绿泥石–阳起石片岩与蓝片岩的变形机制及流变学：对板片—地幔界面蠕变行为的启示

《Journal of Structural Geology》：Deformation mechanisms and rheology of chlorite–actinolite schist and blueschist: Implications for creep behavior along the slab-mantle interface

　　

绿泥石–阳起石片岩（chlorite–actinolite schist，CAS）和蓝片岩是俯冲板块边界上板片—地幔界面的主要岩性，但其变形机制与流变学性质仍缺乏充分约束。研究人员调查了日本九州西部一套沿板片—地幔界面、在绿帘石蓝片岩相（epidote-blueschist facies）条件下约 ～500?°C 发生变形的俯冲混杂岩，其条件与慢滑移震源区相当。混杂岩中的俯冲相关剪切集中于多层厚度为 0.01–1.5?m 的 CAS 层中，这些层表现出 S-C 组构（S-C fabric），并且或者将变沉积岩与变基性岩分隔开，或者夹置于变沉积岩或变基性岩内部。CAS 的显微构造以细粒阳起石为特征，后者显示出平行于 S 面（S-surface）的铝（Al）环带及其截切现象，以及溶解缝（solution seams）和应变影（strain shadows），这些特征均与由溶解—沉淀蠕变（dissolution-precipitation creep）容纳的黏性剪切相一致。蓝片岩中的蓝闪石（glaucophane）则表现为微肠缩（microboudinage）变形，并伴随钠钙质—钙质角闪石向肠缩颈部扩散，且其内部错配角较低、晶体学优选定向（crystallographic preferred orientation，CPO）较弱，表明其为受微肠缩限制的扩散蠕变（diffusion creep）。基于峰期变质条件下溶解—沉淀蠕变与微肠缩扩散蠕变流动定律（flow laws）的流变学分析表明，在现代俯冲板块界面所推定的应力条件下，CAS 的力学强度低于蓝片岩，且其应变速率约高两个数量级。CAS 的力学弱化与野外观察到的黏性剪切集中于多层 CAS 中的现象相一致。CAS 较高的应变速率表明，蓝片岩只能容纳稳态蠕变（steady-state creep），而 CAS 则能够容纳加速蠕变（accelerated creep），包括慢滑移。

该文发表于《Journal of Structural Geology》，聚焦俯冲带板片—地幔界面慢滑移源区的岩石学与构造地质学问题，旨在厘清不同界面岩性对非地震滑移的控制作用。当前，对于俯冲板块界面从无震蠕变、瞬态慢滑移到快速地震滑移这一连续滑移谱系，快速地震滑移已有较多地质记录，但无震蠕变与慢滑移的岩石学“指纹”仍不清楚。尤其是在温暖俯冲带中，慢滑移常发生于地震成核带下倾方向、接近地幔楔拐角的位置，该区域被认为具有较高流体压力；然而，真正承担此类变形的岩性组合、主导变形机制及其流变响应，仍缺乏直接约束。蛇纹岩常被视为板片与地幔楔解耦的重要介质，但从地幔楔角部折返出露的板块边界往往并非单一蛇纹岩，而是由沉积岩、基性岩和超基性岩机械混杂组成的混杂岩，并广泛发育交代作用，形成滑石片岩与绿泥石–阳起石片岩等交代岩。因此，识别 CAS 与蓝片岩的变形机制，并比较其流变学性质，对于解释板片—地幔界面的慢滑移与无震蠕变分带具有重要意义。

研究人员选择日本西北九州西彼杵变质岩中的 Nishikashiyama mélange 作为研究对象。该混杂岩由变沉积岩、变基性岩和 CAS 组成，形成于晚白垩世温暖板片环境下的板片—地幔界面，峰期变质温度约 500?°C，具有与现代慢滑移源区相当的温压背景。野外调查显示，混杂岩中发育多层 0.01–1.5?m 厚的 CAS 层，这些层既可作为变沉积岩与变基性岩之间的边界，也可夹置于二者内部。CAS 普遍发育强烈片理和 S-C 组构，且黏性剪切明显集中于这些层内；相比之下，蓝片岩及其他变基性岩虽亦记录剪切，但变形集中度较弱。研究人员据此将 CAS 视为板片—地幔界面中一个潜在的机械弱带，并进一步通过显微构造和 EBSD（电子背散射衍射，electron backscatter diffraction）分析，判定其主导变形机制。

本研究的关键技术方法主要包括：其一，在 Nishikashiyama mélange 采集 CAS 与蓝片岩样品，制备垂直片理、平行线理的薄片，开展光学显微镜、场发射扫描电镜（FE-SEM）及能谱（EDS）分析，并利用电子探针（EPMA）定量角闪石成分；其二，采用 EBSD 获取阳起石与蓝闪石的晶体学定向、晶内错配角、晶粒取向扩展（GOS）和晶体学优选定向强度（M-index）；其三，结合显微尺度参数，如阳起石粒径、长宽比和蓝闪石微肠缩颈长，分别调用溶解—沉淀蠕变与微肠缩扩散蠕变流动定律，在 1.1?GPa、500?°C 峰期变质条件下进行流变学计算。

在结果部分，作者首先通过“Field observations”指出：Nishikashiyama 混杂岩厚约 ～90?m，整体缓倾向东，内部 CAS 层厚度变化较大，但多数小于 0.5?m。CAS 层中可见变基性岩、被交代的泥质变岩、粗粒阳起石及石英脉透镜体，发育强烈 S-C 组构和不对称褶皱，指示一致的向南上盘剪切。石英脉与 S-C 组构的切割关系以及石英脉透镜的西格玛型形态共同表明，脆性破裂与黏性剪切在局部是同时发生的。与基性岩中的构造相比，CAS 中片理间距更小、褶皱波长更短，说明应变更强烈地局部化于 CAS 层。

在“Microstructural observations”中，作者分别讨论 CAS 和蓝片岩。于“Chlorite-actinolite schist (CAS)”小节中，CAS 的矿物组合以阳起石为主，片理由细粒阳起石定向排列形成，并包绕钠长石与石英。钠长石周缘发育由细粒阳起石和绿泥石组成的应变影，深色缝沿富阳起石层平行分布，经 EDS 与 EPMA 证实主要为绿泥石所构成的溶解缝。阳起石粒度总体较细，部分高长宽比颗粒发生肠缩或脆性破裂，但颈部与裂缝中无新矿物沉淀。更关键的是，平行于 S 面排列的细粒阳起石表现出沿长轴方向由核部向边部 Al 含量递减的化学环带，并在晶界处被截切；同时，阳起石缺乏波状消光与亚晶，EBSD 显示其晶内错配角低、GOS 值通常小于 3°、CPO 较弱。这些证据共同说明，CAS 中主导的黏性剪切不是位错蠕变（dislocation creep），而是由阳起石控制的溶解—沉淀蠕变。

在“Blueschist”小节中，蓝片岩以蓝闪石为主，片理由细粒蓝闪石和少量绿泥石围绕钠长石、绿帘石形成。蓝闪石同样以细粒为主，部分高长宽比颗粒发生微肠缩与破裂，肠缩颈中可见钠钙质与钙质角闪石沉淀。成分判别表明，原始 Na 角闪石属于蓝闪石，而颈部矿物主要为温奇闪石（winchite）和阳起石。EBSD 显示蓝闪石具有较弱的 CPO，<001> 轴近平行于 X 方向，而 <100> 与 <010> 形成近垂直于剪切面的弱环带分布；其 GOS 值普遍低于 3°，除肠缩颈邻近区外，晶内错配角整体较低。由于样品中缺乏波状消光和亚晶等位错蠕变标志，同时未见应变影、溶解缝及化学环带截切等典型溶解—沉淀蠕变证据，作者据此认为蓝片岩主要通过受微肠缩限制的扩散蠕变发生变形。

在“Deformation mechanisms of chlorite–actinolite schist and blueschist”部分，作者综合显微构造、矿物化学和 EBSD 数据，对两种岩石的变形机制进行了判定。CAS 中阳起石形成互连骨架，围绕相对刚性的钠长石和石英分布，应变影、溶解缝、Al 环带及其截切、弱 CPO 和低晶内错配共同指向溶解—沉淀蠕变。蓝片岩中蓝闪石同样构成互连网络，但微肠缩现象、颈部的钠钙质—钙质角闪石扩散沉淀，以及普遍较低的晶内错配表明，其更符合实验所揭示的微肠缩限制扩散蠕变。

在“Rheology of chlorite–actinolite schist and blueschist”部分，作者将显微尺度识别出的变形机制转化为流变模型。对 CAS，采用受扩散控制的溶解—沉淀蠕变流动定律，输入阳起石的中值粒长与平均长宽比，并以与其成分接近的透闪石溶解度近似阳起石溶解度，同时考虑不同孔隙流体压力比 λ。对蓝片岩，则采用已有实验建立的微肠缩扩散蠕变流动定律，将几何平均微肠缩颈长作为扩散长度尺度。计算结果表明，无论孔隙流体压力比取值如何，CAS 的机械强度均低于蓝片岩；在现代俯冲板块界面典型应力范围 1–40?MPa 下，CAS 的应变速率约比蓝片岩高两个数量级。作者还将 CAS 与温压条件下的反蛇纹石（antigorite）位错蠕变流变关系比较，发现高流体压力条件下 CAS 在低于 10^?10?s^?1 的应变速率范围内也弱于反蛇纹石，说明在高压流体环境中，交代形成的 CAS 可能比蛇纹岩更容易成为无震蠕变的局部化带。

在“Creep behavior along the slab-mantle plate interface”部分，作者进一步讨论这些结果对慢滑移的意义。蓝片岩在代表现代俯冲界面的应力条件下仅能以约 ～10^?12?s^?1 或更低的速率变形，对应稳态蠕变。CAS 则通常可达到 10^?10?s^?1 量级的剪切应变速率。如果整个约 ～90?m 厚的混杂岩剪切分配到多层 CAS 中，则可换算为约 10^?8?m/s 的滑移速率，与天然慢滑移观测值相当；即使仅单层数十厘米厚的 CAS 发生剪切，其滑移速率虽然偏低，但仍显示出相对于蓝片岩显著更高的加速蠕变潜力。作者据此提出：蓝片岩主要容纳背景性、持续性的稳态蠕变，而 CAS 则有能力容纳加速蠕变，甚至可能成为慢滑移的宿主岩性。北部混杂岩中 CAS 层稳定伴生交代反应带，也提示交代作用诱发的脱水过程可能促进 CAS 中的黏性剪切与应变局部化。再结合 CAS 邻近丰富的石英脉、石英脉与片理的交切关系，以及脆—韧共生变形特征，作者认为这种由变沉积岩、变基性岩和 CAS 共同组成的混杂岩剪切带，可能代表高流体压力条件下情景性震颤—滑移（episodic tremor and slip，ETS）的地质类比体。

讨论部分的核心贡献在于，将板片—地幔界面上不同岩性的显微变形机制与慢滑移行为直接联系起来。研究表明，混杂岩中的交代产物并非附属成分，而可能是控制非地震滑移分布的关键机械单元。与较强、较慢的蓝片岩相比，CAS 因溶解—沉淀蠕变而表现出更低强度和更高应变速率，从而更易形成黏性剪切局部化带；这一结果也说明，解释慢滑移时不能仅强调蛇纹岩，还必须考虑板片—地幔界面交代作用形成的绿泥石–阳起石片岩等弱化岩石。研究进一步强调，高流体压力、脱水反应、交代作用与混杂岩内部的岩性不均一性，共同控制了俯冲界面从稳态蠕变到加速蠕变的转换能力。

研究结论部分可译为：研究人员考察了构成俯冲混杂岩的 CAS 与蓝片岩的变形机制和流变性质，该混杂岩在约 ～500?°C 的绿帘石蓝片岩相条件下沿板片—地幔界面发生变形，其环境可与慢滑移源区相类比。混杂岩中的俯冲相关变形分配于 CAS 和变基性岩（包括蓝片岩）之间，而黏性剪切集中于多层厚度为 0.01–1.5?m 的 CAS 层。显微构造观察和 EBSD 分析表明，CAS 主要通过阳起石溶解—沉淀蠕变发生变形，而蓝片岩则通过受微肠缩限制的钠钙质与钙质角闪石扩散蠕变发生变形。在峰期变质条件下，将溶解—沉淀蠕变和微肠缩扩散蠕变流动定律纳入的流变学分析表明，CAS 的机械强度更低，其应变速率约比蓝片岩高两个数量级。蓝片岩仅能容纳稳态蠕变速率下的变形，而 CAS 则能够容纳加速蠕变，包括慢滑移。