大別-蘇魯造山帶含柯石英榴輝巖的形成深度研究

巖石圈的地壓梯度東華理工大學(xué)2018-4-22，北京1胡寶群匯報(bào)提綱一壓力有多大？二深度有多大？ 地壓梯度——壓力換算成深度的關(guān)鍵三巖石圈的地壓梯度：組成，理論計(jì)算，溫壓統(tǒng)計(jì)，基本規(guī)律四地壓梯度變化的意義：漸變，突變相對(duì)應(yīng)的意義五板塊運(yùn)動(dòng)的“地壓梯度驅(qū)動(dòng)說”六結(jié)論2一壓力有多大？1.1高壓、超高壓礦物和巖石1.2成礦作用及成礦壓力1.3地震、火山等地質(zhì)過程中壓力變化1.4相互有何關(guān)聯(lián)？通過什么關(guān)聯(lián)？1.1高壓、超高壓礦物和巖石

——超高壓變質(zhì)巖峰期變質(zhì)壓力大別超高壓變質(zhì)巖的變質(zhì)峰期壓力大于2.5GPa.大別北部超高壓變質(zhì)大理巖峰期變質(zhì)組合為方解石+白云石+金紅石+鎂橄欖石+鈦-斜硅鎂石+富鎂的鈦鐵礦±文石±石榴子石等,類似于蘇-魯超高壓大理巖,形成壓力為2.5-3.5GPa（劉貽燦等,2001）。太湖毛屋含鈦-斜硅鎂石的石榴輝石巖的溫壓條件約為740℃和4.0GPa以上,由此表明大別山南部鎂鐵-超鎂鐵巖曾俯沖到大于100km的地幔深度（SchertlandOkay,1994).4牛賀才等（2007）:在新疆北部扎河壩-阿爾曼泰早古生代造山帶的扎河壩地區(qū)石榴子石單斜輝石巖中，發(fā)現(xiàn)了超硅石榴子石及同樣具有超高壓特征的超鈦石榴子石。其穩(wěn)定存在的壓力>5GPa，認(rèn)為形成深度不小于300km寄主巖石-石榴輝石巖是與洋殼超深俯沖有關(guān)的超高壓變質(zhì)巖.5張金鳳和張澤明:（2006）喜馬拉雅超高壓變質(zhì)帶主要由表殼巖石組成,其中的長英質(zhì)變質(zhì)巖已經(jīng)全部退變質(zhì),只在基性的榴輝巖中保留有某些超高壓變質(zhì)礦物。這些超高壓變質(zhì)礦物在鋯石、石榴石及其他一些化學(xué)和機(jī)械性質(zhì)穩(wěn)定的礦物中以微米級(jí)的包裹體形式產(chǎn)出。在TsoMorari結(jié)晶穹隆和上Kaghan谷喜馬拉雅結(jié)晶巖中發(fā)現(xiàn)了超高壓指示礦物柯石英和多晶石英假像。TsoMorari結(jié)晶穹隆中超高壓變質(zhì)巖的形成條件約為750℃和3.9GPa。Kaghan谷超高壓變質(zhì)巖形成條件為700-770℃和2.7-3.2GPa,相當(dāng)于90-110km的上地幔深度。6張澤明等(2005):蘇魯造山帶超高壓變質(zhì)作用峰期發(fā)生在1000~1100℃和6~7GPa條件下,俯沖深度相當(dāng)于200km,形成年代為240~250Ma蘇魯?shù)貐^(qū)超高壓變質(zhì)巖作用P-T-t軌跡7如宋述光（2007）等研究，都蘭地區(qū)高壓巖石得出:北帶榴輝巖峰期變質(zhì)溫度范圍為631~687℃，壓力為2.87~3.17GPa，位于柯石英的穩(wěn)定域之上。 南帶榴輝巖的峰期變質(zhì)溫壓條件為p＝2.86~3.26GPa，T＝729~768℃。 麻粒巖相 變質(zhì)的壓力p＝1.86~1.98GPa，874~947℃ 角閃巖相變質(zhì)溫度為660~695℃，壓力為0.7~0.9GPa。8片麻巖河南新縣滸灣鄉(xiāng)鄢山村藕壙沖組村后小山上的榴輝巖9安徽岳西菖蒲鎮(zhèn)南的金雞山產(chǎn)于大理巖中的榴輝巖10安徽岳西碧溪嶺榴輝巖中的柯石英（視域直徑4mm)1112大別-蘇魯?shù)鹊貐^(qū)的超高壓變質(zhì)巖的峰期變質(zhì)壓力:2.5~7GPa為地殼巖石131.2成礦作用及成礦壓力共性：熱液參與，斷裂控礦，充填與交代，常有隱爆，溫度變化范圍（100-450℃之間）。超強(qiáng)富集，隱爆結(jié)構(gòu)超臨界流體就一定能成大礦？不是充分條件。成礦物質(zhì)超強(qiáng)富集（極富礦石的機(jī)制和硅化現(xiàn)象普通的原因）諸廣745,201,相山鄒家山15井膠東蓬萊黑嵐溝石英脈型金礦含金石英脈礦石（極富礦石）秦嶺祁雨溝地區(qū)金礦床171.3地震、火山等地質(zhì)過程中壓力變化地震、火山等地質(zhì)過程:壓力變化，水為主體的流體參與，1.4相互有何關(guān)聯(lián)？通過什么關(guān)聯(lián)？（1）相互有何關(guān)聯(lián)？體系性質(zhì)變化有機(jī)無機(jī)相通(油氣和熱液礦床)，地震-成礦-火山-侵入，（2）通過什么關(guān)聯(lián)？通過壓力和地壓梯度來連接二深度有多大？

地壓梯度——深度計(jì)算的關(guān)鍵20這些巖石形成時(shí)的深度到底有多大？如何計(jì)算深度？在求得地質(zhì)作用的壓力（P）之后，如何計(jì)算相對(duì)應(yīng)的深度？深度（H）＝壓力（P）/地壓梯度求得壓力后，深度計(jì)算則取決于地壓梯度！21若地壓梯度發(fā)生明顯變化,相同壓力就可以得到明顯不同的深度。1倍靜巖壓力梯度為0.03GPa/km,H=80km如P＝2.4GPa2倍靜巖壓力梯度為0.06GPa/km,H=40km3倍靜巖壓力梯度為0.09GPa/km,H=27km——這不僅影響超高壓變質(zhì)作用的深度計(jì)算，還將影響與深度有關(guān)的許多地質(zhì)作用解釋。巖石圈中的地壓梯度研究是一個(gè)涉及面很廣的研究課題！4倍靜巖壓力梯度為0.12GPa/km,H=20km22三巖石圈的地壓梯度3.1理論推導(dǎo):考慮重力和熱應(yīng)力的疊加，經(jīng)過初步計(jì)算(胡寶群等,2001,2003,2008)，可知:巖石圈地壓梯度可達(dá)靜巖壓力梯度的2~4倍，前提條件是封閉體系中。另:若物質(zhì)發(fā)生相變，則可造成局部地壓梯度按數(shù)量級(jí)劇增的突變，甚至瞬間趨于無窮、破壞封閉體系，引起突變。23(dP/dh)V=(?P/?h)V+(?P/?T)V(dT/dh)V其中:(?P/?h)V=gρ為靜巖壓力梯度，(?P/?T)V=γρCV為熱壓系數(shù)，(dT/dh)V為地溫梯度，γ是熱力學(xué)Grüneisen參數(shù)，CV是等容熱容封閉體系條件（無相變時(shí)）下巖石圈中的地壓梯度24(?P/?T)V變化規(guī)律據(jù)德國地學(xué)研究中心(GFZ-Potsdam)提供的許多礦物的α和β值,可計(jì)算出常壓下100多種礦物和無機(jī)化合物的(?P/?T)V變化范圍0.33~9.22MPa/K,平均值3.05MPa/K。主要集中1.08~4.88MPa/K,平均值2.76MPa/K。25為克服比重隨深度變化對(duì)地壓梯度的影響，用靜巖壓力梯度標(biāo)準(zhǔn)化，求出巖石圈中的地壓梯度與靜巖壓力梯度的比值（β）。如下式所示:β=(dP/dh)V/(?P/?h)V=1+γg-1CV(dT/dh)V。26考慮熱壓和重力疊加后巖石圈和地殼的平均壓力梯度估算γCV/J·g-1·k-1（

dT/dh）V/K·km-1β=1+γ

g-1CV(dT/dh)V溫度范圍/K巖石圈1.30.78(假設(shè)不受溫度影響)10(巖石圈平均值)2.04298~1573地殼假設(shè)地殼全由石英組成0.7封閉體系中CV≌CP=0.782+5.718×10-4T-1.883×104T-219(地殼平均值)2.00~2.6830(上地殼的平均值)2.59~3.6617.5(上地殼的地盾區(qū))1.94~2.5840(上地殼構(gòu)造活動(dòng)區(qū))2.82~4.54273.2事實(shí)依據(jù):巖石圈中地壓梯度可達(dá)靜巖地壓梯度的2-4倍

--來自變質(zhì)巖和橄欖巖類溫壓統(tǒng)計(jì)分析的證據(jù)據(jù)麻粒巖、橄欖巖、榴輝巖等巖石的溫壓統(tǒng)計(jì)分析顯示：超高壓榴輝巖的地壓梯度與封閉體系的地壓梯度相對(duì)應(yīng)、可達(dá)靜巖壓力梯度的2~4倍！2829巖石的溫壓數(shù)據(jù)還將不斷積累,加入這些溫壓研究新成果后,這些數(shù)學(xué)關(guān)系式可能有少許變化,但總體認(rèn)識(shí)不會(huì)變30不同體系性中的地壓梯度（相同地溫條件）體系性質(zhì)溫壓關(guān)系T/℃,P/GPa）地壓梯度對(duì)應(yīng)地質(zhì)環(huán)境完全封閉體系(榴輝巖上限）P=0.0001T1.5352或T=408.66P0.622914.6234T-0.2145倍靜巖地壓梯度,T變化于250~500~1000~1350℃時(shí),相應(yīng)倍數(shù)為4.47~3.86~3.32~3.12,平均為3.69±鋯石,超高壓榴輝巖,含柯石英或金剛石榴輝巖,無塑性變形.dP/dH=0.09±GPa/km較好封閉體系(總體上限）P=0.0001T1.4958或T=374.04P0.663214.2482T-0.2539倍靜巖地壓梯度，T變化于250~500~1000~1350℃時(shí)，相應(yīng)倍數(shù)為3.51~2.95~2.47~2.28。平均為2.8±較好封閉體系（榴輝巖平均）P=0.0003T1.3509或T=516.97P0.489138.60376T-0.3988倍靜巖地壓梯度，T變化于250~500~1000~1350℃時(shí)，相應(yīng)倍數(shù)為4.27~3.23~2.46~2.18。平均為3.04±中等封閉體系（榴輝巖下限）P=0.0006T1.1751或T=541.32P0.736167.1601T-5746倍靜巖地壓梯度,T變化于250~500~1000~1350℃時(shí),相應(yīng)倍數(shù)為2.81~1.89~1.27~1.07,平均為1.76±低壓石榴-輝石巖P/dH=0.054±GPa/km中等開放體系(麻粒巖類平均)P=3E-06T1.9195或T=834.2P0.35840.5485T0.1698倍靜巖地壓梯度,T變化于250~500~1000~1350℃時(shí),相應(yīng)倍數(shù)為1.40~1.58~1.77~1.86.平均為1.65±高壓麻粒巖dP/dH=0.05±GPa/km完全開放體系(麻粒巖類的下限)P=6×10-6T1.7497或T=954.63P0.56761倍靜巖地壓梯度變形強(qiáng)烈的長石和石英dP/dH=0.03±GPa/km31經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,在500~1000℃之間,巖石圈地壓梯度較完美封閉體系時(shí),3±倍中等封閉體系時(shí),1.7±倍較完美開放體系時(shí),1±倍靜巖地壓梯度(或重力地壓梯度)323.3巖石圈的地壓梯度變化的根源（1）溫度、組成、體系性質(zhì)等存在時(shí)空變化。（2）有水。流動(dòng)性和熱容等明顯異于巖石,水在巖石圈時(shí)空中的不均勻性和變化,是地壓梯度變化的動(dòng)因,更是巖石圈幾乎所有地質(zhì)現(xiàn)象的原因。時(shí)空演化不同階段,使水的空間分布發(fā)生變化,可形成高導(dǎo)低速帶,應(yīng)該是許多重大地質(zhì)作用發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。（3）物性差異。各種物質(zhì)組成在不同溫壓條件的性質(zhì)和行為差異,特別是相變線上溶解行為異常和力學(xué)性質(zhì)的突變等。（4）天體的節(jié)律和地質(zhì)過程的節(jié)律。3.4巖石圈的地壓梯度組成及基本變化規(guī)律（1）總體包括重力梯度和熱壓梯度兩部分。重力梯度（gρ）來自引力,是普遍存在的,對(duì)于不同相態(tài)只是其密度不同而已。熱壓梯度｛γρCV(dT/dh)V｝是來自溫度,其存在的前提是封閉條件。巖石圈的地壓梯度為兩者之和(dP/dh)V=gρ+γρCV(dT/dh)V。（2）既有漸變也有突變。等容時(shí)兩部分梯度疊加、可達(dá)重力梯度的2-4倍,與重力梯度分別代表巖石圈地壓梯度漸變的上、下限。在巖石圈主要物質(zhì)組成的相變線上、特別臨界點(diǎn)處,即在很小時(shí)空,將發(fā)生地壓梯度突變而趨勢(shì)于無窮大、發(fā)生爆炸。四地壓梯度變化的意義研究的幾個(gè)方面:1不同狀態(tài)和條件下地壓梯度差異相對(duì)應(yīng)的意義。2變化時(shí)的意義（1）漸變相對(duì)應(yīng)的意義（2）突變相對(duì)應(yīng)的意義3增壓和降壓的不同性質(zhì)，相對(duì)應(yīng)的地質(zhì)意義地壓梯度變化時(shí)引發(fā)的物理化學(xué)行為的地學(xué)意義:壓力降低，巖石礦物熔點(diǎn)下降甚至相變、脫水溫度下降、力學(xué)性質(zhì)變化、礦物組合重組，含水體系水相變及所溶組分的溶解度變化等。4.1含柯石英榴輝巖的深度計(jì)算按理論推導(dǎo)和事實(shí)統(tǒng)計(jì),顯示出超高壓變質(zhì)巖的地壓梯度可達(dá)2-4倍靜巖地壓梯度。1）按3倍靜巖地壓梯度計(jì)算。即dP/dH=0.09±GPa/km。所以含柯石英榴輝巖的壓力為2.5~4GPa時(shí),大致深度為28~44km,而不是以前認(rèn)為的1倍靜巖地壓梯度計(jì)算出來的83~133km2）考慮到這些榴輝巖的形成溫度時(shí),按前表500-1000℃之間,則地壓梯度為2.5~3.0倍的靜巖地壓梯度。按2.5倍靜巖地壓梯度計(jì)算,2.5~4GPa時(shí)對(duì)應(yīng)的深度為33~53km因此:含柯石英榴輝巖形成深度不一定那么大,為40±10km364.2高壓麻粒巖中的兩種地溫梯度如:信陽邢集閆莊地區(qū)玄武巖筒中的包體，出現(xiàn)兩種差異明顯的地溫梯度。16~18，25~31℃/km又如:冀西北麻粒巖中出現(xiàn)兩種地溫梯度（20℃/km和30℃/km）及“溫壓不同步”的現(xiàn)象（王仁民等,1996；翟明國等,1992）。再如:若麻粒巖及尖晶石二輝橄欖巖的地壓梯度與開放體系的靜巖壓力梯度相對(duì)應(yīng)，則能解釋正常（而非高壓）麻粒巖溫壓較集中的現(xiàn)象。為兩種地壓梯度，極可能是體系性質(zhì)變化而呈現(xiàn)開放體系和封閉體系的兩種地壓梯度?？傊?變質(zhì)作用的等溫降壓過程、同一樣品中出現(xiàn)明顯不同的兩種地溫梯度，很有可能是因?yàn)閹r石圈體系性質(zhì)（封閉與開放）改變所致，或有部分貢獻(xiàn)。374.3對(duì)熱液礦床形成的影響影響礦床的形成深度計(jì)算結(jié)果,進(jìn)而影響礦床的評(píng)價(jià)。隨體系性質(zhì)由封閉轉(zhuǎn)向開放,將出現(xiàn)等溫降壓過程,原賦存于巖石和礦物中的水會(huì)釋放,也應(yīng)是熱液的來源之一。若巖石圈局部某含水體系由封閉轉(zhuǎn)為開放,可能引發(fā)水的一、二級(jí)相變,影響成礦物質(zhì)活化、遷移和沉淀,水的(擬)相變線(點(diǎn))將控制著熱液成礦作用。通過水相變可建立構(gòu)造期次與成礦期次之間關(guān)聯(lián),進(jìn)而探索成礦大爆發(fā)過程等。38在100~450℃（最大不超過550℃）之間水的相變線（含臨界點(diǎn)）和擬相變線,控制著熱液成礦作用。39熱液礦床的成礦溫度多局限于100~400℃之間。這幾乎成了一個(gè)共識(shí)（鄧晉福等,1999）。其原因極有可能是這一溫度段正是水一、二級(jí)相變（含臨界點(diǎn)及超臨界區(qū)擬相變線）、物理化學(xué)參數(shù)變化明顯的溫度段,在這一溫度段之外的溫壓變化不會(huì)引起熱容、溶解度等物理化學(xué)參數(shù)的明顯變化,成礦的可能性不大。40芳香族化合物的等溫溶解度曲線（a）苯（b）甲苯(ConnollyJF.SolubilityofHydrocarbonsinWaterNeartheCriticalSolutionTemperatures[J].JournalofChemicalandEngineeringdata,1966,11(1):13-16.)轉(zhuǎn)引自陳文霄,2015有機(jī)物在水臨界點(diǎn)處溶解度的突變41鏈狀烴的等溫溶解度曲線（a）正戊烷（b）正庚烷（c）2—甲基—戊烷423.4地震觸發(fā)在巖石圈中,除了有隨地溫變化的地壓梯度漸變外,當(dāng)處于物質(zhì)相變線（及點(diǎn)）附近時(shí)的熱壓突變趨于無窮、破壞封閉體系,可能觸發(fā)地震等。4