主要原因。 通过对品格优选方位的测鼍，可以得剑橄榄』i 及斜方辉i i 晶体主轴的分布状况，进而计 算出矿物集合体备向异性的特征。研究表明，檄榄i 荷≈品格优选方位控制着上地幔各向异性， 而斜方辉t i 的存在减弱了各向异性。对构造强度与各向异性关系的研究，把各向异性与晶格 优选方位定鬣地联系起来，表明了晶格优选方位与上地幔塑性流动之间存在着紧密的联系， 升得出了级、横波备向异性随构造强度的增加而呈现指数形式增长的结论。 在高浠高压实验和l 理论研究这两个方面，对上地幔各向异性与组构关系的研究都取得了 1 2 掌X厶量j蔼叠 中国科学技术人学硕l 学位论文 重人的进展。随着实验技术的提高和观测仪器的改进，用实验或者计算所得的结果来解释实 际的地震资料．其精度和准确性也必然会进一步提高。但是。在高温高压实验下，并不能完 全真实地模拟上地幔中的温压环境，兄一方面，从上地幔中能够获取的岩石俘虏体数目有限， 要想取得理想的岩I i 样品进行研究更是1 } 常凼难，因此，不管是高温高压实验还是理论计算， 均存在着一定的局限性。在接F 来的篇章中，我们根据耳前观测到的上地幔中的矿物组构特 征和I 已经测得的矿物弹性参数，建立物理模型，推导了上地幔各向异性与矿物组构之间的关 系，，i 推测上地幔可能的物质结构与动力学环境。 中图科学技术人学顾{ 咩位论立 第三章上地幔各向异性与矿物组构 岩l I 的组构土要是指岩I 冲的矿物成分、矿物晶体颗粒间的关系、颗粒形态及空间分布、 矿物品体颗粒的优选方位等，即岩f i 总体内部构造，包括岩相学中的结构、地质学上的构造 和冶金学中的优选方位；在低闱压。F 还应包括晶体颗粒之间的孔洞和裂隙如果孔洞和裂隙 中还填充了流体，那么也应考虑在内。根据现有研究结果，对大部分种类的岩石来说，当围 压超过2 0 0 M P a 以后其内部的微裂隙几乎全部闭合．岩石的物理性质基本上是由不含微裂隙 的矿物集合体的性质决定的，反映了岩石基体的性质。要说明的是，根据C h r i s t e n s e n 1 9 7 4 的研究，当丽压超过I G P a 时岩石内部残存的微裂隙对弹性波的传播仍然存在一定影响。 在岩干糯构的各种冈素中，晶格优势取向和低围压卜，定向排列的微裂隙是决定岩石宏观 各向异性的最主要的冈索。高围压下各向异性主要由组成矿物的晶格优势取向 优选方位 决定。通常岩l 冲矿物品体的优选方位是由局部规则生长、岩浆流动中斑晶的线状排列以及 沉积岩中非等轴晶体颗粒的排列所形成的。特别有意义的是，当岩石在一定的温度条件下受 庶力作用发生变形和塑性流动时，其中原来无优选方位的矿物晶体也会产生优选方位，而且 这种优选方彷与岩石所受麻力的方向有确定韵关系。 3 ．1 上地幔中单晶体的组构及各向异性特征 要了解多晶多相的上地幔岩石的各向异性特征，首先要对组成上地幔的矿物的弹性性质 及其各向异性特征有所认识。上地幔中土要含有二种单晶备向异性很强的矿物橄榄石、斜 方辉4 i _ 手I l 单斜辉氟。在人部分地区的观测资料表明，单斜辉石在上地幔中的含量相对较低， 对各向异性的影响不大 C h r i s t c n s c n ，1 9 8 2 ，因此在我们接下来的研究中主要考虑橄榄石 和斜方辉石对上地幔各向异性的影响。 1 4 中菌科学技术人学I 磺I 学位论文 V p 、{ 嬲、’p 、{ ’nV s Ⅵa x 、’‘ⅥI nA V P k msk m ，hk m -k m ／s ％ A V sV p i H l l xV pm md V sd Y s C o m p o ％d J r ．dJ r ．m 丑x ‘l i rm i nd i r s i t i o n ’p x G a m c t 表3 ．1 上地幔中的主要矿物及其各向异性参数 下图显示了橄榄石的结晶学方位及沿晶体主轴方向上的波速。沿橄榄石结晶学方向 的纵波速度 砟 分别为【1 0 0 】 9 ．8 7 k m ／s ，【o l o 】 7 ．7 3 k n d s ， o o H 8 ．6 5 k n d s ，各向异 性爿 ‰一％．。 ／‰。 1 0 0 ％ 2