大别山碧溪岭和黄镇榴辉岩中绿辉石的结构水：对原岩性质和动力学过程的制约

运用傅立叶变换红外光谱(FTIR)技术,对大别山碧溪岭和黄镇榴辉岩中的绿辉石进行了详细的结构水观察。绿辉石中普遍含有结构水,以OH~-的形式存在,含量可达～2000ppm(H_2O wt.)。碧溪岭绿辉石的水含量在露头尺度(-150km)上是不均一的,而黄镇绿辉石是均一的(至少在3km的尺度上)。碧溪岭绿辉石水含量的不均一分布和黄镇绿辉石水含量的均一分布都反映的是原岩特征,碧溪岭榴辉岩原岩经历的水-岩相互作用是“隧道式”的而黄镇是“弥散式”的碧溪岭榴辉岩的原岩可能是基性的侵入岩而黄镇榴辉岩的原岩可能是玄武岩。碧溪岭绿辉石的水含量(<1400ppm)明显低于黄镇绿辉石(～1850ppm),这是原岩水含量差异的体现,原岩性质的不同和经历的水-岩相互作用方式的不同造成了原岩水含量的差异。     

大别山双河超高压榴辉岩中的水: 微区红外光谱分析

大陆深俯冲板块到一定深度后(约90~110km), 几乎没有含水矿物存在, 超高压岩石中名义上无水矿物(NAMs) 成为俯冲板块中水的主要载体, 是示踪超高压变质流体的重要途径.对大别山双河地区超高压榴辉岩中的石榴石和绿辉石进行了详细的微区傅立叶变换红外光谱(MicroFTIR) 分析.FTIR结果显示所有石榴石和绿辉石颗粒都含有结构水, 以OH的形式存在, 其含量范围分别为(30~1860)×10-6和(360~620)×10-6.榴辉岩全岩水含量为(300~750)×10-6, 表明即使是在超高压变质作用的温压条件下, 榴辉岩也可以至少携带数百10-6的水进入深部地球.对石榴石颗粒内部的多点观察发现, 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) 核部水含量高而边部低.石榴石颗粒边部的低水含量可能是抬升过程中由于压力降低引起的H扩散所致, 扩散出来的H可能构成了早期退变质流体的重要来源.对于同一样品来说, 结构水含量在绿辉石和石榴石之间的比值为0.5~3.5.      

名义上无水的地幔矿物中结构水的研究进展

介绍了研究名义上无水地幔矿物中的结构水的科学意义,综述了近年来该领域的一些主要研究进展。包括7个方面:①结构水赋存状态的确定;②结构水含量的测定;③氢的结合方式;④氢在结构中的位置;⑤氢的稳定性;⑥氢的溶解度;⑦氢同位素组成。指出了存在的问题以及今后的研究方向,呼吁我国学者积极加入到这一前沿领域中来。     

大别山超高压榴辉岩中结构水的赋存状态及其地质意义

对大别山石马和英山超高压榴辉岩中的“名义上无水矿物”(NAM s)石榴石和绿辉石的Fourier变换红外光谱(FT IR)观察表明,它们都含有以OH-或者H2O形式存在的氢,而且发现NAM s从不同地区到同一样品不同颗粒、再到同一颗粒的不同部位的水含量并不均匀。研究结果表明:石马和英山地区绿辉石中结构水的含量范围分别为90×10-6~1 670×1-0 6,110×10-6~710×10-6;石榴石中结构水的含量分别为510×10-6~830×1-0 6,0~180×1-0 6。同时结合地球物理化学等因素对NAM s中结构水在促进榴辉岩变形方面的效应及其与流体包裹体之间的关系进行了初步探讨。     

名义上无水矿物中"水"的原位变温红外光谱研究

名义上无水矿物(nominally anhydrous minerals, 简称NAMs, 如橄榄石、辉石、石榴石、长石等)中以缺陷形式存在的结构水的重要性已经被地球科学界广泛认同,并得到了越来越多的关注。由于对OH振动的高度敏感性,红外光谱方法被广泛用来测量NAMs中"水"的赋存状态、含量以及在晶体结构中的位置。随着傅立叶变换红外光谱仪的不断发展及分析技术的提高,以及红外附件的更新换代,出现了一些新的分析方法。原位变温红外光谱实验就是利用变温红外附件测量样品在不同温度下的红外光谱,通过研究不同温度下红外光谱图的峰形、峰位、峰数等参数的变化,了解温度改变过程中样品所发生的物理、化学变化,且具有实时监测的优点,因此广泛用于含水矿物和玻璃中OH和H₂O的研究。主要包括含水矿物和玻璃的脱水机理及脱水动力学研究,OH和H₂O的红外吸收系数的温度依赖性及不同温度下红外吸收系数的校正等方面。虽然原位变温红外光谱广泛应用于含水矿物和玻璃中水的研究,但是应用于名义上无水矿物还是刚刚起步。NAMs中的H是活动的,高温下H的赋存状态及其在晶体中的位置可能会不同于室温,而地质过程往往都在高温下进行,研究高温下NAMs中的水具有重要的地质学意义。因此,有必要利用原位变温红外光谱实时监测不同温度下NAMs中水的变化。有关NAMs中水的原位变温红外光谱实验早期工作只是观察不同温度下谱图参数的变化并给予一定的解释,以及用此法来确定NAMs中水的赋存状态。受含水矿物和玻璃的研究结果的启发,原位变温红外光谱实验目前也开始用来研究NAMs中水的脱水机理和扩散动力学。此外,利用原位变温红外光谱技术,通过研究不同温度下OH的积分吸收面积可探索NAMs中OH红外吸收系数温度依赖性;通过研究OH峰位随温度移动的幅度与某些化学成分的关系,可给出NAMs中OH的结合机理方面的有用信息。虽然近些年来已经开展了一些工作,取得了一些新的成果,但是总的说来还处在起步阶段,今后针对NAMs的研究重点应该集中在以下三个方面:(1)吸收系数温度依赖性的定量化,(2)脱水机理和动力学的扩展,(3) OH结合机理研究的深入。     

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。     

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.      

大别造山带大陆深俯冲和折返过程中壳-幔相互作用信息--来自大理岩铅同位素的证据

对大别造山带不同产状大理岩的铅同位素研究表明,红安群王家店和双河大理岩分别经历过高压和超高压变质作用,具有较高的铅同位素变化范围和高的放射性成因铅,反映了上地壳铅同位素的特征;新店大理岩的铅同位素比值和变化范围很小,具有EM1型地幔铅同位素特征,表明有地幔铅同位素特征的记录;而位于剪切带的方高坪大理岩的铅同位素除了n(206Pb)/n(204Pb)值更高外,与新店大理岩的铅同位素特征相似,记录了放射性铅同位素的大量加入或丢失,导致本来具有与双河大理岩类似的铅同位素特征变得不明显.这些结果均表明大陆深俯冲及其折返过程对大理岩铅同位素组成的改造是相当复杂的.     

大陆俯冲带流体活动:超高压变质岩矿物水含量和稳定同位素制约

对超高压变质岩中含水矿物和名义上无水矿物的地球化学研究,极大地深化了我们对大陆碰撞带地壳俯冲和折返过程中流体体制的认识。就流体体制和化学地球动力学来说,有关研究在大别-苏鲁造山带进行的最为详细,因此已经成为研究大陆俯冲带变质的典型地区。本文以大别-苏鲁造山带为对象,从矿物水含量的角度,结合稳定同位素论述了大陆俯冲带流体活动。超高压变质岩中名义上无水矿物含有大量的水,以结构羟基和分子水形式存在。名义上无水矿物中结构羟基和分子水出溶与含水矿物分解共同构成了折返过程中退变质流体的主要来源。名义上无水矿物所释放的水以富集轻的氢氧同位素为特征,而含水矿物分解则提供了富集D的流体来源。折返过程中,名义上无水矿物降压脱水存在亏损D的分子水的优先丢失和不同形式水之间的相互转化。不同岩性的水含量差异导致了它们在折返过程中不同的流体活动行为。大陆板块俯冲和折返过程中,在不同矿物、不同岩性以及板片不同部位之间存在水的再分配;板片的一部分作为富水流体的源,而另一部分可能作为汇。     

Water in garnet of garnetite (metarodingite) and eclogite from the Erzgebirge and the Lepontine Alps

Little is known about water in nominally anhydrous minerals of orogenic garnet peridotite and enclosed metabasic rocks. This study is focused on peridotite-hosted eclogite and garnetite (metarodingite) from the Erzgebirge (EG), Germany, and the Lepontine Alps (LA), Switzerland. Newly discovered, peridotite-hosted eclogite in the Erzgebirge occurs in the same ultra-high pressure (UHP) unit as gneiss-hosted coesite eclogite, from which it is petrologically indistinguishable. Garnet is present in all mafic and ultramafic high pressure (HP) rocks providing for an ideal proxy to compare the H₂O content of the different rock types. Garnet composition is very similar in EG and LA samples and depends on the rock type. Garnet from garnetite, compared to eclogite, contains more CaO (garnetite: 10.5–16.5 wt%; eclogite: 5–11 wt%) and is also characterized by an anomalous REE distribution. In contrast, the infrared (IR) spectra of garnet from both rock types reveal the same OH absorption bands that are also identical to those of previously studied peridotitic garnet from the same locations. Two groups of IR bands, SW I (3,650 ± 10 cm⁻¹) and SW II (3,570–3,630 cm⁻¹) are ascribed to structural hydroxyl (colloquially ‘water’). A third, broad band is present in about half of the analysed garnet domains and related to molecular water (MW) in submicroscopic fluid inclusions. The primary content of structural H₂O, preserved in garnet domains without fluid inclusions (and MW bands), varies systematically—depending on both the location and the rock type. Garnet from EG rocks contains more water compared to LA samples, and garnet from garnetite (EG: 121–241 wt.ppm H₂O; LA: 23–46 wt.ppm) hosts more water than eclogitic garnet (EG: 84 wt.ppm; LA: 4–11 wt.ppm). Higher contents of structural water (SW) are observed in domains with molecular water, in which the SW II band (being not restricted to HP conditions) is simultaneously enhanced. This implies that fluid influx during decompression not only led to fluid inclusions but also favoured the uptake of secondary SW. The results signify that garnet from all EG and LA samples was originally H₂O-undersaturated. Combining the data from eclogite, garnetite and previously studied peridotite, H₂O and CaO are positively correlated, pointing to the same degree of H₂O-undersaturation at peak metamorphism in all rock types. This ubiquitous water-deficiency cannot be reconciled with the derivation of any of these rocks from the lowermost part of the mantle wedge that was in contact with the subducting plate. This agrees with the previously inferred abyssal origin for part of the rocks from the LA (Cima di Gagnone). A similar origin has to be invoked for the Erzgebirge UHP unit. We suggest that all mafic and ultramafic rocks of this unit not only shared the same metamorphic evolution but also a common protolith origin, most probably on the ocean floor. This inference is supported by the presence of peridotite-hosted garnetite, representing metamorphosed rodingite.     

"罗田穹隆"中的下地壳俯冲成因榴辉岩及其地质意义

在“罗田穹隆”中发现了下地壳俯冲成因榴辉岩．榴辉岩呈透镜状或板状产于含石榴子石条带状片麻岩中．新鲜的榴辉岩主要由石榴子石、绿辉石、金红石等组成．含少量退变质的角闪石、斜长石、紫苏辉石、透辉石、(钛)磁铁矿和石英等．研究区榴辉岩以保留早期麻粒岩相变质矿物残留体以及经受晚期麻粒岩相和角闪岩相退变为特征．指示它们由扬子镁铁质下地壳麻粒岩相岩石俯冲到深部发生变质并形成榴辉岩．然后折返至下地壳发生麻粒岩相退变，由于麻粒岩相退变质阶段仅以后成合晶形式出现．因而它们可能在下地壳停留时间不长．就又进一步被构造抬升至中上地壳而发生角闪岩相退变．大别山造山带乃至扬子板块北缘现今缺乏厚层镁铁质下地壳．它们也很少出露地表．推测这些俯冲的镁铁质下地壳可能已拆离再循环进人地幔．从而为“罗田穹隆”的形成和演化以及大别山高压-超高压岩石的形成与折返机制等研究提供了关键性的岩石学证据。     

Role of Water in Deformed Omphacite in UHP Eclogite from the Dabie Mountains, Eastern China

Omphacite grains from UHP eclogite of the Dabie Mountains in eastern China are elongated and show strong lattice preferred orientations (LPOs). Observations by the transmission electron microscopy (TEM) identified not only structures of plastic deformation occurring as free dislocation, dislocation loops and dislocation walls, but also bubbles of water present in the deformed omphacite. The bubbles attach to the dislocation loops which are often connected to one another via a common bubble. Using infrared spectroscopy (IR), two types of hydrous components are identified as hydroxyl and free-water in the omphacite. An analysis of deformation mechanism of microstructure in omphacite suggests that the mineral deformed plastically under UHP metamorphic conditions by dislocation creep through hydrolitic weakening.     

大别山榴辉岩中石榴石的结构水:红外光谱分析

对大别山(包括南大别和北大别)几个典型产地榴辉岩中的石榴石进行了傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析,结果显示所有石榴石颗粒都含有一定量的结构水,以OH-的形式存在,结构水含量w(H2O)最高可达1859×10-6。水含量在同一榴辉岩样品不同石榴石颗粒间表现出较大的差异,反映了原岩中水含量的不均一分布。与以前报道的南大别碧溪岭榴辉岩中石榴石情况相似,水含量的不均一性表明:①榴辉岩原岩经历的水-岩交换作用的方式是“隧道式”而非“弥散式”;②超高压变质过程中流体的活动性十分有限;③整个超高压板块俯冲-折返的过程十分快速。南大别石榴石水含量总体上高于北大别,这种差异可能与北大别所经历的高温麻粒岩相变质作用有关。     

大别高压和超高压榴辉岩中绿辉石的透射电镜研究

近年来有关大别山超高压变质岩的研究取得了重要进展。但对榴辉岩的显微和超微构造的研究仍然不足。榴辉岩主要由石榴石和绿辉石组成,其中石榴石基本上相当于刚性体,除非在很高温条件下石榴石才发生韧性变形［１～４］。因此,笔者对高压和超高压榴辉岩中的绿辉石进行了...     

Silica precipitates in omphacite from eclogite at Alpe Arami, Switzerland: evidence of deep subduction

Observations of oriented SiO₂ precipitates in omphacite from eclogite with tholeiitic basalt protolith bordering the Alpe Arami garnet peridotite massif, Ticino, Switzerland, and petrological studies of the eclogitic mineral assemblages, suggest that this rock was subjected to higher‐pressure metamorphism than previously realized. We employed various calibrations of the Fe²⁺ ? Mg exchange thermometer and calculations of equilibria with thermodynamic data, considering the calcium–Tschermak's component (CaAl₂SiO₆), of garnet‐pyroxene pairs. From these calculations, it is concluded that the eclogitic lenses have recorded at least four stages of mineral growth corresponding to the following: Stage I (prograde) c. 2.4 GPa; 700 °C; Stage IIa (maximum recorded grade) c. 7.0 GPa; 1100 °C; Stage IIb (retrograde) c. 3.7 GPa; 900 °C; Stage III (retrograde) c. 2.1 GPa; 750 °C. Because of the preservation of Stage I, a relatively rapid subduction and exhumation of Alpe Arami eclogite is suggested. The exhumation path of the eclogitic rock is in good agreement with most exhumation paths inferred for the Alpe Arami garnet lherzolite proposed previously by several authors based upon a variety of different observations, although the eclogite and peridotite exhumation paths may diverge at depths greater than 120 km.     

南大别山碧溪岭榴辉岩加里东期 Ar-Ar年代学信息

笔者曾尝试把热液矿床流体包裹体 Ar- Ar定年技术应用于碧溪岭超高压变质榴辉岩石榴子石流体包裹体定年研究 , 并获得了石榴子石流体包裹体 Ar- Ar等时线年龄～ 450Ma.为了探索这个年龄信息的地质意义 , 继续开展了更广泛的研究工作 , 结果表明,加里东期年龄信息也记录于碧溪岭其他榴辉岩露头的石榴子石流体包裹体中 , 它们的 Ar- Ar年龄谱和等时线非常相似 ; 而碧溪岭榴辉岩体中的花岗片麻岩之角闪石和黑云母的 Ar- Ar年龄谱平坦 , 其等时线年龄分别为 (275± 18) Ma和 (273± 4) Ma, 明显早于当前主流学术观点的超高压峰期变质年龄 240～ 220 Ma.这些 Ar- Ar年龄将有助于进一步认识大别-苏鲁地区超高压变质作用历史.