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。     

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...     

地幔转换带中的水及其地球动力学意义

综述了近20年国际上地幔转换带中水的研究进展。前人研究表明,地球深部的水主要以OH-(hy-droxyl)形式存储在名义上无水矿物(NAMs)中。高温高压实验研究表明,地幔转换带中的主要矿物均具有较高的储水能力,且在转换带的温压条件下,其储水能力随着温度的升高而降低,其中瓦兹利石(β-Ol)和林伍德石(γ-Ol)的储水能力为2%～3%,超硅石榴子石(Mj)的储水能力为0.1%左右,据此估算地幔转换带的储水能力约为1.2%～1.91%,是地表水总量的3.9～6.2倍;而转换带除外的上地幔和下地幔主要矿物的含水量或储水能力均小于0.1%,因此与上、下地幔相比,地幔转换带可能是地幔的主要储水库。尽管地幔转换带具有较强的储水能力,但对地幔转换带的实际含水量还存在干、湿两方面的地质和地球物理证据和争议。地幔转换带中的水会对转换带中一系列的过程产生重要影响,当水含量增加时,橄榄石(Ol)向β-Ol、γ-Ol分解以及超硅石榴石的分解反应分别向低压、高压和低压方向迁移,从而由橄榄石向β-Ol和γ-Ol分解两个相变反应界定的转换带宽度也会增加;水还会使地幔深部的部分熔融温度降低,熔体的密度降低;同时,水的加入可以很好地解释地幔岩"pyrolite"模型在410km不连续面处产生的与地震波测量不相符突变,也可以解决全地幔对流模式所不能解释的地幔成分分层问题。因此,深入研究和探讨转换带中的水对地球深部动力学过程的影响,包括中国东部地区受太平洋板块深俯冲作用的影响,均具有重要的约束和研究意义。     

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。     

河南鹤壁地区地幔包体特征及内部NAMs的含水量研究

地幔包体作为研究岩石圈深部过程的直接对象,其内部"名义无水矿物"(NAMs)的地球化学和含水量特征,以及所在的地质背景、产出位置等为揭示岩石圈地幔演化提供了重要途径。河南鹤壁位于华北活化克拉通与稳定克拉通之间的过渡带上,区内出露的超基性、基性岩体中含有丰富的地幔包体,为研究过渡带中上地幔的温、压条件及含水量特征等提供了重要的窗口。本文通过EMPA和Micro-FTIR手段,对地幔包体中NAMs的主量元素和红外吸收光谱进行观测,利用各种地质温压计以及Beer-Lamber含水量分析方法对这些数据进行处理,得到了不同深度来源的地幔包体当时所处的温、压条件,地球化学属性以及内部NAMs所对应的含水量等信息,为研究鹤壁地区与世界各地不同地质背景下NAMs的含水量差别以及NAMs的含水量与地球化学元素之间的相关性提供了重要线索。     

水对名义无水矿物变形的影响

在固体地球中,水虽微量,但对众多地质过程(例如,岩石部分熔融与火山喷发、地震活动等)和岩石的物理化学性质(例如,电导率、滞弹性、地震波性质、相变动力学等)影响重大。更为重要的是,水能通过影响矿物的变形机制来控制岩石的流变强度,进而制约着地球动力学的过程。名义无水矿物(NAMs:Nominal anhydrous minerals)即为分子式中不含氢的矿物,其晶格的容水量远小于正常含水矿物(如,角闪石,蛇纹石等)的容水量,但由于NAMs在固体地球中体积比例甚大,仅上地幔的橄榄石中所能溶解的水可能比全部地表水还多。因此了解水对NAMs(尤其是分别作为地壳和上地幔主要组成矿物的石英和橄榄石)变形的影响对于精确地构建岩石圈强度剖面和深刻理解构造地质学与地球动力学过程至关重要。本文将系统地回顾水对NAMs变形的影响,首先通过回顾水在固体地球内部的存在形式提出了NAMs是固体地球中的重要水库,接着阐述了NAMs中水的存在形式、溶解机制、溶解度影响因素及扩散动力学,最后着重论证了水致弱化在石英和富镁石榴石中最强,然后依次是单斜辉石、长石、橄榄石,瓦德利石和林伍徳石。     

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。     

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。     

火星的水环境演化

火星是太阳系中早期演化历史与地球非常相似的一颗行星,为了解火星的古气候环境以及火星是否存在过生命,火星的水环境历史一直是人们研究的热点问题。本文从火星历史上水对火星表面的改造痕迹介绍了水在火星演化过程中扮演的重要角色。水流、冰川、古湖泊与古海洋等与火星表面地形地貌演化以及矿物岩石形成与迁移过程等密切相关,它们的发育与消失受到火星古气候变迁的影响。关于火星古气候是暖湿还是干冷的问题一直存在争议,但是可以确定至少有短暂且持续的暖湿时期提供了水的活动条件。现今的火星表面寒冷干旱,但是火星的地下储存了冰层甚至可能有地下湖泊。随着近年来火星探测任务越来越频繁,人们将会在火星水演化历史上有更多新的发现。     

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     

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.     

透射电子显微镜技术新进展及其在地球和行星科学研究中的应用

近年来,各种微束分析技术的快速发展及其在地球和行星科学领域的广泛应用,极大地推动了纳米地球科学和行星科学的学科发展和科学研究.透射电子显微镜(简称透射电镜)因具有空间分辨率高和综合分析能力强等优点,在地球与行星物质的微纳尺度到原子水平的形貌、晶体结构、矿物相鉴定、化学成分、原子成像和微磁结构等研究中发挥着巨大作用.在简...     

用遗传算法将地球化学测井数据转换为矿物成分

提出了一种在遗传算法基础上把地球化学数据转换为岩石的矿物成分的技术。遗传算法是一种组合优化方法，它仿真自然界适生存原理，该算法能解决各种各样的数据拟合，参数评估及解决来自各种科学领域的优化／搜寻问题。     

地幔矿物与水流体之间元素分配系数的研究及意义

流体是地球内部物质和能量迁移最为活跃的介质，它在造成地幔化学的富集和亏损，产生具有不同地球化学特征的幔源岩浆岩石，以及促进壳幔物质的再循环过程等诸多方面都起了重大作用，高温高压下实验模拟流体与地幔岩石和矿物之间痕量元素分配作用是揭示地幔流体的组成与性质，地幔中不同元素类型之间或内部的分异作用，地幔交代介质的类型与特征，岛孤玄武岩高场强元素亏损原因的一个重要的手段，并对近年来有关高温高压下流体与地幔矿物之间痕量元素分配作用的实验模拟研究进行了评述，分析了制约流体与地幔矿物之间痕量元素分配系数的因素，总结了这些研究的应用。     

埋藏氧的上升和地球早期大气形成北大核心CSCD

埋藏在地下深部岩石中的氧或许在几十亿年前促进了地球岩石地幔的搅动,并改变了早期行星的大气成分。耶鲁大学,亚利桑那州立大学,和德国的巴伐利亚地质研究所的研究表明,地表下地热引起岩石缓慢的运动,即地幔对流是由矿物中氧的分布不均引起的。     

地幔中水的研究进展

地幔中的水水地地幔地球化学动力学、地球物理场有着重要的影响,而且对认识地内部挥发分的再循环以及整个行星地球的演化均有着关键性的科学意义。简要评述了一领域的研究进展,介绍了地幔中水的赋存状态,位置及其影响因素,并初步估算了地幔中水的含量     

次大陆和海底地幔矿物中全球广泛产出的富二氧化硅熔体

来自地球上地幔的岩石样品，通常间接地显示化学的证据。这种化学变化或“交代作用”，可通过两条途径来识别：（１）外来矿物的沉积：（２）具有包括富呷及其它“不相容”元素在内的化学指纹在地幔岩石总成分上的叠加。我们通过调查地幔矿体所捕获的熔体和流体包裹体，更直接计研究了是质的化学成分。     

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。     

中国大陆科学钻探工程的科学目标及初步成果

中国大陆科学钻探工程的主孔位于苏鲁超高压变质带南部的东海县，其穿过的岩石曾位于板块会聚边界的地幔深处，是研究大陆深俯冲及地幔动力学的最佳地区。中国大陆科学钻探的科学目标旨在通过对钻孔中获取的全部连续岩心、液态和气态样品及原位测井数据进行的全方位测量与综合研究，建立5000m孔深的各类多学科精细剖面，再造北中国板块与扬子板块会聚边界深部三维物质的组成和分布及三维结构构造；阐明板块会聚边缘的深部流体作用、壳一幔相互作用及地幔中物质循环和流变学；寻找超深地幔条件下形成的特征矿物，揭示超高压变质成矿机理；建立结晶岩地区地球物理理论模型和解释标尺；揭示超高压变质岩石的形成与折返模型及板块会聚边界的深部动力学机制。通过5km深孔营造的特殊地下空问，研究现代地壳的物理、化学及生物作用，并将建立亚洲第一个大陆科学钻探深孔长期观察实验站。中国大陆科学钻探工程已取得初步成果。主孔2000m岩心的深度和方位准确归位；建立了岩性、地球化学、构造、矿化、岩石物性、地下流体及各类测井等精细剖面；揭示了发现除超镁铁质岩外的各类岩石中的柯石英；通过SHRIMP测年准确确定超高压及退变质事件的年龄；初步揭示了超高压及退变质过程中流体的变化及水一岩作用；划分了构造岩片单元，确定了其边界的韧性剪切带性质，并发现早期构造信息；建立的随岩性变化的弹性波速度和热导率连续剖面对地震反射和热结构提供了岩石物性的制约；VSP地震剖面揭示了孔区深部的构造岩片结构，以及强地震反射层和大型韧性剪切带有关；发现地下特殊气体一甲烷、二氧化碳及氦气的异常，以及气体异常越往深部越频繁出现的规律。经DNA分析，在超高压岩心中发现在极端条件下形成的微生物。     

花岗岩矿物正交偏光镜下图像人工智能识别研究

人工智能在地球科学领域中的应用是近年来研究的热点,对地球科学的发展有着重要意义,其应用之一就是使用计算机视觉技术实现岩石或矿物的自动化识别分类。然而,目前大多研究直接对岩石薄片图像进行分类,不能够精细定位并识别薄片中多且复杂的矿物目标。虽然现已有许多学者将目标检测技术应用于岩石矿物的图像识别分类中,但这些方法识别的对象大多是岩石手标本图像,只能对图像中的单一对象检测。在识别分类研究领域中,缺少对岩石薄片镜下图像识别的算法及质量较好的相关数据集。为了解决这些问题,本文首先采集了3000张正交偏光镜下花岗岩薄片图像,标注矿物样本10000余个,并通过数据增广方式对数据集进行增强,建立了一个质量较好、具有多样性的数据集。其次本文提出基于Yolov5x的改进算法RDB-Yolov5x。这种方法在特征提取过程中添加了密集连接方式,使用密集连接残差模块（RDB）替代传统的残差结构,有效地保留了图像的语义和位置信息细节。实验结果表明该方法泛化能力较好,在对图像中小尺寸、特征模糊的矿物颗粒的识别中表现出优秀的性能,可以准确有效地对花岗岩中的五类目标矿物（石英、黑云母、白云母、斜长石、钾长石）进行识别,...