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。     

地球深部电导率的实验室约束

矿物岩石电导率实验研究对于认识地球内部的电导率分布和地球动力学具有重要的意义。本文于实验室中研究了一些典型地壳和地幔矿物、岩石的电导率,并将实验结果与野外电磁结果进行了对比。研究结果表明,含水矿物的脱水和存储于名义无水矿物中的水会显著提高岩石的电导率。含水矿物的脱水可能是导致地壳出现高导层的主要原因,而地幔的高导层则可能是由名义无水矿物中赋存的水所引起。实验室矿物、岩石电导率模型与野外大地电磁结果的对比,为研究地球内部的热状态和水含量的分布提供了重要依据。     

上地幔顶部电导率异常的起因

地球物理深部探测研究表明,上地幔顶部个别地区具有显著的电导率异常,表现为高电导率和各向异性。造成上地幔顶部电导率异常的机理,一直以来是地球科学中极具争议的问题之一。目前比较流行的解释是由部分熔融产生的熔体和橄榄石中耦合的结构水所致,其它的解释包括由颗粒边界的石墨或硫化物以及其它一些导电性强的矿物所致。这些不同的模型,对于认识上地幔的结构、组成和性质有直接的影响。综合评述了近年来基于岩石学、地球化学、地球物理学、数值模拟和高温高压实验研究等方面的进展,对已有模型伴随的各种问题进行了探讨。局部地区的电导率异常可能主要由固态导电机制造成,但其主要载体可能不是构成地幔主体的橄榄岩,而很可能与上地幔岩石学组成上的宏观不均一性有关。不同地区上地幔顶部的电导率异常,可能由不同的因素造成,可能并不存在所谓的"单一"导电机制。     

海南福基田幔源辉石结构OH与氢氧同位素

采用IR光谱和质谱技术分析了海南福基田幔源巨晶和包体中辉石的结构羟基红外光谱和氢氧同位素。测试的所有巨晶普通辉石和包体中透辉石及顽火辉石均含结构OH,对比印证了国内外同类矿物的红外光谱特征。结构水质量分数分别是:普通辉石87×10-6~389×10-6;透辉石127×10-6~273×10-6;顽火辉石69×10-6~207×10-6。包体中结构水质量分数为1 811×10-6~5 377×10-6,平均为3 133×10-6。包体中辉石的氢氧同位素特征如下:透辉石的δ(D)为-123.17‰,顽火辉石的δ(D)为-132.04‰;透辉石的δ(18O)为5.96‰,顽火辉石的δ(18O)为5.60‰。实验和对比表明,辉石是海南福基田上地幔重要的"水储库",包体未受地壳成分污染,继承和保持了上地幔"富水贫氘"的特征。上述结果为该地区上地幔研究提供了结构水和氢氧同位素的基础资料。     

地幔不同深度单斜辉石含水量的高压实验

在1.5~5GPa、1100~1200℃条件下开展了含水大陆碱性玄武岩的熔融实验研究。通过红外光谱分析其中单斜辉石的结构水,计算得到其量为1173(153)×10-6～2049(197)×10-6。结果表明:当P<3GPa时,随着压力增大,单斜辉石的含水量逐渐增加,在3GPa附近达到峰值,之后随着压力的增大单斜辉石含水量又逐渐减少。单斜辉石含水量随压力的这种变化关系可能受单斜辉石中Al含量的影响。该研究为了解上地幔不同深度处水的分布提供了实验证据。     

秦岭-大别山壳幔岩石高温高压下的电性特征

首次报导了秦岭-大别山壳幔岩石高温高压下电导率的测定结果。该区中上地壳主要代表岩石(角闪岩、绢云母石英片岩、千枚岩等)在10^-25km的温压条件下,含水矿物出现脱水会引起电导率值升高,认为这是该区出现高导层体的主要原因;中下地壳代表性岩石(片麻岩、麻粒岩、榴辉岩等)由于石英从α相向β相转变,会导致电导率值(σ)下降。在下地壳的温压条件下电导率值一般为10^-2到10^-3S·m^-1;上地幔的代表性岩石由于组成矿物较为基性,电导率值比下地壳高,从0.1到1S·m^-1。     

地幔氧逸度的时空变化

地幔氧逸度是反映地幔氧化还原程度的参量,由温度、压力、岩石化学成分、矿物结构等共同作用控制。目前对上地幔氧逸度的研究主要针对镁橄榄石-磁铁矿-石英体系、含角闪石的橄榄岩体系和玄武岩(熔体)体系,通过实验岩石学方法进行。地幔氧逸度在垂直深度上随深度增加而减小受到普遍认可。天然样品和理论研究认为,岩石圈地幔底部的软流圈氧逸度高于上部岩石圈地幔,垂直方向上地幔氧逸度存在逆梯度,地幔过渡带相对上地幔可能也存在类似情况;水平方向上,不同构造环境、相似构造环境的不同地区氧逸度之间的差异都指示地幔氧逸度存在水平不均一性。不同圈层之间物质交换和氧逸度变化的关系是氧逸度未来研究的重点之一。俯冲带是研究圈层之间物质交换和氧逸度变化关系的天然实验室,同时氧逸度反过来也影响着各种挥发性元素(如C、S等)在不同圈层之间的赋存形式和循环通量。     

上地幔含水量对海底扩张过程中洋壳厚度的影响:数值模拟

地幔中不同含量的水会对洋壳的生成产生重要影响,但目前不同含水量下的均匀和局部含水地幔会怎样影响洋壳厚度还不清楚.利用动力学数值模拟的方法,对上地幔均匀含水和局部含水两种情况下洋壳的生成过程展开研究.结果表明:当上地幔均匀含水时,含水量的增加在减小最大熔融分数的同时,会增大初始熔融深度和熔融面积,因而生成的洋壳厚度会增加.当上地幔局部含水时,局部含水地幔熔融后也会增大生成的洋壳厚度,但开始影响洋壳厚度的时间与其含水量有关.结合南海洋壳特征进一步分析认为:南海扩张期间其地幔源含水量具有非均质性.东部次海盆的洋壳比西南次海盆厚1 km,可能是因为前者地幔源含水量整体高于后者(本模型表明约高50×10-6).南海玄武岩中碳酸盐化硅酸盐熔体的存在,可能是由局部高含水量地幔在深部熔融产生的熔体携带上来的.南海洋壳厚度在时间上没有大幅度变化,可能是因为局部高含水量地幔的体积相对较小或体积虽大但其含水量没有显著高于地幔背景含水量.      

地球内部结构水含量的估算

深部地球中的结构水以其独特的物理和化学性质影响着一系列地球化学和地球动力学过程。本文根据近年来地球内部含水性研究的进展,对地幔的储水能力进行估算,得出上地幔平均含水0.03%,其储水能力约为海洋水的0.12倍。水在地幔过渡带矿物中的溶解度较高(约1.53%),使得地幔过渡带储水能力约为海洋水的4～5倍,下地幔矿物的含水性研究目前还存在很大的争议,高温高压水溶性实验、理论计算以及地球物理方法等均不能对其进行很好的限制。现阶段已有的研究数据表明,下地幔矿物的含水量相对较低(约0.13%),但由于下地幔庞大的体积和质量,使得其储水能力是海洋水的2～3倍,整个地幔平均含水约0.26%,其储水能力约为海洋水的6～8倍。为了估算整个地球内部各圈层的储水能力,本文基于Murakami关于地球起源于碳质球粒陨石,其含水量约2%的结论,估算得出地核的储水能力约为海洋水的76.8倍,进而推断地核中可能含有0.6%左右的氢元素。     

水对Wadsleyite和Ringwoodite电导率的影响及地球动力学意义

在Kawai-1000型多顶砧压机上，利用橄榄石相变人工合成地幔转换带矿物wadsleyite和ringwoodite，其含水量从0．03wt％到2．0wt％变化不等。在压力14～16GPa，温度873K-1273K，通过Mo：MoO2固体反应控制氧逸度的条件下，利用阻抗谱分析方法，测量获得了这些样品的电导率。实验结果显示：wadsleyite的电导率与GH^0.66呈正比，ringwoodite的电导率与GH^0.69呈正比，水极大地增强了样品的电导率；在我们的实验条件下，含水wadsleyite和ringwoodite样品的主要电荷栽体是自由质子。另外，结合大地电磁反演获得的电导率结果和我们的实验数据，我们推断中国东北地区地幔转换带中的水含量约为0．1～0．3wt％，远远高于上地幔中的水含量，这或许表明在410km处可能发生了部分熔融。     

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     

地幔中挥发组分的性状和分布

地幔中主要的挥发组分是C-H-O组分的形式,这些组分可能溶解在地幔深部熔融金属核、固体碳化物、氢化物和氧化物中。大量的证据表明在被交代上地幔中有氧化水和CO_2蒸气通道,在某些生长着的金刚石中有它们的包裹体。在上、下地幔之间所发生的变化虽不能确定,但上地幔中固体(含水矿物和碳酸盐)、熔体和蒸气(非常紧密的流体)之     

上地幔硅酸盐矿物中磷的含量研究

上地幔硅酸盐矿物中的磷含量是磷在地球深部的存在及循环研究的重要内容之一,对于理解和深刻认识上地幔磷的地球化学特征具有重要意义.对石榴子石、橄榄石及辉石中磷的固溶度进行详细的研究将会丰富深部磷循环的研究内容,为理解磷的深部地球化学行为提供科学依据.本文基于天然样品和高温高压实验研究结果,分析总结了上地幔硅酸盐矿物中磷的含量及磷进入硅酸盐矿物结构中的机制,探讨了压力、温度、氧逸度及矿物结构对上地幔硅酸盐矿物中磷含量的影响.     

深部地球中水的分布和循环

深部地球中的主要物相(橄榄石、辉石、石榴石等及其高压相变产物)是理想化学式中不含H的“名义上无水矿物”,以缺陷形式存在于它们结构中的OH/H2O(统称为结构水)的发现是近二十年来地球科学领域最重要的进展之一。从天然样品的观察和高温高压实验结果来看,深部地球矿物中普遍含有结构水,其总量可能远远超过了水圈。水在深部地球不同层圈中的分布可能具有时间上和空间上的不均一性。在板块俯冲过程中,即使温压条件超过了含水矿物的稳定范围,名义上的无水矿物(如石榴石、辉石等)也可以携带大量的水(质量分数至少数百10-6)进入深部地球,构成了壳幔之间水循环的重要途径。     

地幔矿物岩石的电导率研究进展

电导率高压测量技术的完善 ,使得人们在就位测量条件下获得了一系列地幔高压相矿物的电导率。由此 ,在回顾近几年地幔矿物岩石电导率的测量结果时 ,重点介绍了地幔高压相矿物的电导率研究。文中还介绍了根据地幔矿物岩石电导率数据而获得的电传导机制研究结果以及基于实验室电导率数据建立的电导率模型。近年来的研究结果表明 ,当在实验条件控制较好的高压装置上测量电导率时 ,实验室的电导率数据应该可以用来帮助电磁学家约束对野外数据的解释。     

滇东南马关木厂新生代玄武岩中橄榄岩包体的含水性

对来自滇东南马关木厂的尖晶石二辉橄榄岩中名义上无水矿物(NAMs)进行显微傅里叶变换红外光谱(Micro-FTIR)分析,结果显示,单斜辉石、斜方辉石和橄榄石中均含有以羟基形式存在的结构水,单斜辉石的水含量为160×10~(-6)~557×10~(-6)(质量分数,下同),斜方辉石的水含量为85×10~(-6)~207×10~(-6),橄榄石的水含量为5×10~(-6)~12×10~(-6),根据矿物百分比含量估算的全岩水含量为46×10~(-6)~137×10~(-6);元素地球化学特征表明,本次研究的橄榄岩包体是岩石圈地幔经历较低程度部分熔融的残余;低(La/Yb)N值(0.22~0.57)以及高Ti/Eu比值(4 076~6 772)暗示橄榄岩可能经历了以硅酸盐熔体为交代介质的微弱地幔交代作用;单斜辉石的微量元素组成比较单一,整体表现出高场强元素、大离子亲石元素以及轻稀土元素的同步亏损;结合中国东部地区已经发表的橄榄岩包体含水量数据来看,滇东南马关木厂岩石圈地幔具有明显富水的特征,可能与该区自中生代以来遭受的新特提斯洋壳大规模俯冲流体交代作用有关;与华北克拉通含水量的明显差异有可能反映的是两地岩石圈地幔正处于不同的演化阶段。     

深部熔融与深部熔体的演化

<正>地幔熔融主要发生在上地幔的浅部,生成以玄武岩为主的幔源岩浆。然而,实验岩石学和金刚石中的矿物包裹体证据都说明,由于再循环地壳物质具有较低的固相线温度,低程度熔融可以在地幔更深处发生(上地幔下部,地幔过渡带或者下地幔),生成少量碳酸盐熔体。然而,目前人们对这种深部熔体上升过程中如何演化还知之甚少。这里我们利用山东的一组新生代霞石岩质火山的时空分布和地球化学特征上的     

氧化还原影响上地幔橄榄石的地震波特性

正上地幔地震波的速度和衰减的横向变化(耗散应变能)有望用来提取地球内部的一些关键特性,比如温度、主要元素组成、熔融分数和含水量。但要将这些数据转化为有意义的物理性质表示,则需要对影响地震波传播的微观机理有一个深刻的理解。尽管传统观点认为名义上无水矿物中的结构水(羟基)能够显著影响矿物岩石的地震波特性,但还需要更多实验研究来量化这一影响。最近,以澳大利亚国立大学Cline II C J.为首的研究团队在不同温度、不     

湖南宁远早侏罗世玄武岩中橄榄岩包体的含水性和元素地球化学特征

运用电子探针(EMP)和激光熔蚀等离子体质谱(LA-ICPMS)对湖南宁远早侏罗世玄武岩中的橄榄岩包体矿物进行了主要元素和微量元素的系统分析,结果表明这些橄榄岩是经历了小程度部分熔融的原始地幔残留,并经历了后期交代作用的影响,硅酸盐熔体可能是重要的交代介质。运用显微傅立叶变换红外光谱技术(Micro-FTIR)对宁远橄榄岩中的单斜辉石和斜方辉石进行了详细的观察,结果显示两种辉石均含有以OH缺陷形式存在的结构水,其含量(H2O的质量分数,下同)分别为147×10-6～461×10-6和40×10-6～126×10-6。根据矿物百分含量计算的全岩水含量为34×10-6～108×10-6,除1个样品外,其余样品的水含量均50×10-6。结合文献中的资料看来,由橄榄岩包体所代表的宁远中生代岩石圈地幔的含水量要明显高于华北克拉通新生代岩石圈地幔的含水量(多30×10-6)。宁远中生代岩石圈地幔和华北新生代岩石圈地幔之间的差异反映的可能是中国东部岩石圈地幔含水性的时代演化,即伴随着岩石圈减薄的进行,上涌软流圈的热烘烤使得岩石圈地幔的水含量不断降低。     

上地幔以及转换带中含水硅酸盐的晶体结构与热力学状态方程

水对地幔硅酸盐矿物的物理化学性质、运移迁徙以及热稳定性都有着显著的影响。研究水在地幔矿物中的赋存机制及地球深部的水循环过程,是当今世界矿物学与地球科学领域内的热点和重点之一,这对于我们了解地球深部的岩石矿物学与诸多地球动力学过程都有着深远的意义。首先俯冲板块中的蛇纹石(serpentine,含水量10%~13%)随着板块的向下运动,在高温高压下分解将产生Phase A(含水11.8%)、粒硅镁石(chondrodite,含水5.4%)和斜硅镁石(clinohumite,含水2.9%)[1-3]。这3种矿物为橄榄岩体系中重要的致密高含水硅酸镁(DHMS)成员,通过这些含水矿物作载体,俯冲板块中的水将有可能进入上地幔深部乃至转换带中。而地幔转换带作为地幔物理化学性质剧烈变化的区域(从410~660 km),对地球的岩石圈层结构以及地球动力学都有着特殊的意义[4-6],其贡献主要来自于橄榄石的高压相瓦兹利石(Wadsleyite)和林伍德石(ringwoodite)。这两种矿物占据了地幔转换带体积的60%~70%,为名义上无水矿物(NAMS),但是通过羟基取代(Mg2+=2H+)的方式,可使得其结晶水含量高达3%左右[7-9]。如果瓦兹利石和林伍德石的结晶水含量达到了饱和,将使得地幔转换带的储水能力为地球表面水总量的7~8倍,因此转换带是地球深部最重要的储水层。最近,加拿大Pearson研究小组通过研究来自巴西Juina的金刚石包裹体,发现来自地幔转换带的天然林伍德石的含水量约为1%[10],这与我们通过高温高压实验数据[11],模拟出的地幔转换带中的含水量是一致的。对含水矿物晶体结构的分析将有助于我们从微观机制上认识水(羟基)在硅酸盐矿物中的赋存机制。关于晶体结构方面的工作,我们将介绍以下两个方面:1)通过不同含水量的瓦兹利石和林伍德石晶体结构分析,深入探讨氢离子在名义无水矿物中的取代机理[11-13];2)通过比较合成的和天然的粒硅镁石和斜硅镁石样品,系统分析氟、钛、铁元素对其晶体结构的影响[14-15]。除了探讨晶体结构之外,我们还将通过高温高压实验数据,系统阐述水对上述硅酸盐矿物的热力学状态方程的影响[11-16]。结晶水的进入将会使得矿物的热膨胀系数与压变系数明显增加,这将对上地幔及转换带的动力学产生深远影响。