NG：石英包裹体揭示了与下地壳高压熔体有关的地震活动

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俯冲带地震活动频繁，震源深度为几公里到几百公里的范围，对应的温度和压力范围很广。地震发生时，相邻两块岩块之间发生快速相对位移，并伴有剧烈摩擦，摩擦面可形成一层薄薄的高温摩擦熔体。地震发生后，这些摩擦熔体迅速冷却，形成过冷熔体，最终凝结成玻璃状或细粒的暗色岩脉，即伪玄武岩玻璃（Pseudotachylyte）。假玄武岩玻璃因地震时的应力释放和摩擦熔化过程而被称为化石地震。今天对假玄武岩玻璃的研究往往仅限于岩石学的定性描述。这是因为冷凝结晶过程持续时间太短，内部的矿物组合难以达到热力学平衡。这使研究人员了解地震过程中的摩擦融化。对所经历的瞬时温度和压力知之甚少。近日，挪威奥斯陆大学地球科学学院钟欣利用石英包裹体压力计计算地震时的摩擦熔体压力，并利用弹性模型定义下地壳非静态岩石应力场。相关成果于6月17日发表在Nature Geoscience上。在挪威西部卑尔根附近的霍尔斯诺伊岛上，岛上的假玄武岩玻璃是由于喀里多尼亚造山时期的地震活动而形成的。这些假玄武岩玻璃含有石榴石颗粒（图 1）。这些石榴石密集分布在假玄武岩玻璃的外缘，粒径较小，而在内部，则相反。分布类似于吹蒲公英。这可能反映在靠近围岩一侧的摩擦熔体冷却速度较快，石榴石结晶时间较短，因此结晶形成的粒度较小；而远离围岩一侧的石榴石结晶时间较长，因此粒径较大。图1（a）假玄武岩玻璃现场照片； (b) 在假玄武岩玻璃和围岩之间的界面处切断石榴石。假玄武岩玻璃内部是小蒲公英般的石榴石。这些石榴石在界面附近具有较小的颗粒，而在远离界面处具有较大的颗粒（修改自 Zhong et al., 2021）。紫石，发现它们内部发育了各种夹杂物。研究重点是石英包裹体。石英比石榴石更容易压缩。当石英与石榴石一起被带到表面时，它会包含一定的残余压力。这种现象在日常生活中屡见不鲜。例如，当一个密封的空可乐瓶被带上飞机时，随着机舱压力的降低，可乐瓶会膨胀。这是因为起飞后机舱内的压力低于地面标准大气压，所以空气会推动可乐瓶膨胀。同样，石英夹杂物在这个例子中相当于空气，石榴石就像可乐瓶。当石英被带到地表时，所包含的残余压力量取决于石英和石榴石的物理参数，以及石英被包裹时周围的温度和压力。为了获得地震时摩擦熔体的压力，研究人员使用拉曼光谱仪测量石英包裹体的拉曼频移。在压力的作用下，石英晶格的振动频率增加，频率的增加与其所承受的压力大致成正比。通过这种方法，可以计算出石英包裹体的残余压力（见图2）。随后，通过建立一维弹性模型，恢复了石英包裹体记录的摩擦熔体压力。围岩温度超过700℃时，摩擦熔体压力应大于2GPa。该研究首次准确地限制了地震期间摩擦熔体的压力。有趣的是，该压力与拟玄武岩玻璃基体中辉石-长石热力学平衡计算得出的压力1.5 GPa相差0.5 GPa以上，远高于两种方法误差范围之和.这一发现也带来了一个问题。为什么两种方法定义的压力如此不同？毫无疑问，石榴石应该是在摩擦熔体凝结的早期形成的，因为内部没有发现低压长石包裹体，而在随后的凝结退火过程中形成了伪玄武岩玻璃的眼长石基体。两者之间的压力反映了摩擦熔体的减压过程。为了解释两者之间的压力差，需要模拟地震前后摩擦熔体的应力变化。图2 (a) 拉曼光谱测得的石英包裹体残余压力，横轴和纵轴为由两个拉曼峰计算得到的残余压力，修正关系来自Schmidt and Ziemann (2000)； (b) 绿色条带显示了弹性模型恢复的摩擦熔体压力（从Zhong et al. 2021 修改），虚线显示了伪玄武岩玻璃基质中的眼科和长石组分定义的压力。 .(2018) 一致的结果。研究人员使用 Eshelby 的分析解决方案进行弹性建模。该方法可用于计算因体积变化或远场力引起的静脉体应力。研究人员首先尝试测试摩擦熔化引起的体积膨胀是否会带来瞬时压力增加。模拟结果（图 3a）表明，即使是 10% 的体积膨胀仍然不能带来相当大的熔体压力增加。随后，通过尝试测试低粘度摩擦熔体在非静态岩石压力作用下是否会产生显着的压力变化，研究发现，当地震摩擦熔体形成时，其内部压力瞬间达到远场应力。垂直于其表面（图 3b），这是因为摩擦熔体剪切模量接近于零，因此无法承受更高的微分应力。为了保证受力平衡，摩擦熔体的压力值必须等于作用在静脉上的垂直应力。蒲公英状石榴石首先在凝结初期形成，其中石英包裹体记录的摩擦熔体压力高达 2.2 GPa。熔体完全凝结后，假玄武岩玻璃熔体的压力迅速恢复到远场应力，在退火过程中形成小晶粒辉石-长石基体，对应压力为1.5GPa。这个过程可以更好地解释石榴石和伪玄武岩玻璃基体之间的 0.5 GPa 压差。值得一提的是，这里推断出的非静态岩石应力场的微分应力值可以通过其他独立的方法进行验证，例如熔体注射的弹性力学模型，得到的微分应力值也在0.7GPa左右，如如图 3b 所示。结果很接近。图3（a）体积膨胀10%引起的熔体压力变化； (b) 远场力作用下的熔体压力变化 (Zhong et al., 2021) 最后一个关键问题是非静态岩石应力场是 代表地震过程中的瞬时动态应力或可以存在一段时间的构造应力很久？为了回答这个问题，研究人员进行了热传导模拟（图 4）。由于热传导，摩擦熔体的核心温度会在3分钟后下降到1000℃左右。考虑到石榴石的结晶速度较慢，保守估计结晶时的温度应低于800～900度。地震动态应力的持续时间取决于震级，持续时间从几十秒到几分钟不等（Rowe et al. 2012），所以石榴石内部的石英包裹体应该记录构造应力。特别是，这种构造应力包含接近 1 GPa 的差异应力。这项工作还导致了几个关键问题：（1）在该地区的围岩中没有发现含水矿物。高围压下如何形成断层？断层形成初期的弱化作用是什么？ Jamtveit 等人。 (2018)提出了下地壳地震可能是上地壳地震引起的新理论。这个理论可以用在这个领域吗？ (2) 下地壳的强度能否承受这种不同的应力？考虑到围岩的蠕变效应，这个过程可能对应于地震前后应力的快速积累和释放，还是干燥的下地壳在流变学上比传统认为的要强？ (3) 由于假玄武岩玻璃样品（蒲公英状石榴石和石英包裹体）的独特性，研究人员能够限制地震引起的摩擦熔体压力，但这种方法能否在其他地区推广，还有待考证更值得研究。图 4 热传导仿真结果。初始摩擦熔体为1500摄氏度（蓝色），高于石榴石的熔点。该曲线显示了不同时间摩擦熔体和围岩的温度变化