德国大陆深钻KTB的新认识_周辉
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第17卷 第3期
1998年 9月地质科技情报Geolo gical Science and Techno logy Info rmatio n Vol.17 No.3Sep. 1998
德国大陆深钻K TB 的新认识
①周 辉(中国科学院地质研究所岩石圈构造演化开放研究实验室,北京,100029) 吴巧生
(中国地质大学,武汉,430074)
李继亮
(中国科学院地质研究所岩石圈构造演化开放研究实验室,北京,100029)
摘 要 1994年完钻的德国大陆深钻
KTB 取得了许多新成果,主要有:地壳能传递数百兆帕的应力,即可传递板块驱动力量级的作用力;KTB 已接近现今的脆—韧性转换带;地壳深部有大量的自由流体;地壳的高导低阻层主要由剪切带中的
次生石墨和硫化物引起,等等。
关键词 大陆深钻 KTB 德国
分类号 P 545.3
德国大陆深钻K TB(kontinentales tiefbohrprog ramm der bundesrepublik)位于慕尼黑以北约150km,深达9.010km 。
K TB 深钻计划始于1977年,1982～1984年为准备期,1985～1986年为选址期,1987～1990年为先导孔钻探期,1990～1994年为主孔钻探期。
K TB 钻于德国东南部Bohemian 地块的结晶基底的ZEV 带(zo ne o f Erbendo rf —v ohenstra nss)上,为准基性岩、副片麻岩和正片麻岩组合,经历了华力西期的高压和中压变质作用。
K TB 的主要目的有:地壳结构与性质;地壳应力场和脆—韧性转换带;地壳的热结构;地壳中的流体及运移过程;中欧华力西期的构造演化等〔1,2〕。
主要认识有,①获得了地壳中的完全应力张量的连续剖面。
研究表明脆性的上地壳强度大,地壳能承载和传递数百兆帕的应力,即可传递板块驱动力量级的作用。
脆性地壳的应力水平接近它的摩擦强度,只要应力增加少许就可使其破坏。
从石英流变定律导出的应力比低应变速率构造环境的实际值要低。
应力分析表明KTB 处于走滑应力条件S h (最小水平分量)<S v (垂直分量)<S H (最大水平分量)〔2〕。
控制地壳岩石的力学性质有两个主要方面:第一,在上地壳,变形引起破裂,岩石强度受控于先存断裂的摩擦强度,因为摩擦强度随围压增高而线性增高,相应地,地壳的强度随深度增加而增大;第二,在较深深度,超过一定温度,在低应变速率条件下,岩石强度受控于流变定律,岩石强度随温度升高而呈指数形式下降。
此外,塑性流动的临界温度主要取决于应变速率的大小。
②钻到了脆—韧性转换带,在大约9km 以下没有诱发微地震,表明KTB 已接近现今的脆韧性转换带。
对片麻岩中石英的显微构造研究也证实了这一点,石英的应变有脆性破裂、溶解沉淀蠕变和塑性流动。
研究表明石英位错密度存在140M Pa ·
45·①第一作者简介:周辉,男,1968年5月生,主要从事构造地质学研究收稿日期:1998-03-23 编辑:黄秉艳
的差应力,约等于该深度处的围压。
因此Goetie经验准则表明塑性流动在地下深处对石英的变质变形起作用。
在终孔深度,较少的位错缠结、发育好的低角度颗粒边界,证明了深部的恢复作用增强〔2,3〕。
③地壳深部有大量的自由流体,流体主要活动在断层和微破裂中,渗透率为10-15～10-17m-2,比致密岩石的渗透率高几个量级。
研究表明流体运移的通道几乎都是相连的。
流体的组成随深度的不同有规律地变化,表层是地下水,再往下为下渗的古大气水,中部主要为含NaCl的低密度流体,3km以下为Ca-Na-Cl高密度卤水,还含有较高的溶解气(80%),主要为氮气和甲烷。
研究表明,钻孔西部的二叠—三叠系沉积盆地的蒸发盐是卤水的来源,沿断层渗透至少达10km深。
研究表明华力西期角闪岩相变质作用失去了大量的流体。
④剪切带的高导低阻特性主要由次生石墨和硫化物引起。
尽管广泛存在盐卤水,电阻率总体上还是从地表的103Ψ·m增加到9km的105Ψ·m。
电导率在不同深度均存在异常,局部电阻率很低,仅为1～100Ψ·m,研究表明这与含石墨的剪切带有关,石墨在剪切带中的分布达数百米,引起高导特性的是次生石墨和硫化物。
在400°C和200M Pa条件下,可以从含碳流体中析出石墨,并伴有硫化物的生成。
可能的反应是CH4+CO2←→2C+2H2O,3CH4+2FeS+2H2SO4←→3C+2FeS2+8H2O。
KTB底部的高导层与华力西期后构造运动的拆离带吻合〔2,4〕。
⑤地壳的热结构,钻孔底部9.1km处的温度为265°C,比前苏联在科拉半岛超深钻的底部温度还高50°C。
KTB在1.5km以上的热结构扰动很大,当地热梯度为21°C/km,热流值为55mW/m2后,就分别迅速升为27.5°C/km和85mW/m2。
近地表的扰动有:因地下水流动导致的热量平流作用,古气候导致的近地表温度的变化。
地温扰动以后者为主,特别是最后一次冰期可影响4km 深部的好几度。
2km以下,热量平流作用可以忽略,热传输可以采用纯传导模型。
大量的测井数据和实验测量结果明显否定了传统的观点,生热元素强烈地集中在上地壳,随深度的变化呈指数形式下降。
实际研究与之相反,热产率受岩性控制,随深度的变化总体上只有很小的减少。
热流和应力的测量对地壳和地幔动力学的解释可提供重要的约束条件〔2〕。
⑥通过地震反射获得了地壳的变形样式,采用新技术获得了地壳的高分辨率图像。
研究表明,上地壳的大多数反射来自破裂带或断层,而岩性边界的反射很弱。
此外,尽管岩矿物理和V SP资料清楚地表明岩石具有各向异性,但在实际测量中各向异性引起的反射很弱〔2〕。
⑦造山后脆性变形的作用比传统的认识大得多,主导孔和先导孔所揭示的一个重要成果是:ZEV现今的几何形状是冷的、浅层次、薄皮构造的结果。
钻探结果表明,从地表的地质情况推测的深部构造与钻探揭示的有相当的差别〔2〕。
参考文献
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