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。     

岩石圈地幔含水不均一：来自华南地区白琳和建德的对比

利用电子探针、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱和傅里叶变换红外光谱分别测定了华南地区福建省白琳大嶂山新生代玄武岩中橄榄岩包体矿物的主要元素、微量元素和H2O含量。橄榄岩矿物主要元素之间的相关性符合部分熔融趋势，部分熔融程度在0～21%之间。大多数样品（23个样品中的21个）部分熔融程度较低（<6%）并具有亏损的球粒陨石标准化稀土元素模式。单斜辉石、斜方辉石和橄榄石的H2O含量分别为78×10 -6～262×10 -6、37×10 -6～124×10 -6和~0。尽管不能排除橄榄石包体上升过程中的潜在H的扩散丢失，但两种辉石保留了地幔中的H2O含量，这可以从 ① 单个辉石颗粒中的均一的H2O含量和 ② 单斜辉石和斜方辉石之间的平衡H2O分配推断出来。基于矿物模式，并假设单斜辉石和橄榄石之间的H2O分配系数为10，计算出的全岩H2O含量范围为15×10 -6～67×10 -6。水含量与熔融指数、交代指数、氧化还原状态和温度之间缺乏良好的相关性，说明白琳地区岩石圈地幔中水含量的控制因素是复杂的。已有研究表明浙江省建德地区岩石圈地幔具有较高水含量。白琳和建德两地对比显示，两地岩石圈地幔在熔融程度、交代程度、氧化还原状态和平衡温度非常类似，但是水含量差异巨大。华夏地块（以建德和白琳为代表）的岩石圈地幔在主成分和微量成分上可能均一，但H2O含量有巨大差异，体现了地幔的不均一性。     

大别山超高压榴辉岩中金红石的微量结构水

对6个大别山超高压榴辉岩中的粒间金红石进行了显微傅立叶变换红外光谱(Micro-FTIR)观察和电子探针(EMP)分析。结果显示所有金红石颗粒都在3280cm-1和3295cm-1出现强的吸收峰,少数颗粒在约3360cm-1出现较弱且宽的峰,这3组峰都是由金红石中的结构OH引起的。与高温高压合成实验结果比较发现,3280cm-1峰主要是由Ti3 H Ti4 取代引起的,3295cm-1峰可能是由Fe3 H Ti4 造成的,而约3360cm-1的峰与Mg2 取代Ti4 的电荷补偿有关。由目前认为较可靠的两个金红石红外吸收系数获得结构水的含量(质量分数)分别为:161×10-6~854×10-6和202×10-6~1075×10-6,不同的IR吸收系数导致计算的水含量相差4~5倍,因此,前人所得到的金红石高水含量可能需要重新评估。与共存的石榴石和绿辉石相似,不同样品间的金红石水含量也表现出不均一分布,指示着超高压过程中有限的流体活动和快速的板块俯冲-折返过程。     

大别山沙村辉长岩中长石的结构水及其对岩浆演化的指示

本文报道了大别山沙村地区碰撞后辉长岩的化学组成和其中斜长石的傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析结果。10个辉长岩从化学组成上分为两组,代表了两个不同的岩浆。斜长石普遍含有结构水,以OH-的形式存在,含量为213×10-6~658×10-6(H2O的质量分数)。结合大别山榴辉岩的数据来看,由长石中结构水含量推测的原始岩浆的富水特征可能与其源区中含有俯冲断离的榴辉岩有关。两组辉长岩中的长石都表现出水含量与全岩Mg#值的负相关关系,即随着结晶分异的进行,岩浆中的水含量在逐渐减少。这可能是由于角闪石的连续结晶和/或岩浆的去气作用造成的。沙村长石水含量与全岩Mg#值之间的相关性说明后期热液蚀变事件没有改变长石中的水,它们依然有效地保存了原始信息。     

单斜辉石中缺陷OH结合机理的变温红外光谱研究

名义上无水矿物(nominally anhydrous minerals,简为NAMs,如橄榄石、辉石、石榴石、长石等)中以缺陷形式存在的结构水的重要性已经被学界广泛认同,并得到了越来越多的关注(如Smyth和Jacobsen,2006)[1],但是对于NAMs中H的结合机理及其在晶体中的具体位置的认识还十分肤浅.     

安徽女山新生代玄武岩中橄榄岩包体矿物的含水性研究

本文对15个来自安徽女山新生代玄武岩的橄榄岩包体矿物（橄榄石、单斜辉石和斜方辉石）进行了详细的微区傅立叶变换红外光谱（Micro-FTIR）分析。结果显示，所有被测的橄榄石颗粒都没有明显的OH吸收峰，这表明橄榄石要么不舍结构水，要么结构水含量〈2ppm（H2Owt．下同）；所有的单斜辉石和斜方辉石颗粒都含有以OH形式存在的结构水。辉石矿物颗粒内部的结构水含量要么是均一的，要么表现出中心高边缘低的不均一分布。这种不均一分布的特征应该来自于包体上升过程中由于压力降低而引起的H扩散。如果用每个样品多个测定颗粒的中心部位的平均值来代表该样品的话，15个样品的单斜辉石水含量为6～356ppm，斜方辉石水含量6～139ppm。单斜辉石与斜方辉石之间水含量的比值为-2．5，和文献中报道的分配系数吻合，表明女山单斜辉石和斜方辉石之间达到了H平衡。女山的橄榄岩分成低温（〈950℃）和高温（〉1050℃）两组，所有的含角闪石的样品都在低温组。高温组的斜方辉石和单斜辉石表现出H2O含量和Al含量的正相关、和Mg含量的负相关，表明Al^3＋H^←→Si^4＋和Al^＋H^＋←→2Mg^2＋是辉石中H的主要结合机制，同时也表明这些样品有效地保存了其在源区的原始结构水含量。而低温组的辉石偏离了相关趋势，结合该组部分样品含有角闪石的特征，我们提出一个流体（本文中采用广义的概念，即包括熔体和流体）上升交代的模式来解释女山橄榄岩的特征：流体从下向上运移，与高温组（下部）橄榄岩先发生反应，由于水含量较低，既没有影响橄榄岩矿物的原始水含量，也没有能形成角闪石，在上升的过程中由于发生名义上无水矿物（橄榄石，辉石等巨晶）的结晶分离，流体中的水含量不断增加，积累到一定程度，即与低温组（上部）橄榄岩反应时。不仅影响了橄榄岩矿物的原始水含量，也在部分样品中形成了角闪石。     

安徽女山下地壳麻粒岩包体中的水：红外光谱分析

运用显微傅立叶变换红外光谱技术，对安徽女山新生代玄武岩中的10个麻粒岩包体的主要组成矿物（单斜辉石、斜方辉石、斜长石）进行了观察。结果显示，这些名义上的无水矿物中都普遍含有以OH一形式赋存的结构水，其含量（H10wt．）分别可以高达～2340ppm（单斜辉石）、～1590ppm（斜方辉石）和～910ppm（斜长石）。不同样品间矿物的结构水含量具有明显的不均一性的分布特点，这很可能是对其原岩性质的一种反映。根据单矿物的水含量和各自的体积分数计算出的全岩水含量为125～963ppm。根据二辉石温度计计算的女山麻粒岩包体的平衡温度为～800～900℃，对应于女山最下部地壳（-25～35km），因此本文数据为大陆下地壳含水与否提供了初步的最直接的证据，并且其水含量可能具有不均一性的分布特点。     

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.     

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.     

河北汉诺坝玄武岩中橄榄岩包体矿物的含水性研究——微区红外光谱分析

对12个来自河北汉诺坝玄武岩的橄榄岩包体中的单斜辉石和斜方辉石进行了详细的微区傅立叶变换红外光谱(Micro-FTIR)分析。结果显示,所有的单斜辉石和斜方辉石颗粒都含有以OH形式存在的结构水。对部分粒径较大的辉石颗粒内部的多点分析表明,结构水含量表现出中心高边缘低的不均一分布。这种不均一分布的特征应该来自于包体上升过程中由于压力降低而引起的H扩散。如果用每个样品多个测定颗粒的中心部位的平均值来代表该样品,12个样品的单斜辉石水含量为48×10-6~152×10-6,斜方辉石水含量20×10-6~55×10-6。根据矿物水含量(假设橄榄石的水含量为2×10-6)和它们的体积分数计算的全岩水含量为11×10-6~48×10-6。结合已经发表的橄榄岩包体数据来看,在岩石圈地幔的物理化学条件下,单斜辉石与斜方辉石之间水的平衡分配系数大约为2.2±0.6;岩石圈中水的分布可能具有纵向和横向上的不均一性。