中国大陆科学钻探主孔0-2000米超高压变质岩中有机质的检出及成因研究

前期研究表明大陆深钻孔区超高压变质岩经历了多期变质作用,岩石的峰期变质温度达680-850℃,压力高达1-3GPa,如此高温、高压,理论上已接近和超过传统意义上的石油死亡线,也就是说大陆深钻孔区超高压变质岩存在有机质的可能性比较小。然而,本课题通过排除大量钻井液、泥浆、添加剂以及样品分析等过程的污染,建立起特殊样品制备和检测方法,从大陆深钻孔区0-2000米超高压变质岩中检测到了微量可溶有机质和不可溶有机质。从而为大陆深钻孔区超高压变质岩中存在有机质提供了有力证据。本文还通过对可溶有机质、不可溶有机质的特征研究如生物标志物姥姣烷、植烷和干酪根、岩心样品的Rock-Eval热解分析和有机碳分析,以及与无机成因假说对比研究认为超高压变质岩中有机质的成因为有机成因。     

德国大陆超深钻概况

德国大陆超深钻概况韩吟文（中国地质大学，武汉）德国是继苏联之后第二个设计和实施以科学研究为目标的大陆超深钻的国家。在１９８１年＂联邦德国大陆超深钻计划＂研究报告发表后，１９８６年在巴伐利亚州东北部的上普法尔茨地区选定了超深钻井位，并于１９８７～１９８...     

大陆深俯冲实验模拟研究进展

介绍了大陆深俯冲及超高压变质岩在物理实验模拟和数值实验模拟方面的进展及由实验得出的主要结论和板片断离模式的应用；综合各研究成果，总结出大陆深俯冲的3个基本要素是周边板块的推力、洋壳及地幔岩石圈的拉力和大陆岩石圈内发育的主断层，3个可能的板片断离过程，以及俯冲过程中大陆岩石圈可能的形态变化；对实验模拟在该领域的应用研究进行了简要评述及前景展望。     

联邦德国大陆超深钻先导孔成果

大陆科学钻探是当代地球科学的重大前沿之一,也是一项高科学技术领域。它是继深海深钻计划之后,又一项将促进地球科学技术发展的大型多学科基础研究计划。联邦德国于1985年2月正式实施大陆超深钻(以下简称KTB计划),它是联邦德国80年代国家级十个重大基础研究计划之一,1989年完成了先导孔,1990年9月主孔正式开钻,现正以每天20m的速度钻进,是世界上深钻工作很有特色的国家。     

德国大陆深钻KTB的新认识

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;地过的高导低阻层主要由剪切带中的次生石墨和硫化引起等等。     

大陆超深钻与前寒武纪地质研究

大陆科学钻探是地球科学发展一定阶段的产物。原苏联的科拉超深钻和克里沃罗格超深钻的重要发现，检验了池代地学理论，使人们重新认识地壳结构等许多问题，因而促进了地球科学和大陆科学钻探的发展。     

中国大陆科学钻探（CCSD）主孔超高压变质岩副矿物锆石中的流体包裹体研究

中国大陆科学钻探工程主孔位于苏鲁超高压变质地体南部,钻孔穿过的超高压岩石主要有榴辉岩、正、副片麻岩、石榴橄榄岩、角闪岩,以及少量片岩和石英岩。锆石是超高压岩石中的常见副矿物,按成因可以分为原岩锆石、变质(增生)锆石和新生锆石。这三类锆石中普遍含有矿物包体和少量流体包裹体,它们记录了超高压岩石经历的进变质、超高压变质和退变质期间流体作用的信息。锆石中的流体包裹体具有以下特征:(1)原岩锆石核部常见原生H2O和H2O-CO2包裹体,H2O包裹体的组成和盐度变化较大;而沿原岩锆石裂隙有时还有次生H2O-CO2和(或)CO2包裹体;(2)在变质锆石或锆石的变质增生带(幔部或边部)仅偶尔发现与超高压矿物包体共生的H2O-CO2包裹体;(3)榴辉岩,特别是片麻岩可以含大量微粒新生锆石,其中偶尔可见低盐度的H2O±CO2包裹体;(4)锆石中流体包裹体的丰度与主岩氧同位素值存在一定相关性:即具有很低δ18O值的岩石所含锆石中流体包裹体特别丰富,而具有正常氧同位素组成的岩石中锆石很少或不合流体包裹体;结合原岩锆石、变质锆石和新生锆石中均有中低盐度的H2O和H2O-CO2包裹体存在,反映了在大陆深俯冲-折返过程中变质流体具有继承性。H2O和H2O-CO2包裹体的等容线全都从根据矿物温压计获得的变质峰期压力-温度区间下部通过,推测在进变质-超高压变质峰期捕获的流体包裹体随后受到了改造。在进变质-超高压变质和退变质期间变质流体的存在促进了原岩锆石不同程度地受到溶蚀、变质增生和变质锆石、新生锆石的形成。     

超高压变质流体的组成与演化：中国大陆科学钻探工程主孔岩心的流体包裹体研究

中国大陆科学钻探工程主孔位于大别-苏鲁超高压变质带东段的江苏东海县,孔深为5100m,其上部2050m钻遇的岩石主要为榴辉岩,其次是正、副片麻岩、石榴橄榄(辉石)岩以及少量片岩和石英岩。它们经历了超高压变质作用和随后的角闪岩相退变质作用。通过对上述各种岩石的详细流体包体观察和RAMAN光谱分析,发现了五种不同成分的流体包裹体:(1)中-低盐度水溶液包裹体(Ⅰ型),呈原生的孤立和小群存在于榴辉岩和片麻岩锆石的岩浆核和超高压变质边缘,或存在于绿辉石、黝帘石和被绿辉石包裹的方解石和石英中,偶尔呈出溶包裹体产于磷灰石中,而主要沿绿辉石、石榴石、蓝晶石、黝帘石和石英等矿物的穿颗粒裂隙分布;也呈孤立和小群产于切穿榴辉岩的方解石脉和片麻岩重结晶石榴石和绿帘石中;(2)CO2(±CH4)-H2O包裹体(Ⅱ型),存在于锆石的岩浆核和变质边缘,或沿石英裂隙分布;(3)含石盐±SiO2±CaCO3的复杂盐水包裹体(Ⅲ型),呈原生流体包裹体产在榴辉岩的绿辉石中,与石英出溶棒一起平行于绿辉石的C轴分布,或产在石榴辉石岩透辉石的晶内裂隙中;(4)富CO2包裹体(Ⅳ型),在榴辉岩的石英中随机分布;(5)单气相包裹体(Ⅴ型),沿各种矿物穿颗粒裂隙分布。流体包裹体产状及其与捕获时代关系表明,Ⅰ型和Ⅱ型包裹体可以出现在超高压变质岩原岩、峰期变质和退变质各阶段。Ⅲ型包裹体出现在超高压变质岩的早期减压退变质阶段。而Ⅳ型和Ⅴ型包裹体主要形成于角闪岩相及更晚的退变质阶段。本研究的主要认识是:(1)低盐度H2O和CO2流体在进变质、超高压变质和退变质作用各阶段均有存在,这表明在整个超高压变质演化过程中流体具有继承性。(2)超高压变质岩原岩和角闪岩相退变质岩中存在较丰富的流体包裹体,但在超高压峰期捕获的流体包裹体却很少见,这表明丰富的原岩流体或在超高压进变质过程中被排出岩石体系,或进入含水超高压矿物和结合进名义无水矿物。(3)复杂成分原生流体包裹体的发现证明在超高压变质峰期后的早期减压退变质阶段存在一种高盐度似熔体流体,名义上的无水矿物在超高压条件下可以保存相当量的流体,并在退变质过程中分离出来,产生流体-岩石相互作用。(4)角闪岩阶段的流体包裹体具有各种不同的化学组成,且在局部富集,推测可能有部分外部加入的流体。(5)流体包裹体类型、丰度和成分在不同岩石类型中和不同钻孔深度都存在明显差异,表明超高压变质作用过程中没有大规模的透入性流体活动。(6)根据超高压变质峰期包裹体等容线得到的压力值大大低于根据矿物温压计获得的近峰期变质压力,这表明包裹体的密度在捕获后发生了改变。这些改变是由于流体渗漏、部分爆裂和流体-岩石相互作用所引起。     

CCSD(0～5158m)HP-UHP变质岩中石英脉流体包裹体研究

本文对中国大陆科学钻探(CCSD)0～5158m HP-UHP变质岩石英脉中流体包裹体进行了研究,通过冷热台与拉曼光谱测定发现其中含有4种流体包裹体(Ⅰ型)盐水溶液包裹体,并进一步分为高盐度盐水溶液包裹体(Ⅰa型)、中高盐度盐水溶液包襄体(Ⅰb型)、中等盐度盐水溶液包裹体(Ⅰc型)和低盐度盐水溶液包裹体;(Ⅱ型)N2-CH4纯气相包襄体;(Ⅲ型)含方解石子矿物的流体包裹体;(Ⅳ型)CO2-NaCl-H2O包裹体及纯CO2包裹体.其中Ⅲ和Ⅳ型流体包裹体是CCSD石英脉中首次发现.Ⅰa、Ⅰb型流体包裹体主要以原生的形式赋存在榴辉岩及片麻岩的石英脉或石英颗粒当中,它们主要是被捕获于折返早期高压变质重结晶阶段;Ⅰc和Ⅰd两类包裹体则主要以次生的形式赋存于榴辉岩及片麻岩的石英脉或石英颗粒当中.说明它们是在超高压变质岩折返过程的较晚阶段捕获的.以原生形式出现的含方解石子晶及CO2包裹体,指示部分石英脉及其围岩可能经历过超高压变质作用甚至麻粒岩相阶段.CCSD中的石英脉可能主要形成于折返早期高压变质重结晶阶段,其中的HP-UHP岩石在板决折返及其以后退变质过程中释放出的变质流体活动范围有限,没有经历大规模的流动或迁移.     

中国大陆科学深钻主孔岩屑中含钠和锌的尖晶石的发现

一种含钠和锌的尖晶石矿物产于中国大陆科学深钻主孔超镁铁岩中,以出溶的方式存在于钛铁矿和磁铁矿中,长5-60μm,宽2-3μm,化学组成（wB％）为MgO17．143％-22．337％,Al2O3 63．646％～66．492％,FeO9．784％～13．924％,ZnO 1．649％-6．386wt％．Na2O 0．029％～0．219wt％。Na2O与ZnO在尖晶石中的含量呈正相关关系。经同步辐射测得其为尖晶石单晶,空间群为Fm3m,晶胞参数为a=0．83781am。根据尖晶石与钛铁矿、石榴石（pyr=56-58mol％）共生和石榴石退变为顽火辉石和镁绿泥石的特点,表明该尖晶石来自超镁铁岩,它们一起经历了至少为角闪岩相的变质作用。广泛的混溶间断现象及其所造成的出溶结构出现在氧化物中,表现为Mt-Usp、Mt-Spl及Mt-Ilm之间的交生。根据前人有关Mt-Usp和Ilm-Gk-Hem固溶体系的实验。表明主孔岩石的氧逸度相对较低,形成温度应在720℃以上。这些早期在岩浆分离结晶过程中形成的铁钛氧化物出溶体,在后来的超高压变质作用下可能发生再次固溶和因降温减压造成的出溶。     

苏鲁超高压变质带的岩浆型超镁铁原岩：来自中国大陆科学钻探主孔的亏损氧同位素证据

苏鲁超高压变质带有大量的超镁铁岩体,对这些岩体的成因的研究一直是一个热点。为了鉴别这个地区有无在俯冲进变质前经历过地壳浅部地质过程的超镁铁岩,本文利用BrF5气氛中用CO2红外激光熔样和质谱测试分析方法对中国大陆科学钻探工程主孔内603．20-683．53m深度的三个石榴单辉橄榄岩样品的单矿物橄榄石、石榴石、单斜辉石的氧同位素进行了分析。橄榄石的δ^18O值为＋3．31‰＋3．82‰;石榴石的为＋4．03‰＋4．10‰;单斜辉石的δ^18O值误差较大,平均值为＋2．10‰。这些矿物的氧同位素组成总地低于典型的地幔值。研究表明,岩石单矿物低δ^18O值是侵入到地壳浅部的超镁铁岩体与寒冷大气降水热液之间的氧同位素交换反应所造成,之后发生了与地壳围岩一齐的俯冲、超高压变质、折返退变质等过程。这是苏鲁地区首次发现的低δ^18O值的岩浆侵入型超镁铁岩体,具有重要的大陆动力学意义,从超镁铁岩方面证明了苏鲁地体可能是大别地体的东延部分。     

中国大陆科学钻探工程主孔100～2 000 m 岩心自然伽马测量及其地质意义

中国大陆科学钻探工程使用石油大学研制的岩心地面伽马测量仪对主孔2000m岩心进行了连续测量，并记录峰、谷的伽马值及其对应的岩性、构造和矿化等特征。通过系统测量，建立了主孔2000m自然伽马值剖面，发现榴辉岩具有较低的伽马值，并从榴辉岩→角闪岩→花岗片麻岩，伽马值逐渐增大。伽马值与变质岩的岩性具有明显的对应关系。并从放射性元素U、Th和K含量的角度来看岩石中放射性元素的变化规律，探讨这些元素变化的成因，指出变质基(中)性岩原岩反映的岩浆岩成因，不同于变质泥质沉积岩；岩石高Th／U比值与岩石曾经经历了近地表环境有关。主孔深变质岩自然伽马测量的系统研究对主孔岩心深度归位、探讨岩石成因和区域岩石圈热状态和大地构造演化具有重要的作用。     

中国大陆科学钻探工程主孔榴辉岩的岩石学研究

中国大陆科学钻探工程5000m主孔位于苏鲁超高压变质带南部。该钻孔0～2000m主要由榴辉岩、片麻岩、石榴石橄榄岩和少量片岩和石英岩组成。累积厚度达1000多米的榴辉岩具有不同的矿物组成、不同的矿物含量和不同的全岩化学成分,可划分成富Si的石英榴辉岩、富Ti的金红石榴辉岩、富Al的多硅白云母和蓝晶石榴辉岩、富Mg的双矿物榴辉岩和具有正常玄武岩成分的普通榴辉岩。榴辉岩的原岩包括基性层状侵入岩和变质表壳岩。榴辉岩全岩成分对石榴石和绿辉石中某些化学组分的含量有明显控制,而且直接影响到变质条件估算的准确性。扩散成分环带的广泛发育表明超高压矿物在早期退变质过程中发生了成分再平衡。这一事实以及具有成分生长环带石榴石变斑晶的存在,为榴辉岩形成在更高温度(>940℃)和更高压力(>4.5GPa)条件下提供了有力的证据。     

中国大陆科学钻探（CCSD）主孔石榴石橄榄岩中发现Fe2P合金矿物

在东海大陆超深钻(CCSD)的钻孔橄榄岩岩屑(孔深603-683米深部)中,分离出的矿物有硅酸盐、氧化物、硫化物、碳化物、自然元素、金属互化物和合金,计50-60种矿物。多种特征表明其中有一些不寻常矿物,并且有些矿物具有球状外形,如自然铁、镍纹石、铁镍合金、磁铁矿等。本文报道通过成分和结构分析鉴定出的铁磷合金矿物(Fe,P),成分中含少量Cr,Ni和Co,成分均一,分子式为(Fe1.80Ni0.05Cr0.02)P。EDXD数据表明该矿物的晶系属六方晶系;格子类型为P;空间群为P62m;晶胞参数a=b=5.877Ac=3.437A,a:c=1:0.5848。通过ICDDPDF-2x射线粉晶衍射数据库2004年公布的最新版本搜索查询,发现与人工合成的同种矿物Fe2P(ICDD83-2337,Barringerite.syn)十分接近,类似的矿物已在陨石中发现(FeNi)P,故确定本文报道的铁磷合金(Fe2P)为地球上首次发现的天然合金矿物。其成因和形成条件的研究正在进行中。     

深俯冲和折返动力学:来自中国大陆科学钻探主孔及苏鲁超高压变质带的制约

中国大陆科学钻探工程和苏鲁高压-超高压变质带为大陆岩石圈的深俯冲与折返动力学的研究提供了以下制约(1)苏鲁高压/超高压变质地体迭置于南、北苏鲁两个不同时代及属性的基底之上;(2)苏鲁巨量表壳岩石深俯冲至200km以下的上地幔深度,并经历超高压变质作用;(3)根据不同类型超高压变质岩石锆石的SHRIMP-U/Pb原位精确定年,获得超高压变质岩石的深俯冲-折返全过程(240～252Ma→230～237Ma→207～218Ma)时限.并建立了新的深俯冲-折返全过程的P-T-t轨迹;(4)富钛铁的辉长岩在大陆地壳的深俯冲过程中,经历了超高压变质作用并转变成了富含金红石的榴辉岩,形成了超高压变质的钛矿床;(5)通过榴辉岩和石榴石橄榄岩的显微构造分析及石榴石、绿辉石和橄榄石EBSD测量,确定深俯冲过程中绿辉石和橄榄石的组构运动学和流变学特征;(6)在大陆的深俯冲过程中,强烈水化的陆壳岩石经历了进变质脱水过程,巨量的地表水带入到＞100～200Km的地幔深处,在超高压变质峰期的极端条件下,通过含水超高压变质矿物的分解形成超临界的含水熔体,导致有效的壳-幔物质交换和岩石圈物质分异;(7)苏鲁超高压变质地体在折返阶段形成挤出纳布构造,与岩石圈深俯冲管道流的折返挤出机制有关;(8)提出新的深俯冲-折返动力学模式陆.陆碰撞的深俯冲剥蚀模式及大陆地壳多重性、分层型和穿时性的俯冲和折返模式.