云南高黎贡山典型斜长角闪岩地震波速、各向异性及其晶格优选定向的研究

嵇少丞，道林克祯 ，邵同宾，赵卫华，近藤洋裕 ，王红才

1) 加拿大蒙特利尔综合工学院民用、地质与采矿工程系，加拿大蒙特利尔，H3C 3A7 2) 中国地质科学院地质力学研究所，中国北京，100081 3)日本静冈大学地球科学系，日本静冈，422-8529

内容提要：斜长角闪岩和角闪岩相变质岩石是大陆中—下地壳、岛弧深部地壳以及俯冲大洋地壳中最重要的组成岩石之一，查明目前地壳中斜长角闪岩的体积含量、空间分布及其应变状态对于深入研究大陆地壳的形成与演化过程极其重要。笔者等实验测量了云南高黎贡韧性剪切带典型变形斜长角闪岩7个关键性方向上的地震(P和S波)波速随静水围压(0～600 MPa)的变化规律，并利用电子背散射衍射(EBSD)技术测定了主要造岩矿物角闪石、斜长石和石英的晶格优选方位，查清斜长角闪岩中地震波速各向异性与剪切波分裂的成因，确定斜长角闪岩中有限应变椭球与波速椭球的对应关系，为今后利用原地地震波速的各向异性调查地壳深部区域构造应变场提供必要的实验和理论基础。

角闪岩又名斜长角闪岩，是以角闪石和斜长石作为主要矿物的区域变质岩(Neuendorf et al., 2011)。斜长角闪岩既可是原先的基性火成岩(例如，玄武岩和辉长岩)或富铁白云质泥灰岩在角闪岩相(即中温中压：500～700 °C、0.4～1 GPa)条件下变质形成的结晶岩石，亦可以是高压和超高压榴辉岩、基性麻粒岩、甚至超铁镁岩退变质而成。斜长角闪岩一般都具塑性变形的面理和线理构造。斜长角闪岩和角闪岩相变质岩石广泛分布于造山带中，是中—下地壳最重要的组成岩石之一(Christensen and Mooney, 1995; Laske et al., 2012)。此外，大陆下地壳、岛弧深部地壳以及俯冲大洋地壳内部斜长角闪岩发生部分熔融产生的岩浆，侵位结晶形成花岗岩、混合岩、二长花岗岩和英云闪长岩(Hamilton, 1988; Rappa et al., 1991; Foley et al., 2002)。所以，查明目前大陆地壳中斜长角闪岩的体积含量(Volume fraction)、空间分布及其应变状态对于深入研究大陆地壳的形成和演化过程十分重要。

目前有关中—下地壳的物质成分、结构和物理状态的认识绝大部分还是来自于地震波的资料(反射、折射、接收函数、剪切波分裂、各向异性等)，而地震波资料的正确解释又离不开实验室内岩石地震波性质的研究。本文将报告笔者等研究云南高黎贡韧性剪切带典型斜长角闪岩的地震波速、各向异性及其晶格优选定向的结果。

图 1 斜长角闪岩标本GLG135的 野外露头照片(a)和光学显微照片(b)Fig. 1 Field outcrop (a) and optical images(b) for amphibolite sample GLG135

1 标本和实验方法

本研究所采用的斜长角闪岩标本(GLG135)采自云南省怒江傈僳族自治州福贡县架科底乡架科桥边的怒江谷岸一个被江水打磨抛光的岩石大露头(26°45′43.1″N, 98°53′25.6″E)。斜长角闪岩呈斜歪菱形布丁串分布于长英质糜棱岩之中(图1a)，后者的面理产状为(350°∠ 85°)，拉张线理在面理面上的侧伏角为20°N。斜长角闪岩布丁的非对称性以及周围糜棱岩中长石碎斑的旋转特征皆指示所在岩石经受了逆冲右旋走滑剪切。在平行于XZ面的露头上，斜长角闪岩的面理(Sa)与长英质糜棱岩的面理(Sf)之间亦有一个24°的锐角(图1a)，同样指示右旋剪切。此外，横穿斜长角闪岩布丁的长英质岩脉亦被右旋剪切旋转(图1a)。显微分析表明，按体积计，该斜长角闪岩含有87%的普通角闪石，7%的斜长石、6%的石英。普通角闪石呈板条状的大颗粒构成应力支撑格架，而斜长石与石英细颗粒则分布于角闪石的晶粒间隙(图1b)。该斜长角闪岩的全岩化学分析结果如下：SiO2=48.03%，Al2O3=11.4%，Fe2O3+FeO=12.41%，CaO=12.18%，MgO=9.4%，Na2O=1.1%，K2O=0.56%，TiO2=1.98%，MnO=0.19%，Cr2O3=0.06%，P2O5=0.21%，LOI=0.81%。

高压实验是在加拿大Dalhousie大学静水压力装置中利用声波脉冲技术进行的 (Ji Shaocheng and Salisbury, 1993; Wang Qian and Ji Shaocheng, 2009; Wang Qian et al., 2012; Sun Shengsi et al., 2012)。试样呈直径为2.54 cm，长度3～5 cm的圆柱状。为了研究高黎贡山斜长角闪岩的地震波速及其各向异性，笔者等从GLG135标本的不同方向上钻取7个圆柱试样，分别是：

X试样：圆柱轴平行于拉张线理的X方向。

Y试样：圆柱轴位于面理面上但垂直于拉张线理方向。

Z试样：圆柱轴平行于挤压面理的法线(Z)方向。

X45Y试样：圆柱轴位于面理面上、分别与X和Y方向成45°角。

X45Z试样：圆柱轴位于XZ面上、分别与X和Z方向成45°角。

Y45Z试样：圆柱轴位于YZ面上、分别与Y和Z方向成45°角。

X55Y55Z试样：圆柱轴与XY、XZ和YZ三个主构造面成45°角，但与X、Y和Z三个主构造方向皆成等角，即55°角。

声波发射和接收探头的频率为1 MHz。为了防止试样浸油，笔者等用薄铜片包裹了试样。P和S波速的测量误差分别为 ± 0.5%和±1.0%。

图 2 高黎贡山斜长角闪岩(标本GLG135)各个定向圆柱试样的P波速度与压力的变化关系Fig. 2 Vp-P curves for various directions of amphibolite sample GLG135 from the Gaoligong Mts.

2 实验结果和分析

2.1 纵波速度及其滞后性

典型的P 波随围压变化的实验曲线见图2a。在升压过程中，波速随围压先作迅速的非线性增加，然后在某一临界压力(Pc-up)之上再缓慢的近线性增加。在降压过程中，波速首先作缓慢的近线性减小，然后在某一临界压力(Pc-down)之下再作迅速的非线性减小。降压曲线总是位于升压曲线之上，Pc-up也总是高于Pc-down 。即使在线性区间内，Vp-P曲线的斜率亦即波速的压力偏导 (dV/dP) 也总是在降压时稍小于升压时。上述现象称之为地震波速的滞后性(Birch, 1960; Ji Shaocheng and Salisbury, 1993)，其量值可以定义为在某一给定压力下升压波速 (Vup) 和降压波速 (Vdown) 之差：ΔV=Vdown-Vup。在无孔隙无裂纹的完全线弹性理想岩石中，ΔV=0；在有孔隙有裂纹的实际岩石中，则ΔV>0。

岩石波速滞后性的形成原因非常复杂，迄今尚无定论。不过在本研究中，绝热升温肯定不可能形成所观察到的滞后性，这是因为除非发生矿物相变、去水化以及部分熔融，温度对岩石弹性波速的影响甚小。在无裂纹无孔隙的单晶体和完整玻璃中并无波速滞后性。所以，波速滞后性必然是与孔隙及晶界相关的物理现象。Ji Shaocheng等 (2007) 提出以下三种机制可以形成所观察到的波速滞后性：① 孔隙的不可逆压缩：在高压下被压塌的孔隙即使外压减小了也不可能恢复到原先的大小和形状；② 微裂纹的不可逆闭合：在升压过程中闭合的微裂隙两壁彼此粘结起来，即使后来外压降低了，也不再重新张开；③ 岩石中颗粒接触条件的改善：天然岩石的颗粒边界或裂纹往往遭受蚀变并在其中形成低强度的蚀变矿物如绢云母和绿泥石。在挤压过程中，这些蚀变矿物起到了韧性润滑作用，有效地改善了颗粒间的接触条件，从而提高了波速。

由于在降压时岩石试样内部的显微构造更加处于稳衡的状态(Ji Shaocheng et al., 1993; Wang Qin et al., 2005a, b)，下面我们仅讨论降压过程中测定的地震波速。全部的P波速度资料绘于图2b，在高压(>200 MPa)下，Vp(X)>Vp(X45Y)>Vp(X55Y55Z)>Vp(X45Z)>Vp(Y)>Vp(Y45Z)>Vp(Z)，即最大与最小Vp分别平行于拉张线理和垂直于面理的传播方向。在面理(XY)上，Vp(X45Y)介于Vp(X)和Vp(Y)之间。在垂直于面理并平行于线理(X)的XZ面上，Vp(X45Z)介于Vp(X)和Vp(Z)之间，比Vp(Y)略高。在垂直于面理并垂直于线理的YZ面上，Vp(Y45Z)介于Vp(Y)和Vp(Z)之间。在与X、Y和Z方向各成55°的传播方向上，Vp(X55Y55Z)介于Vp(X45Y)和Vp(X45Z)之间。

图 3 高黎贡山斜长角闪岩(标本GLG135)各个定向圆柱试样的S波速度与偏振方向及其随围压的变化关系Fig. 3 Vs-P curves for various propagation and polarization directions of amphibolite sample GLG135 from the Gaoligong Mts.

2.2 横波速度

全部的S波速度资料总结于图3。在高压(>200 MPa)下，孔隙近乎全部关闭，斜长角闪岩的S波速度反映其内在性质，在三个应变主轴方向上(图3a)，Vs(XY)>Vs(XZ)>Vs(YX)>Vs(ZX)>Vs(YZ)>Vs(ZY)，括弧中第一个字母代表S波的传播方向，第二个字母代表S波的偏振方向。在与应变椭球两个或三个主切面互成45°的传播方向上，Vs(X45Y+)>Vs(X55Y55Z+)>Vs(X45Z+)>Vs(X45Z-)≈Vs(X45Y-)>Vs(Y45Z+)>Vs(X55Y55Z-)>Vs(Y45Z-) , 括弧中字母、数字与符号描述S波的传播与偏振方向，定义见表1。

2.3 波速—围压方程

无论Vp还是Vs随围压(P)的变化皆可用下式描述：

V(P)=V0+DP-B0exp(-kP)

(1)

式中，V0为零围压时致密岩石的波速,D为波速的压力偏导。V0和D一起描述高压下 (P>Pc) 波速与围压之间的线性关系，反映致密岩石中矿物晶格的弹性体应变随外加静水压力增加而线性增加的规律。式 (1) 的右边最后一项描述裂纹和孔隙对波速的影响，B0是零围压时由裂纹和孔隙造成的波速降，k是波速衰减系数。k值越大，围压的升高更能有效提高岩石的波速。k值其实是实际岩石内部裂纹长宽比 (α) 分布的度量。α=a/b，a和b分别是裂纹长度和宽度。α大，则k值也大，在压力作用下裂纹愈易关闭，反之亦然。当α→1，则k→0，说明球状孔隙是非常难以闭合的。所以，B0和k是描述低压下 (P

笔者等使用(1)式 对所有实验测量的波速—压力曲线进行了回归分析，所有试验结果与回归曲线的吻合度皆R2>0.98(表1)。使用(1)式 的优越性非常明显，在发表的岩石地震波性质的论文中不必一一列出每一压力下测量的波速，仅需发表V0，D，B0和k四个参数即可。读者根据这些参数即可计算出自己所需要的围压或深度的岩石波速，便于数据的外延和内插。

表 1 降压过程中高黎贡山角闪岩标本各个传播方向上的P波和S波速度—压力曲线系数Table 1 Parameters of Vp—P and Vs—P curves measured during depressurization for the amphibolite sample from the Gaoligong Mts.

2.4 剪切波分裂

利用表1或图3所示的数据，笔者等计算了斜长角闪岩每一个传播方向上的剪切波分裂(图4)。在低压(<200 MPa)下，各个方向上的剪切波分裂反映矿物晶格优选定向与微裂隙优选定向之间复杂的相互作用的综合结果。在高压(>200 MPa)下，剪切波分裂仅反映岩石内部矿物晶格的优选定向。如图4所示，在高压(>200 MPa)下，剪切波在X和X45Z的传播方向上几乎不发生分裂，ΔVs<0.1；在Y和X55Y55Z的传播方向上，剪切波分裂最大>0.3 km/s；中等强度的剪切波分裂出现在X45Y、Z和Y45Z的传播方向上。

图 4 高黎贡山斜长角闪岩7个不同方向上的剪切波分裂随围压的变化Fig. 4 Shear wave splitting along 7 different propagating directions in the amphibolite from the Gaoligong Mts.

2.5 应变椭球与波速椭球

在变形岩石内部的三维空间上，有限应变的状态通常用应变椭球逼近，应变椭球的三个主轴分别是X、Y和Z，且有X≥Y≥Z。XY面是岩石的挤压面理，即Z方向垂直于面理，X就是拉张线理方向，Y就是位于面理上与拉张线理垂直的方向。那么，地震波速的三维空间分布是否亦呈椭球形状？即使是，波速椭球的三个主轴方向是否平行于应变椭球的三个主轴？两者之间的关系一直是深部地质与地球物理学家希望解决的科学问题，查明这种关系就可能通过测定不同方向的地震波速与各向异性以确定地壳深部的原地应变状态与类型，为建立合理的大地构造模型提供必要的实验基础。为此，笔者等将每一个围压下实测的Vp(X)、Vp(Y) 和Vp(Z) 值分别作为波速椭球的长轴、中轴和短轴代入椭球方程计算出Vp(X45Y)、Vp(X45Z)、Vp(Y45Z) 和Vp(X55Y55Z)，再将之与这些方向的实测波速进行比较，相对误差随围压的变化绘于图5。在围压>300 MPa下(完全排除孔隙与微裂隙的影响)，Vp(X45Y)、Vp(X45Z)和Vp(Y45Z) 的计算值和实测值之间的误差皆小于2%，但是Vp(X55Y55Z) 的计算值和实测值之间的误差稍高于3%(图5)，可能是由成分不均匀性造成的。

图 5 高黎贡山斜长角闪岩中4个非应变椭球主轴方向上理论计算与实验测量P波速度的相对误差随围压的变化Fig. 5 Comparison of the theoretical P-wave velocities with those measured along 4 different propagating directions oblique to the principal axes of the finite strain ellipsoid (X, Y and Z) in the amphibolite from the Gaoligong Mts.

2.6 弹性模量与泊松比

(2)

(3)

图6表示高黎贡斜长角闪岩GLG135的等量各向同性弹性模量和泊松比随围压的变化规律。从常压到200 MPa，E，K和G皆随压力上升而增加，反映斜长角闪岩内部微裂隙的逐渐关闭。在200～600 MPa的压力区间里，E，K和G随压力上升增加非常缓慢，但是υ缓慢地减小。在600 MPa时，υ=0.24，对应于Vp/Vs=1.71。

图 6 高黎贡山斜长角闪岩的杨氏模量E、体模量K、剪切模量G(a)与泊松比υ (b)随围压的变化Fig. 6 Young’s modulus E, bulk modulus K, shear modulus G (a) and Poisson’s ratio υ (b) as a function of pressure for the amphibolite from the Gaoligong Mts.

图 7 高黎贡山斜长角闪岩的P波和S波速度各向异性随围压的变化Fig. 7 Vp and Vs anisotropy as a function of pressure for the amphibolite from the Gaoligong Mts.

2.7 波速各向异性

地震波速各向异性(A, %) 由下式定义：

(4)

图 8 600 MPa围压下斜长角闪岩P波速度的Flinn投影Fig. 8 Flinn-type diagram showing P-wave velocities of amphibolites at 600 MPa 虚线表示各向异性等值面。角闪石单晶各向异性以及S-和L-构造岩的最大各向异性也标注出来。实心圆圈是高黎贡山斜长角闪岩的数据(k=1.5)，空心圆圈表示参考文献的数据汇总Dashed lines indicating iso-anisotropy surfaces. The maximum anisotropy is also illustrated for single crystal of hornblende, and S-and L-tectonites. The solid dot indicates the data from this study, and open dots the data from references

2.8 波速Flinn图

2.9 造岩矿物晶格优选定向及其波速计算

图 9 利用EBSD技术测量的高黎贡斜长角闪岩标本GLG135中三种主要造岩矿物——角闪石、斜长石和石英的晶格优选方位图Fig. 9 LPO (Lattice preferred orientation) figures for amphibolite sample GLG135 from the Gaoligong Mts., measured using EBSD (Electron Backscattering Diffraction) techniques. Equal-area lower hemisphere projections

笔者等在日本静冈大学地球科学实验室对高黎贡斜长角闪岩标本GLG135中三种主要造岩矿物—角闪石、斜长石和石英进行了电子背散射衍射(EBSD, Electron Backscattering Diffraction)组构的测量，角闪石的晶格优选定向特别强，其 (100) 面平行于面理(XY面)，[001]方向平行于拉张线理，(010) 面的法线方向集中于Y方向(图9a)，形成该组构的机制既可能是以 (100)[001] 滑移系为主的位错蠕变 (Reynard et al., 1989; Skrotzki, 1990; Ji Shaocheng et al., 1993; Barberini et al., 2007)，亦可能是差应力作用下角闪石的各向异性生长(Schwerdtner, 1964)，后者在流体存在的环境中尤为可能。石英和斜长石的组构与角闪石相比弱得多，主要由于它们分散于角闪石晶粒间隙之中，并不构成连续的应力支撑格架。尽管如此，图9b所示的斜长石组构还是能说明高黎贡斜长角闪岩中斜长石的位错蠕变是以 (001)[100] 滑移为主的，而不是 (010)[001] 或 (010)[100]，后两种滑移系在麻粒岩相变形斜长岩(Ji Shaocheng and Mainprice, 1988; 1990)或高温实验变形斜长石多晶集合体(Ji Shaocheng et al., 2000)中更为常见。石英的组构(图9c)揭示，石英作塑性变形，其位错蠕变以 (001)滑移为主。总之，斜长角闪岩中角闪石和斜长石组构记录的应该是相对高温的变形，而石英记录的则是后期的低温变形。

图 10 利用造岩矿物组构资料、模式成分和单晶弹性系数理论计算的高黎贡斜长角闪岩的P波波速分布、S波速度各向异性和快波偏振方向。施密特网，下半球投影Fig.10 P-wave velocities, S-wave velocity anisotropy and fast polarization directions for amphibolite sample GLG135 from the Gaoligong Mts., calculated from LPO data, modal composition, and single crystal elastic constants of each rock-forming mineral. Equal-area lower hemisphere projections

利用主要造岩矿物的晶格优选定向(图9)、单晶体的弹性系数(Aleksandrov and Ryzhova, 1961; McSkimin et al., 1965; Alexsandrov et al., 1974)和模式成分资料 (表1)，笔者等理论计算了高黎贡斜长角闪岩标本GLG135在常温常压下的地震波速分布图(图10)，计算得出的最大Vp=7.33 km/s，出现在平行于拉张线理(X)的传播方向上；最小Vp=6.36 km/s，出现在垂直面理的方向(Z)上；在Y方向上，Vp=6.70 km/ (图10a)；全岩P波速度各向异性A=14.2%。理论计算结果与100 MPa围压下实测的P波速度相当吻合，但是比常温常压下实测的地震波速要高。在常温常压下，实测的Vp(X)=6.93 km/s，Vp(Y)=6.34 km/s，Vp(Z)=6.02 km/；但在100 MPa围压下，Vp(X)=7.37 km/s，Vp(Y)=6.76 km/s，Vp(Z)=6.31 km/s，可见理论计算没有考虑实际存在的孔隙和裂隙对试样波速的影响，计算结果只能与一定围压下孔隙与裂隙关闭后的实测波速相比较。所以，理论计算目前还无法完全代替试样的实验测量。此外，理论计算结果还表明，最大S波速各向异性出现在面理(XY面)上并与X和Y方向各呈45°的两个传播方向上，而在XZ面上，剪切波各向异性与剪切波分裂很小(图10b)。当剪切波传播方向平行于面理方向时，分裂后的剪切快波的偏振方向(φ)亦平行于面理，而剪切慢波的偏振方向则垂直于面理(图10c)。计算得出的高黎贡山斜长角闪岩弹性系数矩阵见表2。

表 2 从矿物晶格优选定向资料计算出来的高黎贡山斜长角闪岩的弹性系数矩阵(Voigt-Reuss-Hill平均)

3 结论

笔者等在实验室内测量了云南高黎贡韧性剪切带典型变形斜长角闪岩7个关键性方向上的地震(P和S波)波速随静水围压(0～600 MPa)的变化方程，确定了该斜长角闪岩中地震波速各向异性与剪切波分裂的特征。在围压600 MPa下，斜长角闪岩中微裂隙全部关闭，由造岩矿物晶格优选定向造成的P波和S波速度各向异性分别是14.5% 和12.0%， 最大的剪切波分裂(0.38 km/s)出现在与有限应变椭球主轴X，Y和Z互成55°的传播方向上。在Y方向上，剪切波分裂为0.33 km/s。笔者等采用电子背散射衍射(EBSD，Electron Backscattering Diffraction)技术，测量了斜长角闪岩中三种主要造岩矿物——角闪石、斜长石和石英的组构，结果表明，角闪石的晶格优选定向特别强，其 (100) 面平行于面理(XY面)，[001]方向平行于拉张线理，(010)面的法线方向集中于Y方向。石英和斜长石的组构相对较弱，反映斜长石以 (001)[100]滑移为主的位错蠕变，而石英的位错蠕变以 (001)滑移为主。基于上述组构和模式成分资料，笔者等理论计算了斜长角闪岩的波速分布图，查清斜长角闪岩中地震波速各向异性与剪切波分裂的成因。此外，笔者等还确定了斜长角闪岩中有限应变椭球与波速椭球的对应关系，最大、中间和最小纵波速度分别对应于有限应变椭球的长轴(X)，中轴(Y)和短轴(Z)，为今后利用原地地震波速的各向异性查明地壳深部区域构造应变场提供必要的实验基础。

致谢：王茜副研究员和李阿伟博士参加了野外考察，Denis Marcotte教授协助波速—压力方程的回归分析，特此致谢。