橄榄石中H的结合机制及扩散行为

名义上无水矿物(nominally anhydrous minerals,NAMs)中以点缺陷形式存在的结构水,因其对于矿物物理化学性质的显著影响而受到越来越广泛的关注。橄榄石是上地幔中含量最丰富的矿物,水在橄榄石中的存在形式、扩散机制和速率对上地幔的流变学和电导性质有着重要的影响。因此,对于橄榄石中H的结合机制及其扩散机制和速率的了解有助于理解地球深部的水循环,也有助于构建上地幔流变结构以及解释电导测量结果。本文总结了近几十年来学界对于H在橄榄石中存在的缺陷类型与OH红外光谱吸收峰之间的对应关系,以及H在矿物晶格中的扩散机制、扩散速率等重要问题的研究成果,并探讨了现有研究中依然存在的问题。     

水对上地幔电性结构的影响

上地幔可以存储大量的水,水能够极大地增强地幔矿物的电导率。在实验室高温高压条件下获得了含水和不含水矿物电导率不同的结论,有必要广泛开展含水矿物电导率实验研究。基于最新实验结果,充分考虑上地幔热力学条件,矿物体积随深度变化和矿物间水分配情况,对2个研究小组上地幔4种主要矿物实验室电导率结果采用平均方法建立随水含量变化的上地幔电导率-深度曲线,并与实测地球物理模型进行了对比。研究表明,水能够极大地影响上地幔的电性结构,推测上地幔平均水质量分数为0.01%,位于地球化学方法推断的上地幔水质量分数范围(50×10-6~200×10-6)。海洋上地幔软流圈高电导率异常很可能是碳酸盐熔体、硅酸盐熔体及水共同作用的结果。     

地幔流体作用——地幔捕虏体中流体包裹体的研究

被碱性玄武岩和金伯利岩带到地表的地幔捕虏体是认识地球深部信息的窗口 ,是人们能够直接观察到的一种上地幔样品 ,其矿物中流体包裹体的存在提供了上地幔流体活动的直接证据。流体 /地幔矿物之间元素的分配对约束地幔交代过程中流体相的作用和上地幔流体的组成 ,揭示俯冲带壳幔物质的再循环过程 ,解释岛弧玄武岩高场强元素亏损的原因有重要意义。文章对近年来有关地幔捕虏体中流体包裹体的研究进行了评述 ,并结合近年来流体 /地幔矿物之间元素分配的高温高压实验研究讨论了流体在地幔中的重要作用。     

西藏蛇绿岩中不寻常的地幔矿物群

在西藏雅鲁藏布江蛇绿岩的铬铁矿中，首次发现由100余种（亚种）矿物组成的地幔矿物群，其中包括：自然元素，合金，氧化物，硫（砷）化物和硅酸盐。根据实验资料，其中一部分是超高压成因矿物。可能来自地球核-幔边界，是地球外核与下地幔底部硅酸盐之间化学反应的产物，另一部分矿物可能来自下地幔，过渡带和上地幔。西藏地幔矿物群，无论在矿物学和地球动力学上均有重要意义。     

核幔边界条件下MgSiO_3熔体的密度

正地球深部物质的密度差异影响着地球结构的分层特征以及物质的迁移方式,是理解深部地球动力学行为的关键因素。对于地幔来说,硅酸盐熔体和矿物之间的密度差异决定了熔体的居留位置。但是下地幔压力条件下熔体密度的测定一直是个技术难题。     

地幔中水的存在形式和含水量

水以含水变质矿物、无水硅酸盐矿物(橄榄石、辉石等)及其高压结构相(β橄榄石、γ橄榄石、钙钛矿相、方镁铁矿等)、高密度含水镁硅酸盐和熔体的形式存在于地幔各层圈中。根据各类玄武岩水含量推断出的上地幔源区的水含量,和由地幔岩主要矿物———橄榄石的水含量估算出的上地幔水含量(质量分数)很接近,在0.02%左右。以橄榄石和辉石高压相的水含量为依据,进行了过渡带和下地幔水含量的估算,其结果是:过渡带和下地幔上部的水含量(质量分数)为1.48%,下地幔下部水含量(质量分数)为0.21%。据此,计算出的地幔各层圈的总水量表明,地幔水的74%以上存在于过渡带和下地幔上部。将地幔总水量和现代海洋总水量之和作为地球总水量,计算出现代海洋总水量约占全球总水量(质量分数)的6.6%,这个结果与笔者根据地球的球粒陨石成分模型计算出的总水量(6%)十分接近。     

CCSD超高压榴辉岩中的水:红外光谱分析

超高压变质岩中名义上无水矿物(NAMs) 在板块俯冲过程中可以携带一部分地表水进入上地幔, 这些水储存于地球深部并对地幔动力学有着重要的影响.对中国大陆科学钻探主孔榴辉岩中的绿辉石和石榴石进行了详细的显微傅立叶变换红外光谱(Micro-FTIR) 分析, 结果显示所有绿辉石和石榴石颗粒都含有结构水, 其水含量范围分别在68~29μg/g和20~75μg/g.榴辉岩全岩的水含量为150~300μg/g.绿辉石和石榴石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) 不均匀分布, 表现为水含量从核部到幔部到边部随之增加或水含量核部、边部低而幔部高.电子探针结果表明水含量分布不均与矿物化学成分无直接关系.位错分布不均匀可能导致了颗粒内部结构水分布的不均匀.      

国内外深部地质研究现状一瞥

目前,人类对地球的研究,已进入到地球的深部,研究领域已是整个大陆地壳和上地幔了.研究地球深部地质,最初是用地震来研究地球结构.根据速度资料,对地球内部进行垂向分层.其后,进一步研究了地壳和上     

中国矿物岩石地球化学学会第七次全国会员代表大会暨第12届学术年会将于2009年4月20～26日在贵阳召开

中国矿物岩石地球化学学会第七次全国会员代表大会暨第12届学术年会将于2009年4月20～26日在贵阳召开（详情见：http://www.csmpg.org.cn/cn/index.asp）。会议将设13个分会场。 1）第九届全国同位素地质年代学和同位素地球化学会议分会场。主要讨论国内近4年来同位素地质年代学和同位素地球化学技术、方法和应用方面的最新成果。 2）矿物微区元素和同位素分析及其地球化学应用分会场。主要讨论矿物微区分析技术进步及其引发的岩石学和地球化学研究方面的新进展。 3）地质流体与成岩成矿作用分会场。主要内容包括热液系统和成矿过程中的流体作用,岩浆过程中的流体作用,变质过程中的流体作用,沉积、油气成藏过程中的流体作用,构造运动与流体作用,流体包裹体分析实验新技术、新方法。 4）矿床地球化学分会场。主要内容包括中国主要成矿区带成矿地球动力学和成矿规律,岩石圈伸展与大规模成矿作用,壳幔相互作用及其成矿效应,碰撞造山与成矿,成矿作用地球化学示踪及成矿年代学,成矿过程模拟和实验,重要矿产成矿预测地质地球化学理论和方法,危机矿山及深部找矿,矿产资源综合利用。 5）矿物学发展与新技术应用-新矿物及矿物命名分会场。主要内容包括工艺矿物与岩石,矿物材料（含宝石矿物材料）及其优化处理工艺,矿物物理与结构矿物学的应用与发展,稀有金属和贵金属的赋存状态,环境矿物学与生物矿物学,成因矿物学与找矿矿物学,新矿物研究成果交流,中国新矿物工作存在的问题及补救办法。 6）环境矿物学分会场。主要内容包括地球各层圈相互作用中的矿物反映与变化,矿物记录环境变化、影响环境质量及生态平衡,矿物与微生物交互作用、矿物与人体健康,矿物环境属性的开发与利用,治理环境污染的矿物学新技术、新方法、新设备,固体废弃物资源化新技术与新方法。 7）沉积学分会场。主要内容包括中国沉积学基础研究与发展,中国南方海相碳酸盐岩沉积作用与油气资源,中国西部（特别是青藏高原）含油气盆地分析、战略选区与评价。 8）环境地球化学分会场。主要内容包括地方病与元素的区域地球化学过程,重金属污染的生物地球化学过程及环境效应,有机污染物的生物地球化学过程及环境效应,矿山环境污染与修复,全球变化的地球化学记录,营养元素的生物地球化学循环过程。 9）实验矿物岩石地球化学分会场。主要内容包括高温高压下岩石的相变和流变,矿物-流（熔）体反应和水岩相互作用的化学动力学,岩石部分熔融的实验研究,高温高压下岩石的物性测试,地球化学数值模拟,地球化学分析测试技术研究。 10）地球深部气体地球化学与资源、灾害分会场。主要内容包括深部气体成因类型及其地球化学行为,成矿作用的气体地球化学耦合机制,深层天然气和非生物成因天然气形成机制及其地球化学特征,深部岩浆、构造活动及地震与火山作用的气体地球化学行为。 11）壳幔相互作用与岩浆成矿过程分会场。主要内容包括区域壳幔相互作用事件幕（岩浆活动事件幕）与成矿作用事件幕的时空耦合关系及其产物的时空分布规律;幔源岩浆的底侵作用与深部地壳的部分熔融和多层位岩浆-热流体系统的形成、演化及其对成矿组分富集成矿过程的制约;幔源岩浆的分异演化与壳幔同熔和（多层位）岩浆-热流体系统的形成、演化及其对成矿组分富集成矿过程的制约;区域壳幔相互作用与成矿过程。 12〖DK〗）〖DK〗（微）生物地球化学过程与物质循环分会场。主要内容包括喀斯特生态系统生态过程中的地球化学问题,营养元素的耦合生物地球化学循环过程〖DK〗,〖DK〗（微）生物-岩石-土壤界面相互作用的地球化学,养分和水分生物地球化学循环同位素示踪和创新应用,流域-湖泊（和水库）生物地球化学过程与流域水环境,陆地生态系统演化和功能对大气沉降的响应。 13）大陆岩石圈岩浆作用、火山活动与地幔深部过程分会场。主要内容包括岩石圈转型与克拉通破坏,地幔柱活动与大火成岩省,中新生代岩浆活动与地球动力学背景,新生代火山活动及火山灾害,增生型造山带与壳幔相互作用,幔源捕虏体与地幔交代作用。     

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。