大陆地壳磁性结构研究及其意义PDF

  第卷第期科学通报年月专题评述王林郁萌利用丝状噬菌体展示技术进行抗原决定族图谱及其基因工程的研究生物工程学报收稿收修改稿大陆地壳磁性结构研究及其意义刘庆生高山郑建平中国地质大学应用地球物理系武汉中国地质大学地球科学学院武汉摘要评述了大陆地壳磁性结构与地壳构造变质相物质组成下地壳与壳幔交换等相互关系的研究进展应用岩石磁学与矿物磁学的基本理论提出了进一步研究的建议强调建立创新的地质思维加强重磁电震与深部地质过程相互关系的综合研究将大陆地壳的磁性结构与密度结构电性结构速度结构热结构及深部地球动力学过程的

  ______________________________________________________________ 第 43 卷 第 12 期 科 学 通 报 1998 年 6 月 专题评述 13 Willis A E , Perham R N , Wraith D. Immunological properties of foreign peptides in multiple display on a filamentous bacterio phage. Gene , 1993 , 128 : 79 14 Arnon R. Synthetic peptides as the basis for vaccine design. Mol Immunol , 1986 , 28 : 209 15 Goudsmit J , Debouck C , Meloen R , et al. Human immunodeficiency virus type 1 neutralization epitope with conserved archi tecture elicits early typespecific antibodies in experimentally infected chimpanzees. Proc Natl Acad Sci USA , 1988 , 85 : 4 478 16 Javaherian K , Langlois A , McDanal C , et al. Principal neutralizing domain of the human immunodeficiency virus type 1 enve lope protein. Proc Natl Acad Sci USA , 1989 , 86 : 6 768 17 Bolognesi D P. Inmmunobiology of the human immunodeficiency virus envelope and its relationship to vaccine strategies. Mol Biol Med , 1990 , 7 : 1 18 Javaherian K , Langlois A , LaRosa G , et al. Broadly neutralizing antibodies elicited by the hypervariable neutralizing determi nant of HIV-1. Science , 1990 , 250 : 1 590 19 Defoort J P , Nardelli B , Huang W , et al. Macromolecular assemblage in the design of a synthetic AIDS vaccine. Proc Natl A cad Sci USA , 1992 , 89 : 3 879 20 Di Marzo Veronese F , Willis A E , Boyer- Thompson C. Structure mimicry and enhanced immuno genicity of peptide eiptopes displayed on filamentous bacteriophage , The V3 loop of HIV-1 gp120. J Mol Biol , 1994 , 243 : 167 21 王 林 , 郁 萌. 利用丝状噬菌体展示技术进行抗原决定族图谱及其基因工程的研究. 生物工程学报 , 1996 , 12 (3) : 235 (收稿 收修改稿) 大陆地壳磁性结构研究及其意义 ① ② ② 刘庆生 高 山 郑建平 ( ①中国地质大学应用地球物理系 ,武汉 430074 ; ②中国地质大学地球科学学院 ,武汉 430074) 摘要 评述了大陆地壳磁性结构与地壳构造、变质相、物质组成、下地壳与壳幔交换等相互关系的研究进展. 应用岩石磁学与矿物磁学的基本理论 ,提出了进一步研究的建议. 强调建立创新的地质思维 ,加强重、磁、电、 震与深部地质过程相互关系的综合研究. 将大陆地壳的磁性结构与密度结构、电性结构、速度结构、热结构及 深部地球动力学过程的相互关系作为一个深部地质系统来进行研究. 关键词 大陆地壳 磁性结构 变质相 壳幔交换 深部构造 70 年代以来 ,随着科学技术的迅猛发展 ,人类能利用磁卫星对全球地磁场做全面、系 统地观测 ,并与近地表空间范围内的高精度航磁测量及现代数学物理方法与计算技术相结合 ( ) ( 反演解释磁异常. 其结果一方面利用全球区域磁异常 不同波长 与科学创新的地质思维 或 ) 地质概念、地质模型等 相结合对区域构造直接进行地质解释 ;另一方面运用合理的数学物理 模型 ,反演出区域不同尺度地壳的磁性分布 ,然后依据磁性与岩石、矿物、地球化学组分的相互 关系 ,推测大陆地壳的结构. 然而 ,磁卫星与航磁异常的解释结果通常只能得到地壳深部大尺 度地质构造的分布特征 ,如磁卫星长波长磁异常主要反映大陆下地壳的结构特征 , 而航磁异 常则主要反映局部地质结构 ,如中、上地壳范围内断裂构造、基底及岩浆岩分布等 , 它们均无 法给出大陆地壳内部的细结构. 随世界范围内多个出露高级地体和麻粒岩包体的岩石学、 地球化学研究的深入 ,人们一致认为 ,这些出露的高级地体和麻粒岩包体可当作窥探地壳深 部结构及地球动力学过程的窗口[1 ,2 ] , 它们为大陆地壳磁性结构研究提供了一条重要途 1246 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. ______________________________________________________________中国科技论文在线 期 科 学 通 报 1998 年 6 月 专题评述 径[3 ,4 ] . 1 磁性结构与地壳构造的相互关系 大陆地壳的磁性结构与地壳构造相互关系主要是依据构造运动过程中常常伴随物质的分 异( ) 如岩浆活动 ,使得地壳中磁性矿物重新组合 ,或由于不同深度和不同岩性的前寒武纪基底 抬升至地表或区域产生拗陷等作用 , 在磁卫星或航磁中产生不同尺度分布的磁异常. Carmichael 等人[5 ]通过对美国中部大陆磁卫星资料的分析与解释 ,结果认为肯塔基/ 田纳西州 高磁性区与较厚的下地壳及富镁铁质成分相关 ,而密西西比州的地槽/ 断陷槽的区域低磁对应 地壳的减薄 ,整个佐治亚州的下地壳为低磁性. ArkaniHamed 等人[6 ]应用磁卫星资料分析了 中国部分地区的长波长磁异常 ,并反演得到视磁化率的分布结果 ,认为波长为 540 km 的磁场 ( ) 具有最高的分辨率 在 - 6～7 n T 范围内 ,误差小于 1 n T ,视磁化率异常与中国的区域构造特 征吻合很好. 如高磁性区对应前寒武纪克拉通 ,而低磁区位于山区、缝合带及西藏高原. 这些 结果支持了前人的假说 ,即大陆中等尺度磁异常可能反映了下地壳磁性的横向变化. 如果由 于山区地壳的增厚 ,使得下地壳部分插入高温的上地幔可导致岩石热退磁 ,这可能是造成一些 碰撞带区域常呈低磁异常的根本原因. 这一结果通过 Toft 等人[7 ] 对加拿大 Quebec 州 Grenville 区岩石磁性的研究结果得到证实. 在该区出露的地壳深源岩石中发生明显的水化作 用使得橄长岩中含铬磁铁矿的瓦解 ,导致磁性减小. 2 磁性结构与变质相的相互关系 人们在分析磁卫星磁异常资料时 ,注意到它们与岩石的相对变质级的关系 ,尤其是深部基 底岩石变质级的差异[5 ] . 然而 ,大陆地壳磁性结构与变质相的相互关系主要依赖对出露大陆 地壳断面岩石的研究. Fountain 等人[1 ] 系统总结了来自意大利 Ivrea 地区、澳大利亚的 Fraser 与 Musgrave 地区、加拿大蒙大拿州的 Piwitonei 带以及西非的 Kasila 组的 5 个出露地壳断面 的地质、地球物理与地球化学的研究结果 ,提出大陆地壳大尺度层状分布特征反映的不是成分 差异 ,而是变质作用的结果. 其中上、中、下地壳分别对应绿片岩相、角闪岩相与麻粒岩相. Wasilewski 等人[8 ] 首先探讨了意大利北部 Ivrea 地壳剖面的磁性结构与变质相的关系 ,其中重 点分析了角闪岩相与麻粒岩相过渡带的岩石磁性特征. 整个断面自上而下分成 A ,B ,C ,D 4 层. A 层代表中～上地壳 ,为弱磁性 ;B 层为角闪岩相 ,为中等强度磁性层 ;C 层为泥质片麻岩 与镁铁质岗粒岩互层 ,为弱磁性层 ;D 层为麻粒岩相的斜长二辉麻粒岩、辉石岩、角闪岩与镁铁 质岩 ,其磁性特征为强且变化剧烈. Schlinger [9 ] 综合岩石磁学、矿物学、区域地质及地球物理 资料 ,系统分析了挪威 Lofoten 与 Vesteralen 地区深地壳出露地体的磁结构. 重点探讨了片麻 岩与二长岩在角闪岩相与麻粒岩相条件下岩石的磁性特征及其差异 ,根据结果得出 ,麻粒岩相磁性 均普遍大于角闪岩相. 以麻片岩为例,麻粒岩相岩石的磁化率、天然剩磁、饱和等温剩磁值分 别是角闪岩相的 4 8 ,48 与 54 倍. 河南登封至鲁山地区地壳剖面的磁性结构与变质相关系 对应结果为 : 自绿片岩相的安沟群,经角闪岩相的登封群至麻粒岩相的太华群 ,随着变质等级 [3 ] ( ) 的增加 ,岩石磁性呈规律增大 . 华北地台定州五台的大陆地壳剖面中绿片岩相 滹沱群 、 ( ) ( ) 角闪岩相 阜平群与恒山群 及麻粒岩相 集宁群 ,饱和等温剩磁值分别为 4 1 ,238 和 1384 ( ) ( ) [10 ] A/ m 麻粒岩相上部 与 258 3 A/ m 麻粒岩相下部 . 巴基斯坦北部 Kohistan 杂岩代表了 ( ) 年轻的地壳 40～100 Ma , 以镁铁质岩为例,其磁性结构为自角闪岩相至麻粒岩相的进变质 1247 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. ______________________________________________________________中国科技论文在线 期 科 学 通 报 1998 年 6 月 专题评述 过程 ,对应于磁性增强 ;而自辉石麻粒岩退变质至角闪岩相 , 由于麻粒岩中亚铁磁性矿物铁钛 氧化物的破坏而导致磁性明显减弱[11 ] . Kola 超深井岩石磁性结构的分析结果也表明 ,岩石中 磁铁矿与磁黄铁矿的结晶、转化及磁化强度的分布特征与岩石的变质作用紧密关联[12 ] . 3 磁性结构与地壳物质组成的相互关系 大陆地壳由各类火成岩 、变质岩及沉积岩组成. 岩石的物理性质是它们的矿物和化学组 ( ) 成、结构构造及形成时的条件及随后所有变化 尤其是物质组成的变化 的函数 ,它在相当大 的程度上以四维形式决定地质过程的进程. 依据岩石磁性的基本理论 ,地壳物质具有不一样的 磁学属性. 岩石的磁性结构与其矿物 ,地球化学组分紧密关联. 如通常情况下 ,造岩矿物以顺 ( 磁性、反磁性结构为主 ;矿石矿物以亚铁磁性结构为主. 含铁矿物 FeTi 氧化物及铁镁硅酸 ) [13 ] 盐矿物 以亚铁磁性特征为主. 而硅铝矿物则以弱磁性或顺磁性、反磁性为主 . 以柯拉超 - 3 κ 深钻结果为例 , 该井自上而下 ,从元古界岩石到太古界片麻岩 ,磁化率 从 10 SI 减小到 - 4 - 2 - 3 10 SI ,其中 Zhdanov 组橄榄岩的 κ 10 SI ,Pirttiyarvi 组富含磁铁矿的火山岩层 κ 10 SI 两种情况例外. 火成岩与沉积岩层平均磁化率的差异随深度的增加而减小. 经与地层及 岩性对比分析证明 ,磁化率在剖面岩石分层方面是有效的[12 ] . Schumann 等人[14 ] 给出了德国 ( κ KTB 深钻 0 ～7 200 m 岩石的磁性 包括磁化率 、饱和磁化强度 J S 、饱和剩余磁化强度 ) SIRM 、本征矫顽力 H C 、剩磁矫顽力 H rc 、等温剩磁与非滞剩磁的变化曲线等 与岩性及含铁矿 物的分布结果. 根据结果得出 ,在 2 000～2 600 与 6 500 m 附近主要以反铁磁性的磁黄铁矿为主; 磁铁矿主要赋存于 300 ,3 200～3 500 和 4 200～4 700 m 区段 ,有时也含有少量的赤铁矿与针 铁矿. 在某些成矿作用发育地区 ,岩石的磁性结构与成矿作用的分布特征紧密关联. 如 La pointe 等人[15 ]利用钻孔岩芯磁化率的系统测量结果 ,定量评价岩石蚀变作用的程度 ,并用来 确定岩性的边界 ,指出这种方法在矿藏勘查与水文地质调查中具有潜在价值. 4 大陆下地壳的磁性结构与壳幔物质交换的相互关系 大陆下地壳是联系上部地壳与地幔之间的纽带 , 它在壳幔分异与物质交换过程中起着 关键作用[16 ] . 下地壳是底侵作用和拆沉作用两类不同的壳幔交换过程发生的场所[17～19 ] . 下地壳的磁性结构大多数表现在以下方面 :下地壳岩石磁化强度的分布特征 ;安振昌等人[20 ] 对 ( ) 中国几个主要地台区 塔里木、扬子、中朝 的磁卫星异常解释根据结果得出 ,下地壳磁化强度存在 ( ) 不均匀性. 下地壳岩石中磁性载体的分布特征 ;下地壳的磁性随深度 温度、压力或变质级 的 变化特征 ;壳幔过渡带的磁性特征[21 ] ; 它们均与壳幔间的物质交换关系密切. 以磁性下界 ( ) 面 或居里等温面 Tc 分布为例 ,在高地温区 , Tc 面很可能位于上地壳、低地温区及地盾区 , Tc 面可能位于壳幔边界 ,整个地壳为一磁性地壳[22 ] . 然而由于蛇纹石化作用可能形成一些高居 ( ) [23 ] 里点的 FeNiCoCu 合金 Tc 可高达 1 100 ℃ ,因此 Tc 面亦可能位于上地幔 . 迄今为止 , 有关大陆下地壳的磁性结构研究中仍有许多问题. 其中主体问题是磁卫星长波长磁异常反演 ( ) 得到场源 通常认为位于下地壳 的磁化强度范围为0～6 A/ m ,而下地壳岩石及捕虏体磁性测 量结果为 0～2 5 A/ m[24 ] . 大陆下地壳的磁性结构研究主要是通过现今出露地表的麻粒岩相地 体及麻粒岩捕虏体的磁性测量分析获得. 如扬子地台崆岭群麻粒岩相～高角闪岩相变碎屑岩 ( ) 与 TTG 英云闪长～奥长花岗～花岗闪长质 片麻岩的磁化率与饱和剩磁普遍大于斜长角闪 岩与辉长岩. 前者岩石磁性载体以磁铁矿与磁赤铁矿为主 ,后者含有明显的磁黄铁矿与次要 1248 © 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. ______________________________________________________________中国科技论文在线 期 科 学 通 报 1998 年 6 月 专题评述 ( ) ( ) 的磁铁矿 ,显示了下地壳 麻粒岩相 与中地壳 角闪岩相 明显的磁性结构差异. 变碎屑岩与 TTG 片麻岩磁性的强非均一性特征 ,可能与该区后期广泛发生的混合岩化作用相关[25 ] . 吉 林辉南大龙湾超镁铁质包体的磁性岩石学研究结果指出 ,虽然大多数超镁铁质包体是在上地 幔背景下形成 ,但也有少量样品是从地幔熔出的熔岩中经分离后 ,在地壳背景下结晶的堆积 物[26 ] . 位于郯庐断裂带北端的山东临朐山旺地区的新生代玄武岩中发现了 3 块磁性极强的 1) 上地幔捕虏体 . 岩性均为尖晶石二辉橄榄岩 ,其矿物组合为 Ol + Cpx + Opx + Sp ,饱和剩磁 值分别高达 6977 ,7064 和 1500 A/ m. 镜下鉴定表明捕虏体未见蛇纹石化 ,仅有轻微的氧 化 ,它们均不可能会产生强的磁性干扰. 依据样品中 Fe O 与 FeO 含量计算得到的其中两个样 2 3 - 8 3 ( 品初始磁化率值分别为 1702 和 1776 ×10 m / kg ,与别的地方上地幔捕虏体相当 如吉林

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