下地幔矿物及生成条件

据CatherineMcCammon等报道,在巴西Luiz河发现的金刚石中含有一些矿物包裹体,其中有（Mg,Fe,Al）（Si,Al）O3,（Mg,Fe）O,CasiO3和四面体的铁铝-镁铝榴石混合物（tetragonalalmandine－pyropephase,下简称为TAPP）,通过研究其氧化状态,就能了解一些下地幔的信息。含有包裹体的金刚石来自下地幔。通过对其内部包裹体周围的微裂隙检查,包裹体内部矿物压力测定及同位素研究,可以证明金刚石在后来的地质作用中未改变其化学成分。包裹体中的（Mg,Al）（Si,Al）O3在下地幔可能以钙钛矿的形式存在,而TAPP则是其原始相。…     

热点和下地幔的水含量

多年来,地质学家已经认识到水对地球演化和熔融过程的重要性,然而,关于水在深部地幔中的分布却缺乏统一认识。其中,下地幔究竟是干的,还是湿的,一直存在争议。本文通过研究全球热点的水含量和假设地幔转换带与下地幔的水达到平衡来制约下地幔的水含量。结果表明,全球热点的源区水含量为(300~1 000)×10-6,平均为(584±184)×10-6;根据地幔转换带与下地幔的水平衡模型得到下地幔水为(370±220)×10-6。其中,后者在误差范围内与早期亏损地幔水含量((441±51)×10-6)和停留在下地幔的古老再循环洋壳的水含量((440~480)×10-6)一致,说明下地幔的水可能为450×10-6,这和整体表现为湿的热点源区有明显差别。我们认为造成这种现象,可能与源区中橄榄岩和再循环地壳的不同熔融行为有关:再循环地壳具有较低熔点,可以在更深处熔融产生富水熔体,并与周围橄榄岩反应,使热点水含量增加。结果表明大多数热点的源区水含量不能直接代表下地幔的水含量。     

高压下地幔物质的相转变

具有多种压砧装置的高压技术的新进展,使我们能够测定25～27Pa条件下的地幔物质相转变。这样,我们就可以对地幔岩、玄武岩和橄榄岩以及那些与此成分类似的岩石相平衡进行广泛研究(例如,I(?)ifune和Ringwood,1987,a、b)。作者在这里对这些研究及一些新的实验结果作了一些总结,并讨论这些结果对地幔组成和构造的意义。 CaSiO_2-MgSiO_6系统:在使用金刚石压砧所得到的实验结果中,有关透辉石的相转变一直存在着不同意见(如Liu,1987;Tami和Yagi,在出版中)。基于电子探针和扫描电镜对淬火样品中透辉石相转变性质的仔细鉴定,作者的最新研究(I(?)ifune等,在出版中)揭示出,在19GPa以上,透辉石分解成立方晶系的钙钛矿和MgSiO_2组分所     

洋脊下地幔熔融和底辟作用的证据—Oman蛇绿岩

对Oman蛇绿岩的三个岩体进行的详细构造填图表明具底辟特点。镁质岩脉的大量分布以及地幔橄榄岩和上覆层状辉长岩之熔体反应带的过渡演变特点证明,在洋脊熔体萃取过程中底辟所起的主要作用。通过与底辟形状有关的镁质岩脉走向的研究,就能更准确     

下地幔CaSiO3钙钛矿的稳定性及其对LLSVPs的启示

LLSVPs的成因是当前固体地球科学研究的前沿热点,对这一成因的认识仍然存在很大的争议。认识LLSVPs的成因,对了解全球地幔对流性质、下地幔热结构以及化学物质的运输和演化等具有重要的科学意义。CaSiO₃钙钛矿（Ca-Pv）作为下地幔最丰富的矿物之一,也是近年来学术界关注的热点。Ca-Pv在下地幔条件下的晶体结构仍然是目前研究的主要问题之一,Ca-Pv能否与其结构和化学式都相近的含铁布里奇曼石形成固溶体?本文通过第一性原理地球化学计算,研究了Ca-Pv及固溶体的基态稳定性,弹性性质和地震波波速特性。研究结果表明,在20～120 GPa压力下,Ca-Pv最稳定的基态结构为四方结构。基态下Ca-Pv的弹性波速值低于Mg-Pv约5%。与非互溶体系相比,x（Fe）为0%～10%的固溶体体系,引起了-2%～0%的剪切波波速负异常;-1.2%～0%的纵波波速负异常;-0.45～0.15%的体波速异常。因此,推测固溶体Mg_1-x-yCa_xFe_ySiO₃可能作为下地幔LLSVPs的候选矿物组...     

高温下地幔矿物之间的Cr同位素分馏

<正>铬(Cr)是过渡金属元素,其同位素主要有50Cr、52Cr、53Cr和54Cr。与其它变价元素(Fe、Se、Cu)的同位素类似,生物作用和低温氧化还原过程是目前已知的导致Cr同位素分馏的主要因素[1-3],这使得Cr同位素常被用作示踪古大气氧化还原环境[4-6]以及地表水系统中Cr(VI)污染的还原和沉降[1]。到目前为止,高温地质过程中Cr同位素行为研究非常有限。Schoenberg等[7]第一次系统地对全球的     

下地幔方镁铁矿自旋转变的研究进展

压力引起的铁的电子自旋转变发生在下地幔的主要矿物中,这种转变对下地幔矿物的力学、物理学和化学等性质都会产生重要影响,因此在下地幔温度、压力条件下开展下地幔主要矿物相的自旋转变研究对下地幔地球物理学、地球化学和地球动力学等模型的约束具有重要意义。作为下地幔矿物质量分数第2的方镁铁矿,前人对其自旋转变以及这种转变对它的密度、声速、弹性性质、铁的分配、辐射热传导和电导率等的影响有广泛研究。本文旨在对方镁铁矿的自旋转变的主要研究进展进行总结和评述,并对未来该研究的发展趋势进行展望。     

下地幔温压下(Mg,Fe)SiO3钙钛矿的相稳定性

在69~100 GPa冲击压力(估算温度为2600~4300 K)范围内进行了初始样品为(Mg0.92,Fe0.08)SiO3顽火辉石和MgO+SiO2的冲击压缩回收实验.对回收样品进行的X射线衍射(XRD)分析结果表明:两发顽火辉石回收样品的主相均是单链状结构硅酸盐,而非钙钛矿结构;另外,回收样品中均未观察到氧化物SiO2和(Mg0.92,Fe0.08)O的XRD特征谱线;两发MgO+SiO2回收样品中均观察到SiO2和镁橄榄石(Mg2SiO4)而没有氧化物MgO.实验结果表明:在冲击压缩过程中样品处于钙钛矿结构,在冲击卸载过程中样品发生了由钙钛矿结构向单链状结构的逆转相变;在实验的温压范围内,不可能发生由(Mg0.92,Fe0.08)SiO3向SiO2和(Mg0.92,Fe0.08)O的化学分解相变,顽火辉石的高压相--钙钛矿结构是稳定的.高压加载或卸载过程引起的晶格畸变导致回收样品和原始样品的谱线差异,而高压加载导致钙钛矿型(Mg0.92,Fe0.08)SiO3晶格畸变的可能性更大.     

下地幔的氦化合物—FeO2He

氦(He)元素是地球上的稀有元素之一,宇宙中其含量仅次于氢,但由于其化学惰性不能像氢元素一样与其他元素反应生成稳定的化合物,因此只有少量的地球形成初期保留下来的原始氦气存在于大气中。然而,科学家们发现有氦气从地幔俯冲带喷发出来(比如洛杉矶金施,Newport-Inglewood断层带)。因此推测地幔中可能存在氦的化合物。尽管如此,科学工作者一直未发现含有He元素的矿物,甚至在地幔温度压力下也未合成相关的含有氦元素的化合物。     

下地幔中俯冲型玄武岩壳的研究

通常认为大洋岩石圈俯冲到地球深部,从而导致地幔的对流并产生地幔的不均一性。然而,大洋岩石圈作为一个整体可能并非均匀地俯冲：即由于化学成分、密度和熔融温度的差异,玄武岩壳与其下伏橄榄岩层俯冲到地球深部后的情况可能有所不同。有人认为俯冲的玄武岩壳可能在地幔中６６０ ｋｍ 处的不连续面附近形成一个浮体,且该浮体至少延伸至８００ ｋｍ 的深处,从而产生可能由于重力捕获作用形成的石榴石岩层。本文报道大洋中脊玄武岩在高达６４ ＧＰａ 压力下（相当于１ ５００ ｋｍ 的深度）的相态关系和熔融温度。我们的研究发现当俯冲的玄武岩壳在大约７２０ ｋｍ 的深处转化为钙钛岩的岩性特征时不再是浮体,并且在该转换带压力与温度呈正相关,这与橄榄岩正好相反。据此可推测,具钙钛岩岩性特征的玄武岩壳有可能因重力作用而下沉至深部地幔。熔融实验资料表明,在下地幔底部,当温度超过４ ０００ Ｋ时,玄武岩壳将会产生熔融。     

弧下地幔流体和熔体的富集：来自岛弧玄武岩Nb／Ta变化方面的证据

由消减大陆边缘火山沉积岩与洋中脊和大洋岛的玄武岩对比可知，前者最明显的特征是高场强元素Ｎｂ、Ｔａ相对于大离子亲石元素Ｔｉ和轻稀土来说明显亏损。搞清这个问题的主要障碍是缺乏高场强元素（特别是Ｎｂ和Ｔａ）的高质量的分析数据，因为在大多数消减大陆边缘火山岩中其富集程度均很低。本文发表的是岛弧火山岩以及一些海底沉积物中Ｎｂ、Ｔａ的新分析结果。数据表明，Ｎｂ、Ｔａ亏损的岛弧火山岩的Ｎｂ／Ｔａ值，与大洋中脊火     

地球下地幔矿物结构和热力学参数的研究进展与展望

下地幔从660 km到2 891 km深度,占据整个地球质量的49.2%并处于极端高温高压的状态。在下地幔相应的温度压力条件下研究主要构成矿物的物理性质,尤其是结构、密度和波速,是理解下地幔结构、物质组成以及动力学过程的关键。通过回顾过去30年高温高压矿物学实验对下地幔矿物,包括布里基曼石、铁方镁石、Ca-钙钛矿以及硅酸盐—后钙钛矿结构和热力学状态方程的重要研究进展,探讨温压条件变化、成分变化以及Fe自旋变化对这些下地幔矿物(相)密度和体波波速的影响,指出现有研究结果的不足和需要解决的问题,并对未来的研究方向提出展望。     

下地幔布里基曼石的铁自旋态及其地球物理意义

<正>根据地幔岩模型,下地幔主要由于布里基曼石[(Mg,Fe)(Fe,Si,Al)O3)]、铁方镁石[(Mg,Fe)O]、Ca-钙钛矿组成。Badro et al.,2003利用X光发射光谱发现,下地幔铁方镁石中的铁在高压下会经历电子的自旋转变[1]。随即发现,铁在下地幔矿物中的自旋转变会带来一系列物理性质的改变,如密度、弹性模量、波速、热传导系数以及电导率等[2]。在过去的十几年中,研究铁在下地幔矿物中的自旋态,以及自旋转变对下地     

金刚石中钙钛矿结构的CaSiO_3指示洋壳再循环至下地幔

正关于地幔深部矿物组成的认识通常基于实验模拟结果和地震学数据。虽然有些在下地幔深度形成的矿物已经在"超深"(super-deep)金刚石中发现,但是具有钙钛矿结构的钙硅酸盐同质多相矿物(perovskite-structured CaSiO_3,即CaPv)在自然界中一直没有被发现,前人认为该超高压矿物在     

贵州碳酸盐岩风化壳中晶体石英形成条件分析:氧同位素证据

贵州碳酸盐岩风化壳中的晶体石英具有较强的测年潜力,其成因判别是年代学研究的前提和基础。对黔北、黔东地区3个碳酸盐岩风化壳剖面中的晶体石英和圆状石英进行了研究,拟通过晶体石英的δ18O值探讨其形成条件。结果表明,晶体石英的δ18O值在17.3‰～22.7‰范围内,平均为19.8‰,与火成岩、变质岩及热水(液)沉积中高温成因石英δ18O值明显不同;与砂岩中的碎屑石英、现代海滨砂中的石英以及风成沉积物中的石英等混合来源石英的δ18O值也有差异;尽管黔东大兴剖面中晶体石英和圆状石英的δ18O值相近,但它们的硅氧同位素相关关系不同,它们具有不同的成因;晶体石英的δ18O值分布在低温成因石英δ18O值范围内,这与其中未见两相包裹体的现象一致。结合实际资料和已有认识,推断晶体石英是包气带地表温度(15～25℃)条件下缓慢生长形成的;其形成过程与碳酸盐岩风化成土的两阶段模式密切相关:酸不溶物风化形成的含硅流体向下淋滤至风化壳底部后被圈闭在已形成的孔隙、空洞中,由于蒸发作用达到过饱和而缓慢结晶形成晶体石英。     

江苏六合地区上地幔流体P-T条件的限定：流体包裹体证据

赋存于碱性玄武岩中被岩浆带到地表的地幔橄榄岩捕掳体中发育有大量的包裹体,这些包裹体为地幔流体研究提供了直接信息。本文对江苏六合地区地幔捕掳体中的CO2包裹体开展了详细的岩相学、显微测温学及激光拉曼光谱学工作,并对获得的数据进行计算分析。结果显示地幔橄榄岩矿物中发育有两类流体包裹体：早期原生CO2包裹体,晚期次生CO2包裹体。本次研究通过对这两类包裹体的分析,初步探讨了CO：包裹体的成因,并对六合地区及中国东部上地幔岩石圈演化提供了进一步的P—T限制：早期包裹体捕获于≥0．83GPa（对应28km深处）压力,晚期包裹体形成于6～18km深处的再平衡过程。     

不同pH值条件下石英溶解的分子机理

对于石英-水反应体系,石英表面的Si-O-Si键的水解断裂是溶解反应过程的关键步骤。采用高级分子轨道从头计算法,研究了不同pH值下石英表面Q1（Si）位置的溶解反应动力学过程。对反应过程的势能面、过渡态、反应路径进行了量子化学计算（包括使用从头计算的分子动力学方法）,结果表明：（1）酸性条件下,H^＋连接的是石英表面末端Si-0H上的非桥氧,而非Si-O-Si键上的桥氧,这一链接反而增强了Si—O—Si键;（2）在中性和酸性条件下,石英溶解反应的速度控制步是Q1（Si）—Obr的断裂过程,而碱性条件下反应速率却由水分子靠近Q1（Si）的过程控制,它比Q1（Si）-Obr的断裂过程更慢;（3）活化能计算数据表明,碱性条件下石英溶解速率会随着pH值的增大而迅速增大;相对照的是,在酸性条件下,溶解速率与中性条件时相比变化不大,甚至还略有降低。本文纠正了一些关于石英溶解机理的长期的错误认识,比如前人错误地认为在酸性条件下首先形成Si-O（H^＋）-Si形式的复合物,然后Si-O-Si发生断裂。本研究结果表明,实际上是形成Si—O—Si-OH2^＋…H2O形式的过渡态复合物。然后Si-O-Si发生断裂。前人模型的结果与实验结果分歧,是一个长期遗留的困惑,而本文发现的断键机理模型及其计算结果,可以很好地与不同pH值下石英溶解的实验数据吻合。     

陆壳超深俯冲到斯石英稳定域地幔深度(~300 km)的新证据

南阿尔金高压-超高压变质岩带泥质片麻岩中发现先存斯石英出溶蓝晶石+尖晶石的显微结构证据,将陆壳深俯冲的深度推进到了斯石英稳定域的地幔深度（≥ 300 km）.然而,该类岩石是局部出现的还是具有一定的普遍性以及又是如何折返出露地表的?十多年来一直困惑着地球科学界.针对这一科学问题,通过系统的岩石学研究,在南阿尔金榴辉岩中首次发现了斯石英副象,重新厘定南阿尔金英格利萨依石榴辉石岩中石榴子石出溶单斜辉石和北秦岭松树沟长英质片麻岩中石榴石出溶石英棒状体岩石的峰期变质压力为9~10 GPa的斯石英稳定域,结合先期南阿尔金泥质片麻岩中发现先存斯石英出溶显微结构的研究成果,论证提出陆壳俯冲到斯石英稳定域的地幔深度（~300 km）,然后再折返回地表的地质现象可能更为普遍,其岩石类型也可能具有多样性.通过高温高压实验研究,明确SiO₂饱和岩石体系中石榴子石超硅的最小稳定条件为≥ 9~10 GPa斯石英稳定域,为识别辨认陆壳岩石俯冲到斯石英稳定域地幔深度的研究提供了新的借鉴和思路.      

华北克拉通岩石圈地幔置换作用和壳幔生长耦合的Re-Os同位素证据

测定了辽宁复县奥陶纪金伯利岩和河北汉诺坝与山东栖霞第三纪碱性玄武岩中产出的地幔包体的Re Os同位素组成。金伯利岩中地幔包体的Re贫化Os同位素模式年龄 (TRD)为 2 .5～ 2 .8Ga ,从Re Os同位素定年角度证明了华北克拉通确实存在太古宙岩石圈地幔。对汉诺坝二辉橄榄岩包体获得了 (1.9± 0 .18)Ga的Re Os同位素等时线年龄 ,表明现今保存在那里的地幔主要是古元古代时形成的。汉诺坝地区出露有大量新太古代岩石 ,表明曾存在太古宙地幔。由于缺乏太古宙年龄 ,说明由汉诺坝所代表的克拉通中部曾存在的太古宙地幔在古元古代时已被减薄 ,并被 1.9Ga的新生岩石圈地幔置换。该事件与华北克拉通中部广泛的古元古代碰撞造山过程导致的麻粒岩相变质作用的时代相同 ,说明有关的岩石圈置换作用可能主要与拆沉作用有关。栖霞地幔包体具有与现代对流地幔相同的Os同位素组成 ,且Os同位素组成与Re/Os比值没有明显相关性 ,表明年龄很新。结合其它地质地球化学证据 ,说明克拉通东部的太古宙岩石圈地幔的置换作用主要发生在中生代 ,且可能与三叠纪华北和扬子陆块的陆陆碰撞造山导致的岩石圈地幔和下地壳的拆沉作用有关。本研究表明华北克拉通岩石圈地幔置换作用在时空上的分布是十分不均一的。 2 .5～ 2 .8Ga与 1.9Ga不仅?