橄榄石中H的结合机制及扩散行为

名义上无水矿物(nominally anhydrous minerals,NAMs)中以点缺陷形式存在的结构水,因其对于矿物物理化学性质的显著影响而受到越来越广泛的关注。橄榄石是上地幔中含量最丰富的矿物,水在橄榄石中的存在形式、扩散机制和速率对上地幔的流变学和电导性质有着重要的影响。因此,对于橄榄石中H的结合机制及其扩散机制和速率的了解有助于理解地球深部的水循环,也有助于构建上地幔流变结构以及解释电导测量结果。本文总结了近几十年来学界对于H在橄榄石中存在的缺陷类型与OH红外光谱吸收峰之间的对应关系,以及H在矿物晶格中的扩散机制、扩散速率等重要问题的研究成果,并探讨了现有研究中依然存在的问题。     

夏威夷橄榄岩中橄榄石的水含量存在多尺度的不均一性

<正>橄榄石是上地幔的主要组成矿物,尽管它的理想化学式中不含H,但是晶格缺陷中仍然能够含有10-6量级的"水"。虽然含量少,但是这些结构水对于矿物(以至于岩石系统)的熔融行为、流变学特征以及电导率和热导率都有显著的影响。因此,研究橄榄石中H的分布和活动性是理解地球动力学过程的重要内容,也是近年来学界的热点之一。美国NASA的研究员Anne Peslier博士及其合作者最近对来自夏威夷     

C-H-O流体和上地幔的水储量

<正>水是人类赖以生存的基础。水在地幔和地表间的交换,是影响地球的气候、宜居性、化学演化、物理性质和动力学过程等的关键因素之一。与地表液态的水不同,地幔中的水主要以OH形式赋存在名义上无水矿物(nominally anhydrous minerals–NAMs,即理想化学式中不含H的矿物,如橄榄石、辉石等)的晶体结构中,构成了所谓的结构水。虽然含量很低(ppm级别),结构水的存在会显著影响矿物和岩石的多种物理     

橄榄石中氢的实际溶解度及其对地幔中水储存的意义

水在地球上地幔的地球动力学过程中起着重要的作用，例如，氢（正如水）能影响部分熔融产生的岩浆的数量和组成，而微量氢（～０．００１ｗｔ％的水）可使上地幔的主要矿物—橄榄石弱化。氢离子的适移可能是造成软流圈异常高的电导率的主要原因，氢在地幔过程中的重要性必然取决于无水橄榄石中所储存的氢或水的数量以及氢在橄榄石晶格中所处的位置。本文报道了橄榄石单晶的水热实验结果，该实验表明，在１５７３Ｋ和５０－３００ＭＰ     

名义上无水矿物中水的定量方法及其优缺点:FTIR方法及其存在问题

构成地幔的主要物相多是名义上无水矿物(NAMs),如橄榄石、辉石等,其晶体结构中能赋存一定量的水。水能显著地影响矿物、岩石体系的物理、化学性质乃至地球深部的许多重要地质过程。为精确获取NAMs的水含量,科学家不断开发和改进水的定量分析方法,其中傅里叶变换红外光谱法(FTIR)是测定NAMs中水含量的最主要手段,但不同研究者的结果常有较大差异。本文就近年来NAMs中水的多种定量方法的研究进展进行综述,着重讨论FTIR方法及其存在问题,并初步谈论NAMs中水定量方法的未来研究方向。基于已有文献数据,本文进一步提出针对NAMs的新通用标定系数εtot=262.68(491)×[3644(94)-■],它既能弥补现有通用标定法建立于含水矿物、玻璃基础上的缺陷,又能较合理地体现吸收系数与频率的依赖性。     

名义上无水矿物的原位高温分子光谱

名义上无水矿物(NAMs)是深部地球的主要物相,是构成深部地球最主要的水储库。过去的几十年里,人们对地球深部水的分布及其对矿物乃至岩石系统的宏观效应的认识取得了长足进展,但是对水效应微观机制的关注较为欠缺。分子光谱是联系固体宏观性质和微观过程的重要手段,而且原位高温分子光谱实验能够直接测量矿物在地球深部温度下的电子吸收、分子振动和转动。本文按照波谱频率的高低,主要介绍了原位高温分子光谱在研究名义上无水矿物中的应用:研究地幔的辐射传热,地球深部温度下NAMs中水的状态,以及地幔的热力学性质。旨在让更多的学者能够在分子级尺度上认识深部地球性质和动力学过程。     

地幔中水的存在形式和含水量

水以含水变质矿物、无水硅酸盐矿物(橄榄石、辉石等)及其高压结构相(β橄榄石、γ橄榄石、钙钛矿相、方镁铁矿等)、高密度含水镁硅酸盐和熔体的形式存在于地幔各层圈中。根据各类玄武岩水含量推断出的上地幔源区的水含量,和由地幔岩主要矿物———橄榄石的水含量估算出的上地幔水含量(质量分数)很接近,在0.02%左右。以橄榄石和辉石高压相的水含量为依据,进行了过渡带和下地幔水含量的估算,其结果是:过渡带和下地幔上部的水含量(质量分数)为1.48%,下地幔下部水含量(质量分数)为0.21%。据此,计算出的地幔各层圈的总水量表明,地幔水的74%以上存在于过渡带和下地幔上部。将地幔总水量和现代海洋总水量之和作为地球总水量,计算出现代海洋总水量约占全球总水量(质量分数)的6.6%,这个结果与笔者根据地球的球粒陨石成分模型计算出的总水量(6%)十分接近。     

拉曼光谱在矿物溶解实验中的应用——以方解石为例

地球内部地壳乃至上地幔中,流体在地质作用的发生、发展的整个过程中起着非常重要的作用。例如,地球内部不同深度发生着矿物和岩石熔融、溶解作用等,以及在金属成矿过程中元素的活化、迁移和沉淀作用。因此,矿物在溶液中的溶解与沉淀对于成矿作用具有重要的意义。其中高温高压下矿物在水中或者其它自然界常见溶液中的溶解性质则是研究成岩成矿作用最     

大陆下地壳中水的演化及氢同位素组成:以华北克拉通为例

名义上无水矿物(NAMs,如辉石、橄榄石、长石和石榴石等)是近些年来地球科学研究中蓬勃发展起来的一个新领域,这些矿物为我们研究深部地球中的水和流体活动提供了新的途径.     

CCSD超高压榴辉岩中的水:红外光谱分析

超高压变质岩中名义上无水矿物(NAMs) 在板块俯冲过程中可以携带一部分地表水进入上地幔, 这些水储存于地球深部并对地幔动力学有着重要的影响.对中国大陆科学钻探主孔榴辉岩中的绿辉石和石榴石进行了详细的显微傅立叶变换红外光谱(Micro-FTIR) 分析, 结果显示所有绿辉石和石榴石颗粒都含有结构水, 其水含量范围分别在68~29μg/g和20~75μg/g.榴辉岩全岩的水含量为150~300μg/g.绿辉石和石榴石结构水含量的分布出现2种情况: (1) 颗粒内部的均一分布; (2) 不均匀分布, 表现为水含量从核部到幔部到边部随之增加或水含量核部、边部低而幔部高.电子探针结果表明水含量分布不均与矿物化学成分无直接关系.位错分布不均匀可能导致了颗粒内部结构水分布的不均匀.      

流变学:构造地质学和地球动力学的支柱学科

地球是一动态系统,其各层圈的构造运动归根到底就是多矿物复合岩石在各种物理条件(例如,温度、围压、差应力、应变速率、应变方式等)下和化学环境(例如,氧逸度和水含量)中的形变。流变学作为研究岩石力学性质和变形行为的科学,现已成为地球动力学和构造地质学的支柱学科。本文对国际上近年来岩石流变学的最新进展做些扼要的介绍,呼吁中国固体地学界加强流变学的研究,做出经得起时间淘洗、实践检验的原创性成果来,使中国的构造地质学研究迈进国际先进的行列。     

Rheology of Indian continental crust and upper mantle

A rheological model of the Indian shield has been constructed using the thermal structure derived from available surface heat flow and heat generation data and the flow properties of characteristic minerals and rocks like quartz, diabase and olivine which respectively represent the upper crust, lower crust and upper mantle. Lateral variations in the thicknesses of the brittle and ductile crust and of the brittle upper mantle have thus been obtained for different tectonic environments. Implications of these results to interpretation of the seismic structure of the Indian shield have been pointed out.     

Evolution of the central Alpine-Himalayan belt in the Late Cenozoic

The Late Cenozoic geodynamics of the Alpine-Himalayan belt comprised the collision between continental-lithosphere plates and blocks and the effect of the Neo-Tethyan active residual asthenosphere, which reached the northern margin of the belt after the ocean had closed. From the late Eocene to the early Pliocene, strong deformation, lateral migrations of flaked plates, metamorphism, and magmatism (they all consolidated the crust) took place in the lithosphere with the participation of mobile asthenospheric components. In the Pliocene–Quaternary, the asthenosphere beneath the consolidated crust partly replaced the dense mantle lithosphere with remaining paleoocean mafic rocks, which subducted into the mantle. Phase transformations and deformations in the subducting metamafic slabs caused mantle earthquakes. The less compact metamafic rocks experienced metamorphic weakening under the effect of the asthenosphere and incorporated into the Earth’s crust. The upper-mantle and lower-crust weakening led to a drastic intensification of uplifting and the formation of mountain ranges. Recent volcanism is also attributed to the activity of the Neo-Tethyan asthenosphere.     

大陆下地壳和岩石圈地幔含水性的差异——山东莒南玄武岩中深源包体的初步观察

对产于莒南晚中生代玄武岩中的镁铁质麻粒岩和橄榄岩包体矿物进行了傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析.结果显示,麻粒岩矿物和全岩中水含量分别为:单斜辉石300×10-6～1 180×10-6,斜方辉石80×10-6～169×10-6,斜长石717×10-6～1 239×10-6,全岩525×10-6～855×10-6;橄榄岩矿物和全岩中水含量分别为:单斜辉石466×10- 6～746×10-6,斜方辉石187×10-6～304×10-6,橄榄石6×10-6～15×10-6,全岩81×10-6～245×10-6.从单矿物看,麻粒岩和橄榄岩之间水含量的差距不是很明显,但麻粒岩的全岩水含量明显高于橄榄岩,表明大陆深部岩石圈的水含量在垂向上具有不均一性.     

埃达克质岩的构造背景与岩石组合

本文介绍了埃达克质岩形成的构造背景与岩石组合。埃达克质岩可以形成于不同的构造背景并与不同类型的岩石同时出现：1）火山弧环境中常出现埃达克质岩一高镁安山岩-富Nb玄武质岩组合,它的形成可能与板片熔融以及熔体一地幔橄榄岩的相互作用有关;2）大陆活动碰撞造山带环境（如羌塘）中埃达克质岩常与同期钾质或橄榄玄粗质岩共生,这可能与俯冲陆壳熔融和俯冲陆壳熔体交代的地幔橄榄岩熔融有关;3）造山带伸展垮塌环境（如大别山）中埃达克质岩会伴随有镁铁质一超镁铁质岩浆出露,增厚下地壳产生埃达克质岩浆后的榴辉岩质残留体拆沉进入地幔,与地幔橄榄岩的混合可能形成后期镁铁质一超镁铁质岩浆的源区;4）大陆板内伸展环境中埃达克质岩常与同期橄榄玄粗质的岩石共生,增厚、拆沉下地壳,以及富集地幔的熔融或岩浆混合在岩石的成因中发挥了重要作用。     

岩石圈HPE热弱化与陆内构造变形

大陆内部变形在很大程度受制于大陆岩石圈流变侧向不均一性,而温度(地热梯度)是影响地壳和地幔岩石流变性质的主导因素。由热引起的地壳/地幔岩石材料的热弱化是弱化的主要途径,为陆内变形准备了物质条件。在构造外力(板块相关的或非相关的)的作用下,这些受到热弱化的岩石材料极易发生变形,导致岩石圈内部的造山带和变形带的形成。文章试图在广泛的国内外文献搜集和综合分析基础上,介绍由生热元素(heat producing elements)聚集产生的地壳/地幔(岩石)热弱化以及随后地幔下降流构造力作用造成的大陆内部应变局部化和陆内构造变形。这些地幔下降流是由大陆岩石圈地幔重力(瑞利 泰勒型)不稳定性发育引起的。     

蛇绿岩地幔岩中自由SiO2的发现及其地质意义

自由SiO_2系指石英及其同质多型物(polymorphs)柯石英、斯石英等。石英广泛分布于地壳中的各种岩石中,柯石英和斯石英只存在于超高压岩石和陨石坑中。由于石英和非饱和SiO_2的橄榄石不能共生,因此在地幔橄榄岩和超镁铁岩中不存在原生石英。最近笔者在西藏罗布莎蛇绿岩的地幔岩(方辉橄榄岩)的豆荚状铬铁矿中发现了自由SiO_2和柯石英相。根据高温高压相平衡实验资料,橄榄石、辉石这样的硅酸盐矿物在地幔深部的压力条件下可以分解成简单氧化物,如FeO(方铁矿)、MgO(方镁石)以及SiO_2(斯石英)等。由此推测,西藏蛇绿岩地幔岩中自由SiO_2可能是来自于下地幔的矿物,是地幔柱作用将其搬运到上地幔浅部。     

Rheological stratification of the Indian continental lithosphere: Role of diffusion creep

Dynamic recrystallization and reduction in grain-size at large strains, e.g. in shear zones, leads to rheological weakening of the lithosphere and facilitates intense ductile deformation. In the present work, we include this effect into the rheological models of the Indian continental lithosphere to analyse its role in modifying the rheological structure and strength of the Indian lithosphere. The results computed by using quartz and felspar rheologies for the upper and lower crust, respectively, and grain-size dependent olivine rheology for the upper mantle, indicate an increase in the ductility of the mantle lithosphere.     

大别山双河超高压榴辉岩中的水: 微区红外光谱分析

大陆深俯冲板块到一定深度后(约90~110km), 几乎没有含水矿物存在, 超高压岩石中名义上无水矿物(NAMs) 成为俯冲板块中水的主要载体, 是示踪超高压变质流体的重要途径.对大别山双河地区超高压榴辉岩中的石榴石和绿辉石进行了详细的微区傅立叶变换红外光谱(MicroFTIR) 分析.FTIR结果显示所有石榴石和绿辉石颗粒都含有结构水, 以OH的形式存在, 其含量范围分别为(30~1860)×10-6和(360~620)×10-6.榴辉岩全岩水含量为(300~750)×10-6, 表明即使是在超高压变质作用的温压条件下, 榴辉岩也可以至少携带数百10-6的水进入深部地球.对石榴石颗粒内部的多点观察发现, 结构水含量的分布出现2种情况: (1) 颗粒内部的均一分布; (2) 核部水含量高而边部低.石榴石颗粒边部的低水含量可能是抬升过程中由于压力降低引起的H扩散所致, 扩散出来的H可能构成了早期退变质流体的重要来源.对于同一样品来说, 结构水含量在绿辉石和石榴石之间的比值为0.5~3.5.