松辽盆地南部岩石圈地幔变形特征及各向异性分析——来自橄榄岩包体的约束

商咏梅 周永胜 马玺

松辽盆地是中国东部晚中生代裂谷盆地群中发育最早(Renetal., 2002)、保存最完好的盆地,是中国东部岩石圈减薄的中心之一(Lietal., 2021)。围绕松辽盆地的地震波各向异性测量结果为研究松辽盆地岩石圈地幔变形提供了条件,以往多采用SKS波分裂(S为剪切波、K为穿过外核的纵波,SKS wave splitting)研究大陆上地幔的各向异性特征,远震SKS波穿过下地壳和地幔各向异性层,分裂成不同速度传播的快波和慢波,快波偏振方向平行于地幔流动方向,快波、慢波延迟时间差依赖于上地幔的各向异性强度与各向异性层的厚度。已有研究表明,地震波各向异性主要由岩石圈内造岩矿物的晶格优选方位(Crystallographic Preferred Orientation, CPO)引起。在构造应力作用下,矿物发生塑性变形形成CPO,导致岩石圈具有地震波各向异性。因此,通过SKS波分裂测量结果可建立起岩石圈变形与各向异性之间的关系(Nicolas and Christensen, 1987; Silver and Chan, 1991; Tommasietal., 1999)。

围绕松辽盆地已进行的大量SKS波分裂测量,获得了地幔变形结构特征(Liuetal., 2008; Li and Niu, 2010; 强正阳和吴庆举, 2015; Shietal., 2015; Chenetal., 2017; Lietal., 2017; 鲁明文等, 2019; Bietal., 2020)。结果显示在松辽盆地内部,以N45°～N46°为界,其南北两侧的SKS快波方向不同,在北侧,SKS的快波方向为NNW-SSE向,与其东侧的三江盆地一致;在中部(N45°～N46°),SKS快波方向近E-W向;而在南侧,SKS的快波方向既有NW-SE向,又有NE-SW向(Chenetal., 2017; Lietal., 2017; 鲁明文等, 2019)(图1)。固定台站的观测结果显示松辽盆地各向异性强度表现为西部较弱,而中部和东部相近且较强(鲁明文等, 2019)。

图1 中国东北地区构造分区简图(据Yu et al., 2010; Hao et al., 2016; Li et al., 2017修改)

不同学者对围绕松辽盆地的地震波各向异性的来源存在争议。部分学者提出,岩石圈早期伸展变形导致的残留各向异性可以解释中国东北地区的NW-SE向的SKS测量结果(Li and Niu, 2010; 强正阳和吴庆举, 2015; Chenetal., 2017)。Liuetal.(2008)认为SKS测量结果可以由太平洋板块内亚稳态的橄榄石的CPO解释,也可以由板块之上地幔楔中的弧后软流圈的流动来解释。对于大兴安岭南侧,松辽盆地西南部的复杂SKS观测结果,Lietal.(2017)认为是由于长白山火山下面的地幔上升流触发了松辽盆地南部的地幔下沉,Chenetal.(2017)认为是该区域下方正在进行的岩石圈拆离引起。

由此可见,松辽盆地的地震波各向异性具有复杂的特性,由于缺乏深部岩石变形方面的研究来约束地球物理测量结果解释的合理性,制约了人们理解该地区的岩石圈变形动力学过程。变形导致的橄榄岩各向异性是上地幔各向异性的主要来源(Mainpriceetal., 2000; Jung, 2009)。橄榄石作为上地幔最主要的矿物,其发生塑性变形形成的CPO是解释上地幔地震波的各向异性的基础。野外观察和实验研究表明,橄榄石作为控制上地幔变形速率的矿物(Jinetal., 1989),其不同CPO的形成可能与上地幔地球动力学过程密切相关。研究表明橄榄石的CPO可以分为A、B、C、D、E和AG六种主要类型(Jungetal., 2006; Karatoetal., 2008; Tommasietal., 1999, 2000, 2008),主要受应力、水含量,温度,压力和熔体的影响(Jung and Karato, 2001; Jungetal., 2006; Holtzmanetal., 2003; Couvyetal., 2004; Mainpriceetal., 2005; Higgie and Tommasi, 2012, 2014)。其他因素也会影响橄榄石CPO的形成,如应变(Hansenetal., 2014; Chatzarasetal., 2016; Bernardetal., 2019)、变形历史(Boneh and Skemer, 2014)和变形机制(Précigout and Hirth, 2014)。因此,研究橄榄石的CPO可为上地幔的变形环境和变形特征提供指示。

由碱性岩浆快速上升携带至地表的地幔包体能够很好地保留深部岩石圈地幔的变形特征,研究这些包体的成分和显微构造可以为岩石圈深部岩石学和构造变形的研究提供最为直接的信息和证据。已有报道在松辽盆地南部双辽火山群中产出大量的地幔橄榄岩包体(于宋月等, 2007; Yuetal., 2009, 2010; Haoetal., 2016),研究多以地球化学为主,缺乏来自构造变形方面的研究。基于此,本文拟以松辽盆地南部双辽火山群中地幔橄榄岩包体为研究对象,对其进行详细的岩石学、地球化学、显微结构、各向异性研究,来约束新生代松辽盆地南部岩石圈地幔的变形环境及运动变形特征,结合地球物理测深资料,为松辽盆地复杂的地震波各向异性解释提供约束。

1 地质背景

双辽火山群位于松辽盆地南部,由八座盾状火山组成,包括大吐尔基山、小吐尔基山、敖宝山、勃勃图山、玻璃山、大哈拉巴山、小哈拉巴山和石头山,火山岩主要为碧玄岩和碱性橄榄玄武岩,其中敖宝山、勃勃图山和玻璃山普遍包裹大量的地幔橄榄岩包体(高金亮等, 2017; 郭鹏, 2019)。本次研究的样品采自双辽火山群勃勃图山(N43°33′13″、E123°32′28″)和玻璃山(N43°44′6″、E123°27′58″)碧玄岩中(图1),火山围岩年龄集中于始新世(51～41.6Ma)(刘嘉麒, 1999; Xuetal., 2012)。橄榄岩包体呈椭球形或扁圆形,包体长轴约3～10cm,块状构造,中细粒-中粗粒结构,肉眼可见鲜绿色的橄榄石,未见明显蚀变。本文共分析了9件包体样品,橄榄岩含橄榄石(53%～85%)、斜方辉石(9%～26%)、单斜辉石(2%～19%)和尖晶石(<5%)(表1),根据包体样品矿物含量确定的岩性为二辉橄榄岩和方辉橄榄岩。

2 研究方法

本次研究对所采集的地幔橄榄岩包体样品进行了详细的电子探针测试分析。电子探针测试分析在吉林大学地球科学学院自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室完成,矿物成分测试仪器为JXA-8230型电子探针,加速电压和电子束电流分别为15kV和1.02×10-8A,束斑直径0.5μm,采用美国SPI公司的硅酸盐矿物及氧化物标样,应用ZAF氧化物修正法校正。主要测试分析矿物为橄榄石、单斜辉石、斜方辉石和尖晶石,各种矿物的电子探针测试结果见表2。

岩石包体样品中矿物的CPO测量在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室完成,使用Zeiss Sigma扫描电镜及Oxford Aztec软件进行EBSD测量分析。将岩石薄片精细抛光后置于20kV的扫描电镜电子束电压下,采用岩石包体薄片大面积自动扫描技术,扫描步长约18～30μm。本次研究样品均为地幔岩石包体,无法直观地获得宏观面理和线理。在标准矿物的选择上,已有研究表明自然界中斜方辉石存在7种CPO类型,分别为AC、AB、BC、ABC、CA、CB和BA型,并存在斜方辉石的CPO“模仿”橄榄石的CPO情况(Bernardetal., 2021),结合双辽地区地幔橄榄岩存在熔体交代作用(Yuetal., 2009),熔体-岩石反映结构指示存在Opx+Sp+熔体(Ⅰ)→Cpx+Ol+熔体(Ⅱ)(于宋月等, 2007),故本次研究没有选择以斜方辉石或单斜辉石的CPO为标准进行组构旋转。在数据处理时结合岩石薄片的线理方向进行参考,选择以橄榄石的CPO为参照矿物进行CPO极图旋转,使橄榄石[100]轴的极密平行于E-W(X)方向,橄榄石的[010]轴的极密平行于N-S(Z)方向。

岩石包体样品中矿物百分比由EBSD图像计算得出(表1)。地幔橄榄岩中矿物组构强度以J值(Bunge, 1982)和M值(Skemeretal., 2005)表征,以BA值来表征橄榄石CPO对称性(Mainpriceetal., 2015),其中P和G是用来描述[100]和[010]轴分布参数(P表示点,G表示环带)(Vollmer, 1990)。依据BA值将橄榄石CPO分为三类:(1)fiber-[010]组构(AG型),CPO以[010]轴点极密和[100]和[001]轴环带分布为特征(BA<0.35);(2)斜方对称型组构,CPO以[100]、[010]和[001]轴呈现点极密为特征(0.350.65)(Liuetal., 2019)。

依据岩石包体中主要矿物的单晶体弹性常量、CPO和矿物(橄榄石、斜方辉石、单斜辉石)百分比来计算地震波性质(Mainprice and Humbert, 1994; Mainprice, 2007)。利用MTEX软件计算地幔橄榄岩中主要矿物CPO极图、M值、J值、BA值以及地震波参数包括VP、VS,各向异性参数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 研究结果

3.1 显微结构特征

在偏光显微镜下,橄榄岩显示粗粒-残斑状、粗粒-原生粒状、扁平-等粒状结构(表1)。橄榄石和辉石颗粒粒径一般在0.5～5mm之间,大者可达6～8mm,裂隙发育,有些矿物颗粒出现压扁拉长定向的变形特征。

在粗粒-残斑状橄榄岩中,橄榄石和斜方辉石颗粒边界较平直,可见不规则形状橄榄石和辉石,部分大颗粒橄榄石和斜方辉石拉长定向,粒径约0.5～8mm。橄榄石保存亚颗粒边界(图2a-c),可见120°三联点、大颗粒斜方辉石包裹橄榄石小颗粒(图2b-e)、斜方辉石和橄榄石港湾状颗粒边界(图2d, e),及他形尖角状斜方辉石(图2b, e)。

图2 双辽地区橄榄岩包体正交偏光下显微结构图

在扁平-等粒状结构橄榄岩中,橄榄石和辉石颗粒边界较平直,部分颗粒拉长定向排列,粒径约0.5～3mm。橄榄石保存少量的亚颗粒边界,可见120°三联点、大颗粒斜方辉石包裹橄榄石小颗粒(图2f)。在粗粒-原生粒状橄榄岩中,静态重结晶作用明显,橄榄石和辉石颗粒边界平直,粒径约0.5～5mm,部分橄榄石保存亚颗粒边界(图2g),可见大颗粒橄榄石包含斜方辉石(图2g)、120°三联点(图2g-h)和四联点(图2h)。在橄榄岩包体中,单斜辉石和尖晶石颗粒较小,多充填在其他矿物粒间。尖晶石呈他形粒状(图2i),在部分橄榄岩包体中可定向延伸形成线理。

3.2 地球化学特征

电子探针分析结果显示,包体中橄榄石的Mg#[Mg#=100×Mg/(Mg+Fe)]变化范围在90.23～91.87(表2)之间,含0.02%～0.10% CaO(图3a)。斜方辉石含有2.16%～4.85% Al2O3、0.49%～1.08% CaO和0.04%～0.12% TiO2,Al2O3的含量与TiO2的含量呈正相关(图3b)。单斜辉石含有0.92%～1.44% Cr2O3、2.95%～6.40% Al2O3、0.05%～0.39% TiO2和0.94%～1.56% Na2O,Mg#与Al2O3的含量呈负相关(图3c)。尖晶石中Al2O3和Cr2O3的含量分别为27.59%～54.14%和12.21%～38.75%(表2),Cr#变化范围为13.15～48.52。橄榄岩中共存的尖晶石的Cr#和橄榄石的Mg#值关系以及较高的Cr#表明部分样品经历了较高程度的部分熔融(10%～25%)(图3d)。

图3 双辽橄榄岩包体的矿物化学成分图

矿物微观结构和化学成分显示,双辽地区地幔橄榄岩为平衡状态,利用斜方辉石中钙地质温度计获得样品的平衡温度为893～1077℃,利用二辉石地质温度计获得样品的平衡温度为950～1152℃(Brey and Köhler, 1990)(表2)。橄榄岩包体的平衡温度结果显示,本次研究计算结果与前人的研究结果相近(Haoetal., 2016; 郭鹏, 2019; 林阿兵, 2020)。

3.3 主要矿物的CPO类型

双辽地区橄榄岩包体中橄榄石、斜方辉石和单斜辉石的CPO测量结果见图4、图5、表1。由测量获得的CPO极图可知双辽地区橄榄岩包体中橄榄石的CPO分为A型、D型和AG型3种类型。AG型橄榄石CPO表现为[001]轴和[100]轴在面理内形成环带,[010]轴形成面理法线方向(Z)的点极密(图4、表1)。A型橄榄石CPO表现为[100]轴形成与线理(X)方向平行的点极密,[010]轴形成面理法线(Z)方向的点极密,[001]轴形成面理内与线理方向垂直的点极密(Y)(图4、表1)。D型橄榄石CPO表现为[100]轴形成与线理(X)方向平行的点极密,[010]轴和[001]轴形成垂直于线理方向的环带(图4、表1)。橄榄石的组构强度J值和M值范围分别为1.87～53.93和0.05～0.48(表1),其中样品BLS19-3的橄榄石组构强度较强,可能源于样品中粗粒橄榄石较多(Liuetal., 2019)。本次研究中显示AG型、A型、D型CPO的橄榄石BA值范围分别为0.23～0.3、0.44～0.58、0.66～0.75,与前人的研究结果相似(Tommasietal., 2016; Liuetal., 2019; Yangetal., 2019)。

图4 EBSD测量获得的双辽地区橄榄岩包体中橄榄石的CPO图像

图5 EBSD测量获得的双辽地区橄榄岩包体中斜方辉石(Opx)和单斜辉石(Cpx)的CPO图像

双辽地区橄榄岩包体中的斜方辉石可识别出多种类型CPO。其中AC、BC、ABC型为常见的CPO类型(Jungetal., 2010),与橄榄石CPO一致,显示斜方辉石的[001]轴和[100]轴(或[010]轴)的极密分别平行于橄榄石的[100]轴和[010]轴的极密方向,暗示斜方辉石和橄榄石同期变形。部分样品中斜方辉石的CPO与橄榄石的CPO不一致,显示斜方辉石[001]轴或[010]轴的极密位于面理法线方向,[100]轴的极密与线理方向一致,近似BA、CA型CPO(Bernardetal., 2021)(图5)。

由于样品中单斜辉石含量较少(表1),单斜辉石相对比橄榄石和斜方辉石表现出较分散的极密特征。大部分样品中单斜辉石的CPO与橄榄石的CPO的变形一致,显示[001]轴的极密平行于线理方向,[010]轴的极密位于面理法线方向(图5)。样品BBT19-11中单斜辉石的[001]轴的极密位于线理方向,[100]轴形成面理法线方向的点极密,显示(100)[001]滑移特征。

3.4 地震波各向异性计算结果

由橄榄岩包体中主要矿物CPO和矿物含量百分比计算获得的全岩地震波各向异性参数见图6。橄榄岩包体样品中,P波速度最大(VPmax)方向均位于面理内与线理方向平行,P波速度最小(VPmin)方向均位于面理法线方向。样品BLS19-8的P波速度最小(VPmin)方向位于面理内与线理方向垂直(图6)。全岩VPmean为8.24～8.44km/s,平均值为8.34km/s,VP各向异性(AVP)为4.79%～11.80%,平均值约为8.00%(表3)。

表3 双辽地区地幔橄榄岩包体全岩地震波参数

全岩最大剪切波各向异性(AVSmax)方向位于面理面内,最小剪切波各向异性(AVSmin)方向与面理垂直或斜交(图6)。样品BLS19-8的AVSmax方向位于面理法线方向,AVSmin位于面理内与线理方向平行。橄榄岩包体全岩最大剪切波各向异性(AVSmax)为3.13%～7.93%,平均约为5.54%(表3)。全岩的快剪切波(VS1)极化方向与线理的方向平行(图6)。

4 讨论

4.1 松辽盆地南部岩石圈地幔变形环境

双辽地区橄榄岩包体中橄榄石的Mg#值(90.23～91.87)和低CaO成分暗示橄榄岩包体来源于上地幔(表2)。橄榄岩包体的平衡温度为893～1152℃,位于尖晶石稳定的地温梯度范围内。通过松辽盆地的地温曲线(Jiangetal., 2019)推测双辽地区橄榄岩包体的来源深度约为50～75km。围绕松辽盆地,接收函数结果显示松辽盆地的岩石圈厚度约100～120km(Guoetal., 2015, 2016; Zhangetal., 2014),地壳厚度约27～35km(Taoetal., 2014; Zhangetal., 2014)。由此可知,双辽地区橄榄岩包体来源于岩石圈地幔。

双辽地区岩石圈地幔橄榄岩中橄榄石和辉石发育明显的亚颗粒边界特征,这表明橄榄岩的主要变形机制为位错蠕变(图2)。橄榄石和辉石的粗粒、多边形边界及120°三联点特征表明,橄榄岩在变形后经历了较强的静态重结晶。傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测量结果显示,中国东北地区新生代岩石圈地幔含水量较低(Haoetal., 2016)。双辽地区岩石圈地幔橄榄岩中橄榄石的CPO主要显示A型、D型和AG型CPO(图4)。橄榄石A型CPO作为上地幔最常见的橄榄石CPO类型,多形成于高温、低应力和低水含量的条件下(Ismaïl and Mainprice, 1998; Jungetal., 2006; Karatoetal., 2008),由此推测,双辽地区岩石圈地幔处于高温、低应力和低水含量的变形环境,主要变形机制为位错蠕变。

4.2 橄榄石CPO的形成机制

AG型和D型橄榄石CPO的成因比较复杂,其中AG型橄榄石CPO的成因包括:(1)在高温/高压/高水含量/低应力条件下(010)[100]和(010)[001]滑移系的同时滑移(Tommasietal., 2000; Mainpriceetal., 2005; Jungetal., 2014; Wangetal., 2016);(2)轴向缩短或转换挤压条件下的变形(Tommasietal., 1999);(3)熔体存在条件下的变形(Holtzmanetal., 2003; Higgie and Tommasi, 2012, 2014; Qietal., 2018),(4)静态重结晶(Falusetal., 2008; Tommasietal., 2008; Zaffaranaetal., 2014)。D型橄榄石CPO多形成于:(1)岩石圈剪切带低温、高应力、低水含量条件下(Katayamaetal., 2004; Chatzarasetal., 2016; Park and Jung, 2017);(2)转换伸展或压缩变形体系下的变形(Tommasietal., 1999; Chatzarasetal., 2016)。由前文可知,双辽地区岩石圈地幔处于高温、低应力和低水含量的变形环境,主要变形机制为位错蠕变,因此,排除AG型和D型CPO的第(1)种成因机制。

在岩石圈相同的变形结构背景下,如轴向缩短或转换挤压下,地幔橄榄岩中橄榄石和斜方辉石的变形一致,导致橄榄石的[100]轴和斜方辉石的[001]轴在面理内形成环带(Tommasietal., 1999; Le Rouxetal., 2008; Bascouetal., 2008; Higgie and Tommasi, 2014; Yangetal., 2019)。在本次的研究结果中可见AG型和D型橄榄石的[100]轴和其对应的斜方辉石的[001]轴或[100]轴在面理内形成的环带这一现象(图4、图5)。松辽盆地的构造变形主要受到古亚洲洋构造体系和环太平洋构造体系的影响,在中新生代,西太平洋板块向欧亚大陆岩石圈下大规模的多期次、多角度深俯冲,导致松辽盆地经历了NWW-SEE向水平拉张、NWW-SEE向水平挤压、NW-SE挤压或伸展等构造变形(葛荣峰等, 2010; 田有等, 2019),为AG型和D型橄榄石CPO的形成提供了可能。

双辽地区橄榄岩包体的主要矿物成分显示橄榄岩经历了不同程度的部分熔融(图3d)。于宋月等(2007)研究表明双辽地区的岩石圈地幔受到了硅酸盐熔体的交代。橄榄岩包体中不规则的颗粒边界、橄榄石和辉石的镶嵌结构、包含结构以及亚颗粒边界等显微结构(图2)的存在说明熔体-岩石反应与位错蠕变变形是同期的(Higgie and Tommasi, 2012, 2014)。斜方辉石显示[001]轴的极密位于面理法线方向,[100]轴的极密与线理方向一致的CA型CPO(图5),可能源于斜方辉石在熔体存在下的定向结晶(Chatzaras and Kruckenberg, 2021)。熔体存在下的变形可以使橄榄石的[100]轴和[001]轴的极密分散,在面理内形成环带(Holtzmanetal., 2003; Qietal., 2018)。Tommasietal.(1999) 的研究表明挤压驱动下熔体的提取可以产生转换挤压变形,使得在熔体区形成橄榄石AG型CPO(Higgie and Tommasi, 2012)。由此推测,AG型橄榄石CPO可能形成于熔体存在下的变形环境。

颗粒边界的熔体促进颗粒扩散蠕变、颗粒边界迁移和静态重结晶,从而弱化橄榄石的CPO特征(Holtzmanetal., 2003; Jungetal., 2006; Soustelleetal., 2009)。本次研究中显示AG型CPO特征的橄榄岩的静态重结晶程度弱于显示A型和D型CPO的橄榄岩(图2),且橄榄石的J值和M值位于中等范围(表1),故认为静态重结晶不是形成AG型橄榄石CPO的主要形成机制。

4.3 松辽盆地南部岩石圈地幔各向异性分析

将由地幔橄榄岩包体计算获得的岩石圈地幔平均各向异性与地球物理测量结果对比可以估计松辽盆地南部岩石圈地幔各向异性的来源。利用公式H=δt×VS/AVS(Silver, 1996),可对松辽盆地南部各向异性层的厚度进行估算。

松辽盆地南部岩石圈地幔中橄榄石的CPO主要为A型、D型和AG型(图4),其中A型和D型橄榄石CPO的滑移方向均沿[100]轴方向,可以导致观测到的SKS快波方向平行于地幔流动方向(Mainpriceetal., 2005),而AG型CPO表现出滑移方向在滑移面上均匀分布。由于本次研究结果显示松辽盆地南部岩石圈地幔橄榄岩AVSmax位于面理面内(图6),对于垂直入射的SKS,剪切波穿过水平面理的岩石圈地幔时观察到的各向异性较小(Tommasietal., 2008, 2016)。当岩石圈地幔面理陡倾或直立时存在两种情况:(1)线理方向垂直;(2)线理方向水平;剪切波穿过面理陡倾或直立,线理垂直的岩石圈地幔时几乎观察不到各向异性;当线理水平时,可以观察到最大的剪切波各向异性(图6)。

地球物理测量结果显示松辽盆地南部SKS的快波方向既有NE-SW向,又有NW-SE向,分裂延迟时间约0.8～1.1s(N42°～N45°、E120°～E126°)(Shietal., 2015; Chenetal., 2017; Lietal., 2017; 鲁明文等, 2019)。中国东北地区利用Ps震相测量获得的地壳各向异性快波方向大致为NW向,地壳各向异性产生的分裂延迟时间约0.15～0.3s(张广成等, 2013)。软流圈流动方向通常平行于绝对板块运动(absolute plate motions,APM)方向(Vinniketal., 1992),利用HS3-NUVEL-1A模型(Gripp and Gordon, 2002)计算获得东北地区APM方向为296°(鲁明文等, 2019; Luetal., 2020),与SKS各向异性快波方向存在较大差异,由此推测松辽盆地南部测量获得的SKS各向异性主要来源于岩石圈地幔。

在松辽盆地南部,由岩石圈地幔橄榄岩包体中矿物CPO估算双辽地区岩石圈地幔平均各向异性约5.54%,接收函数结果显示松辽盆地的岩石圈厚度约100～120km(Taoetal., 2014; Zhangetal., 2014),当岩石圈地幔面理陡倾或直立,当线理水平时,可以解释观察到的SKS分裂延迟时间(图7a);当线理垂直时,可以解释在松辽盆地南部中间部分未观测到的SKS分裂结果(图7b)(Li and Niu, 2010)。

图7 松辽盆地南部岩石圈地幔变形模式图(据Chen et al., 2017修改)

松辽盆地南部岩石圈地幔的面理陡倾或直立这一结论得到了地球物理测量结果的支持。S波速度3D模型显示在松辽盆地南部,N42°～N45°之间,存在高速层,并延伸至300km(Guoetal., 2018),为长白山火山下面的地幔上升流触发了松辽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动使矿物定向排列,导致Vvertical>Vhorizontal(Karatoetal., 2008; Liangetal., 2022)。综合地幔橄榄岩变形和地球物理测量结果,推断松辽盆地南部岩石圈地幔面理陡倾或直立,在盆地南部中间地幔垂直流动下沉,而在盆地南部围绕地幔下沉部分的岩石圈地幔线理方向近水平流动(图7)。

5 结论

通过对松辽盆地南部双辽地区橄榄岩包体的岩相学、地球化学、显微结构、各向异性研究,获得如下结论:

(1)双辽地区橄榄岩包体的平衡温度为893～1152℃,来源于岩石圈地幔;微观结构分析表明,松辽盆地南部岩石圈地幔处于高温、低应力和低水含量的变形环境,橄榄石的主要变形机制为位错蠕变;

(2)橄榄石的CPO主要为A型、D型和AG型CPO,其中,AG型和D型橄榄石CPO可能形成于西太平洋板块向欧亚大陆俯冲回撤导致的岩石圈构造变形,AG型橄榄石CPO可能形成于熔体存在下的变形环境;

(3)橄榄岩包体全岩VP各向异性(AVP)为4.79%～11.80%,最大剪切波各向异性(AVSmax)为3.13%～7.93%;基于各向异性计算,结合地球物理测量获得的结果,推断松辽盆地南部岩石圈地幔面理陡倾或直立可以解释观测到的复杂的SKS各向异性。

致谢感谢俞良军副主编和两位审稿专家认真审阅了本文并提出了宝贵建议和修改意见。