地幔氧化状态和氧逸度简介

本文介绍了80年代有关地幔氧化状态和氧逸度的确定方法、基本原理和氧逸度的测定结果,并对各种方法存在的问题、影响fo_2测定值的主要因素等作了简要介绍.     

深部地幔及深部流体

主要论述深部地幔的组成、地球化学及深部流体研究的进展。金刚石中含有下地幔矿物组合的包裹体，这一发现暗示，在６７０ｋｍ或更深处有“原金伯利岩浆”发生的可能性。经研究，地幔中的流体除与岩浆作用有关者外，还存在有深部来源的“超深流体”。金伯利岩中大量缺氧矿物的发现支持了这一观点。根据已有的资料，Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｓ为其主要成分，并含有碱金属、卤族元素、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｗ等元素。深部流体的研究将对地幔柱（羽）的活动、幔源岩浆的形成、全球动力学过程及成矿作用作出贡献。     

中国东部地幔中岩浆与岩浆相互作用

近年来,研究认为在地幔深度发生的岩浆与岩浆之间的相互作用过程能够作为解释板内玄武岩组成不均一性的机制之一(Herzberg,2011)。然而,迄今为止并没有十分有力的地球化学证据支持这一模式。本次研究选择中国东南部福建龙海地区的小规模溢流玄武岩作为研究对象,通过元素和同位素地球化学研究,解释了在地幔深度碱性玄武质岩浆和拉斑质岩浆之间的相互作用过程。龙海玄武岩主要由拉斑玄武岩组成,含少量碱性玄武岩,w(Si O2)变化相对较小(49.0%~52.8%),但全碱质量分数显著变化(w(K2O+Na2O)=2.3%~6.4%)。依据玄武岩的演化程度,我们将其划分为低钛(演化程度低,Ti O2/Mg O0.25,为拉斑玄武岩)和高钛(演化程度高,Ti O2/Mg O0.25,主要为碱性玄武岩,含少量拉斑玄武岩)两类玄武岩。对低钛玄武岩的原始岩浆计算发现,其具有低的Ca O含量和高的Fe O/Mn O比值,并且相图上落在了4 GPa下与斜方辉石、单斜辉石和石榴子石相平衡的区域,暗示其源区主要岩性为辉石岩。但是,这些玄武岩的Sm/Yb比与Ti/Gd、Zr/Hf比之间呈现很好的线性关系,暗示低钛玄武岩源区经历了两端元混合过程。另一端元具有低的Ti/Gd比和高的Zr/Hf比,表明其源区另一种岩性为碳酸盐化的橄榄岩。高钛玄武岩具有与低钛玄武岩几乎一致的Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成,暗示它们具有相似的成因。但是,随着高钛玄武岩Sm/Yb比值的增加,其表现出显著的石榴子石效应。这一组成特征,以及其稀土元素的交叉配分特征,可以用单斜辉石和石榴子石的分离结晶来解释。而高钛玄武岩在相图上同样落在了石榴子石-辉石区域,也支持其曾经与石榴子石和单斜辉石相平衡。由于石榴子石的分离结晶通常深度大于70 km,要大于研究区的岩石圈厚度,因此该分离结晶过程应该发生在软流圈。而硅饱和的拉斑质岩浆(起源自辉石岩)与硅不饱和的碱性岩浆(起源自碳酸盐化的橄榄岩)在地幔深部相遇,就能够诱发该分离结晶作用:富硅拉斑质岩浆+贫硅碱性岩浆→富硅碱性岩浆+石榴子石+单斜辉石。基于上述观察,我们提出高钛玄武岩形成于拉斑质岩浆与碱性岩浆之间的相互作用及其伴随的深部岩浆演化过程。     

利用地幔的Nb和Ta含量制约地球原始岩浆洋的成分

硅酸盐地球和陨石相比,具有更低的Nb/Ta比值。前人的高温高压实验工作(<25 GPa)表明,在氧逸度非常低的条件下(岩浆洋的FeO<1%mol),Nb更倾向于进入地核,从而可以解释硅酸盐地球的低Nb/Ta比值。但是,地球早期岩浆洋在成核过程中是否一直保持极端还原状态还存在疑问。为了增加对早期地球演化的了解,巴黎地球物理研究所的科学家们利用金刚石压砧开展了43~75 GPa、3000~4400 K条件下的实验。     

深部地幔的流变学特性

岩石的流变学特征(“粘度”)是控制地球深部动力学状态的一个很重要的因素。地幔对流的样式、地幔柱起源的深度在很大程度上与地幔的流变学分层性有关,然而到目前为止我们对深部地幔的流变学特性知之甚少。     

深部地幔中的原始水

正地球上水的起源一直困惑着科学家,因为早期太阳的高温足以蒸发掉那些形成原始地球的早期太阳系星云中的冰质尘埃,因此科学家一般倾向于认为新生的地球应该是"干的",后期通过来自太阳系边缘冰质小天体的撞击获得了水。由于不同来源的水具有不同的H同位素组成,因此地球     

深部地幔的富水储库

地幔矿物中微量的水影响着地幔的物理和化学性质,从而深刻影响着板块构造和地表宜居性.长久以来,对岩石圈以下地幔的水含量估计,主要来自大洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩的水含量分析结果表明,其源区水含量分别为50× 10-6～200×10-6和300× 10-6～900× 10-6.近十年来,通过对超深金刚石中的林伍德石、冰Ⅶ等矿物包裹体的研究,揭示了深部地幔的很有可能存在更富水的区域.而对超慢速扩张洋中脊玄武岩、科马提岩、苦橄岩等幔源岩浆含水性的分析,则从更宏观尺度上证实地球深部存在着与俯冲带释放流体无关的富水区域,同时揭示了古老地幔楔残余在浅部软流圈的滞留也是大洋板块内部富水的重要途径.尽管如此,对地幔深部富水储库形成机制、水来源及储库所在圈层位置等还没有清晰的认识,在将来的研究中这些问题应受到关注.     

幔源岩浆氧化还原状态及对岩浆矿床成矿的制约

岩浆的氧化还原状态是控制许多基本地质过程的关键热动力学参数之一。估算玄武质岩浆和源区岩石氧化还原状态的常用方法主要包括多价元素的价态、多价元素的分配系数、共存矿物对的化学平衡和全岩化学比值。岩石学实验的深入和分析技术手段的快速发展使精确估算岩浆氧逸度成为可能。这有力地促进了对地幔源区成分、岩浆的部分熔融程度和熔融方式与分异演化历史,以及岩浆矿床的成因机制及成矿过程的研究。幔源岩浆的氧化还原状态复杂多变,不仅与构造背景有关,还与地幔深度(压力)、交代作用和部分熔融有着密切联系。而在岩浆到达浅部地壳后,结晶分异、岩浆去气和同化混染等过程也能不同程度地改变岩浆的氧逸度。因此,即使来自同一构造背景的幔源岩浆也呈现出明显的氧逸度不均一性。氧逸度的高低对源区部分熔融过程中金属元素的地球化学行为、岩浆的分异演化趋势、Fe-Ti-V氧化物饱和时间的早晚和S在岩浆中的溶解度具有明显的控制作用。因此,岩浆的氧逸度对钒钛磁铁矿矿床和汇聚板块边缘的岩浆硫化物矿床的成矿过程具有显著的影响。     

利用地幔中Nb和Ta的含量制约地球初始岩浆洋的成分

球粒陨石常用来代表未分异的原始地球的组成成分。但是,Nb、Ta作为难熔亲石元素,在各硅酸盐地球储库中(地壳、洋中脊玄武岩、亏损的洋中脊玄武岩地幔等)的Nb/Ta值却显著低于球粒陨石的Nb/Ta值(<19.9)。这可能指示在下地幔深部有未被发现的高Nb/Ta源区,或者Nb在核、幔分异时进入地核。目前学界对"Nb悖论"成因仍存在很大争议。     

深部地幔中的原始水

正地球上水的起源一直困惑着科学家,因为早期太阳的高温足以蒸发掉那些形成原始地球的早期太阳系星云中的冰质尘埃,因此科学家一般倾向于认为新生的地球应该是"干的",后期通过来自太阳系边缘冰质小天体的撞击获得了水。由于不同来源的水具有不同的H同位素组成,因此地球初始的H同位素组成可以用来示踪水的起源,然而由于水在地表和地球深部之间广泛的循环交换,找到能代表原始地幔的储库并不容易。以前的研究表明,对     

岩浆变质作用和地幔的演化

象矿物和岩石一样,岩浆处于地球纵深部位时要遭受变质作用。一系列证据表明,在地球的深处硅酸盐熔融体的结构和性质发生戏剧性的变化。当压力分别在0～50Gpa和5～15GPa范围内增加时,Si和Al的配位由四次配位增加到六次配位。配位改变的大多数证据来自于用高压振动光谱和X射线技术对硅酸盐和模拟火山玻璃所做的现场研究。硅酸盐熔融体的压力测量分析以及在淬火到周围条件下的高压液体的研究,结合计算机模拟证明原子堆垛结构的改变与岩浆变质作用一致。统计的力学模型也     

来自深部地幔的超级热柱

一种新颖而生动的关于地幔对流的解释正在从巨型火山喷发的记录中得出,这些“幕式”火山喷发贯穿了整个地球历史。最近一次的火山大爆发突然发生在大约125Ma前,持续活动了至少60Ma,跨越了大部分白垩纪。根据最近完成的研究成果,海洋地壳生长率在那次火山     

中国东部地幔氧化—还原状态的演化及其意义

利用二次尖晶石标样法(secondary spinel standard)精确测定了中国东部新生代玄武岩中地幔包体的尖晶石的Fe~(3+)/∑Fe,并采用橄榄石- 斜方辉石- 尖晶石氧逸度计估算了63个地幔包体记录的氧逸度。结果显示,中国东部岩石圈地幔氧化状态具有南高北低特点,其中,华北克位通岩石圈地幔的氧化状态最低,与大洋地幔氧化状态相近,而东北及华南的     

岩浆洋分异与月壳

回顾了岩浆洋慨念最初的由来,具体阐述了月浆洋冷却结晶形成斜长岩月壳的过程。根据行星演化、核一幔分异及地球化学方面等方面提供的证据,论证了岩浆洋是行星早期演化必然经历的一个阶段。已有的岩浆洋结晶模型都认为岩浆洋中的岩浆在成分上是均一的。根据目前实验火成岩石学方面的进展,认为这个前提不存在,提出了月浆洋Sorer分异的一个新假说。此模型为今后研究岩浆洋分异提供了一个新思路,并指出了今后的研究方向。     

地幔柱和地幔流体作用与深部找矿应用研究

地球是一个复杂的系统,自形成以来,一直处于不停地运动、分异和演化过程;它不仅存在着圈层结构,而且伴随其自转和公转的离心力,以及核幔间的温度差、压力差、密度差、粘度差、速度差和放射性蜕变热等动热机制,同时存在着以地幔柱和地幔流体作用方式的物质垂向运动;这一过程,不仅直接向地壳带入核幔成矿物质,而且通过流体自身的超临界性质,将沿途活化已有初步富集的成矿物质转移至地壳适宜部位集中成矿。因此,大多与深大断裂有关的矿床,其成矿作用多与成矿物质的垂向运动密切相关,进而可能具备深部成矿的条件。研究从地幔柱和地幔流体作用入手,探讨了大型和超大型矿床形成的地球化学背景,揭示了开展深部找矿应用的前景。     

地幔流体与玄武岩及碱性岩岩浆成因

玄武岩、碱性岩成因问题的研究应分成后期地表的岩石成因研究和前期深部的岩浆成因研究两个大阶段,二者既有联系,又有区别。通过岩石成因来反演岩浆成因是一个使用最多的重要方法,前人不乏深入研究。作为补充,笔者试图再增加一条研究思路,从地幔岩捕虏体的详细研究中去直接发掘地幔岩浆作用的信息记录。结果表明,对地幔岩中浆胞的详细研究可以揭示玄武岩浆碱性岩浆的成因,排浆时差的大小对玄武岩种类有重要的制约作用,热可能不是地幔岩浆作用的重要因素,地幔流体（ＨＡＣＯＮＳ）的不均匀渗入才是更重要的致熔原因。     

新疆青河县科克辉长岩体：氧化地幔楔部分熔融岩浆的记录

新疆阿尔泰地区科克辉长岩位于额尔齐斯断裂和可可托海-二台断裂交汇部位的东南侧,为探矿过程中发现的隐伏岩体。本次工作对科克辉长岩体地质、年代学和地球化学进行了系统研究,结果显示科克辉长岩体锆石SIMS U-Pb同位素年龄为291Ma左右,对应于早二叠世,岩体具有较低SiO_2(46.14%～52.53%)和MgO(3.00%～7.68%)含量,较低La/Sm(2.56～4.10)和较高的(Gd/Yb)_N(1.12～1.61)比值,微量元素具富集大离子亲石元素(K,Rb,Pb等)、亏损高场强元素(Nb与Ta等)等地球化学特征,指示科克辉长岩的岩浆起源于氧化的俯冲交代地幔源区的部分熔融,在上升侵位过程中受外来物质混染作用较弱的特点。综合地质和地球化学特征显示,新疆阿尔泰地区二叠纪科克辉长岩形成于伸展构造背景,岩浆侵位受额尔齐斯断裂走滑作用控制,该岩浆岩是北疆地区广泛发育的二叠纪基性岩浆岩的组成部分。     

地幔柱和地幔流体作用与深部找矿应用研究

地球是一个复杂的系统，自形成以来，一直处于不停地运动、分异和演化过程；它不仅存在着圈层结构，而且伴随其自转和公转的离心力，以及核幔间的温度差、压力差、密度差、粘度差、速度差和放射性蜕变热等动热机制， 同时存在着以地幔柱和地幔流体作用方式的物质垂向运动；这一过程，不仅直接向地壳带入核幔成矿物质，而且通过流体自身的超临界性质，将沿途活化已有初步富集的成矿物质转移至地壳适宜部位集中成矿。因此，大多与深大断裂有关的矿床，其成矿作用多与成矿物质的垂向运动密切相关，进而可能具备深部成矿的条件。研究从地幔柱和地幔流体作用入手，探讨了大型和超大型矿床形成的地球化学背景，揭示了开展深部找矿应用的前景。     

深部地幔在白云凹陷的岩浆记录:基于BY7火山岩的地球化学研究

白云凹陷位于珠江口盆地西南端,新生代处于构造转换带,边界断裂附近的BY7井记录了多期岩浆活动,其中玄武安山熔岩(BY705～BY706)和玄武岩(BY701～BY704)位于恩平组层位和珠江组层位,分别是南海扩张前和洋中脊跃迁后的岩浆活动记录.地球化学研究表明恩平组火山岩SiO2含量为53.60％ ～ 54.21％,(Na2O+K2O)为4.63％～5.16％,而珠江组火山岩则表现为较低的SiO2(47.26％ ～ 52.34％)、较高的全碱值(5.93％ ～ 6.98％).所有火山岩表现出低稀土总量(∑REE=153.0 ～174.3 μg/g)和明显的轻重稀土分馏((La/Yb)N=10.1～13.5)特点,稀土元素和微量元素特征类似洋岛玄武岩(OIB),富集大离子亲石元素(Rb、Ba、K),高Pb低Nb/U值显示明显的陆壳成分混染,这与晚白垩世发生的岩石圈拆沉作用有关.火山岩形成于地幔热点构造环境,是富集地幔源区低度部分熔融产物.其中恩平组火山岩与深部地幔上涌有关,源区为OIB与MORB过渡型,并遭受俯冲流体交代作用和陆壳混染.珠江组火山岩属于板内碱性玄武岩,主要为OIB EMI型岩浆组分,推测为海南地幔柱上涌形成,也有陆壳成分混染.深部地幔上涌作用在南海初始张裂和后期演化过程中可能扮演重要作用.