熔体强化各向异性实验及其对块体动力学研究的意义

深部岩石的弹性波各向异性包含着岩石变形的重要信息,且是可以利用地震技术探测的地球物理特性.因此它已成为人们了解深部构造特征,分析其成因,探讨其动力学含义的重要岩石物理参数.实验结果表明由矿物晶格定向分布所引起的地壳岩石平均各向异性强度远不足以解释在青藏高原-川滇西部地壳中所观测到的异常强的各向异性(可达14%).青藏高原-川滇西部具有加厚的中-上地壳和高地热梯度,部分熔融作用在地壳中广泛存在.在构造应力作用下熔体定向分布能否强化该地区地壳的各向异性？定量回答该问题对于理解青藏高原-川滇西部深部地壳各向异性成因,揭示其构造特征,识别壳内潜在解耦带和认识块体动力学行为具有重要意义.通过开展天然岩石和相似性材料的高温高压实验,定量研究熔体含量和分布对岩石各向异性的影响,为利用地震方法探测和识别与部分熔融有成因关联的壳内软弱带(潜在解耦带)提供参数,为分析块体底边界特征及其动力学含义提供实验约束.

对地壳岩石各向异性数据分析表明，中-酸性和基性岩石的各向异性特征主要由云母和角闪石含量及分布所决定。在云母含量低于30%，角闪石含量低于60%的条件下，岩石的平均Vp各向异性小于10%。实验结果表明由矿物晶格定向分布(LPO)所引起的地壳岩石平均各向异性强度通常不超过5%。因此仅用矿物的LPO很难解释现今青藏高原深部地壳各向异性特征。高喜马拉雅结晶岩系发育大量与部分熔融相关的结构构造，其混合岩符合地壳深熔的成因特点。高温高压实验结果也显示西藏高原深部具有发生脱水熔融的温压条件。因此，我们提出“熔体的定向排列(MPO)能否显著强化地壳各向异性？”的科学问题。.模拟计算结果显示MPO能够引起强烈的弹性波各向异性。当熔体形态因子值介于0.1 - 0.5之间, 熔融程度为5 % - 10 %, 由定向分布的酸性熔体囊所引起的P-和S-波各向异性强度分别达到2-10%和2.2-40%。我们首次利用相似性材料构造出定向熔体的分布，并对其进行了弹性波各向异性的测量。结果表明, 定向分布熔体可以显著强化介质的各向异性。在低度熔融条件下熔体诱发的各向异性强度可以到达原固态介质各向异性强度的1-2倍. 实验证实定向熔体能够强化岩石的各向异性，揭示了深部构造的重要信息，并为解释现今造山带深部地壳异常强的各向异性测深结果提供实验依据和约束。.部分熔融带具有力学性质软弱特性, 易于发展成为构造拆离带, 从而具有协调地壳浅部刚性层与下部地壳或岩石圈地幔的差异运动, 使大陆岩石圈内部发生解耦成为可能。部分熔融成因的潜在解耦带具有“低速”和“各向异性”双重特性。该特征是利用地震测深方法探测和识别与部分熔融关联的壳内解耦带之标志。用三维有限元法模拟了“壳内软弱层”的存在与否对壳体运动和变形的影响，并探讨了壳内解耦发生的主要影响因素。结果显示，软弱层的存在对于地表应变的分配和块体应力积累具有极其显著的影响。壳内解耦对于龙门山地区地表隆升及应力积累有重要的促进作用。.发展了新的孔隙度压力依赖性实验测量方法，并首次获得了断层岩在低于600MPa压力条件下的孔隙度。结果显示压力高达600MPa时，断层岩中依然可以残存少量的孔隙。这是非常重要的发现，该结果将改变过于对于深部地壳孔隙度分布的认识。总孔隙可划分为屈服孔隙和格架孔隙。屈服孔隙随压力指数衰减，约在300MPa趋于零；而格架孔隙随压力线性递减。