俯冲带流体作用的地球化学示踪

俯冲带流体包括俯冲带岩石脱水形成的水流体和熔融作用产生的熔体。俯冲带流体循环及伴随的化学作用是壳幔演化和物质交换的重要机制。岛弧火山岩地球化学研究可以示踪流体的性质、成分。造山带变质岩内高压脉是俯冲带流体活动的直接记录。通过高压脉及其主岩地球化学研究 ,可以示踪流体成分和来源。俯冲带水流体成分与流体释放深度有关 ,俯冲带深处 ( >5 0km)形成的水流体内溶质相当可观。水流体流动方式有大规模沟道式和小规模弥散式 ,与其相应的流体来源分别为外来的和内部的。俯冲带流体组分、流动方式、物质交换机制与俯冲带深度、热状态、物质结构的定量关系 ,以及矿物 /水流体间元素分配系数的高压实验可能将是俯冲带流体今后研究的重要课题。中国西天山高压变质带榴辉岩及蓝片岩中广泛发育高压脉 ,根据脉的矿物组合 ,高压脉可分成 4种类型。高压脉氧同位素研究表明 ,脉体与流体间氧同位素交换宏观与局部平衡 ,流体活动为大规模的 ;流体活动方式既有沟道式 ,又有渗透式 ;流体的δ18O值为 + 10 .8‰左右 ,流体来源于主岩经过海水低温蚀变的大洋玄武岩。西天山广泛发育的高压脉 (尤其是蓝片岩中的高压脉的发现目前在世界范围尚属首例 ) ,是研究古俯冲带流体作用良好的野外天然实验室。     

板块俯冲带水流体活动及其效应的定量化数值模拟

为探讨水流体活动对板块俯冲隧道过程及大陆碰撞造山的制约作用,采用热力学和动力学耦合的数值模拟方法,建立了系统的数值模型.结果显示俯冲隧道内的混杂岩存在两种不同的折返路径:（1）平行于俯冲隧道斜向上折返,形成靠近缝合带的高压-超高压变质岩;（2）近垂直穿过上覆地幔楔侵入地壳深度.这两种差异性的模式主要受控于俯冲带热结构.俯冲带的温度结构控制俯冲隧道内水流体和熔体活动,从而影响上覆地幔楔的弱化程度,最终导致俯冲带内物质的不同运移过程和折返路径.同时,大陆俯冲碰撞带的岩石圈变形和拆沉作用均与俯冲带的流体-熔体活动所导致的岩石圈弱化息息相关.数值模拟结果极大促进了对于板块俯冲带流体-熔体活动及其动力学过程的理解.      

俯冲带碳酸盐化对深部碳循环的启示:以中国西南天山碳酸盐化云母片岩为例

俯冲带可将地球表层碳输送至深部地幔,同时也记录着俯冲板片来源碳质流体的迁移沉淀机制,对地球深部碳循环具有重大影响。近年来,俯冲带脱碳机制的研究表明流体溶解脱碳作用是冷的大洋俯冲板片释放COH流体的重要方式,而上覆板块(尤其地幔楔)则被认为是缓冲这些COH流体的重要场所,甚至是俯冲带CO_2的唯一"归宿"。事实上,俯冲带岩石本身的固碳能力却受到了忽视,而对俯冲带岩石捕获和固存CO_2(carbon capture and storage,CCS)能力的评估对全球碳通量的估算尤为重要。本文以中国西南天山高压-超高压变质带中碳酸盐化云母片岩为例,探讨俯冲带岩石的碳酸盐化对深部碳循环的影响。西南天山长阿吾子一带的碳酸盐化云母片岩记录了俯冲板片起源的碳质流体对俯冲带云母片岩的交代作用,地球化学特征表明蛇纹岩释放的富水流体溶解俯冲洋壳中的碳酸盐可能是产生COH流体的重要机制。基于碳质流体对多硅白云母(Si(a.p.f.u.)=3.58～3.73)的交代及相对高压的碳酸盐矿物(主要为白云石和菱镁矿)与金红石的共生,结合区域上碳酸盐化云母片岩与高压碳酸盐化蛇纹岩(HP-ophidolomite)的伴生,我们认为云母片岩的碳酸盐化作用可能发生在俯冲板片峰期稍后的高压折返阶段。俯冲带云母片岩的固碳作用表明除了上覆板块,俯冲带岩石本身对于碳质流体也具有很好的吸收能力。初步估算表明俯冲带云母片岩的碳酸盐化每年可固存至少2.46～6.68Mt/yr,约占俯冲板片每年进碳量的4%～17%。     

超高压榴辉岩-脉体体系成因和俯冲带变质流体演化

超高压岩石-脉体体系是认识俯冲带流体性质和行为的天然实验室.通过总结大别超高压变质带3个榴辉岩（角闪岩）-脉体体系的研究成果,探讨了大陆俯冲带变质流体的溶解-结晶过程和氧逸度变化规律以及流体对轻元素硼的迁移过程.对榴辉岩-复合高压脉体的研究发现超高压流体通过溶解矿物富集溶质组分,流体随后经历3期结晶过程,分别形成绿辉石-绿帘石脉、绿帘石-石英脉和蓝晶石-绿帘石-石英脉.绿帘石La、Cr和δEu值是判断结晶次序的关键指标.对榴辉岩-角闪岩-低压脉体研究表明大陆俯冲带低压变质流体的氧逸度明显高于高压-超高压变质流体.高氧逸度条件也导致一些反常矿物（如退变金红石）的生长.对含电气石榴辉岩-脉体研究揭示变质碳酸盐岩是大陆俯冲板片中重硼同位素的重要储库,其在汇聚板块边界的脱硼作用显著影响深部硼循环.上述研究成果为理解俯冲带变质流体演化和物质循环提供重要科学依据.      

流体一超镁铁质岩相互作用与硬玉岩的形成

俯冲带中流体与岩石相互作用以及流体循环一直是地质学家关注的焦点之一.硬玉岩(翡翠)作为高档宝玉石材料,其成因一直备受关注.硬玉岩产于与俯冲带有关的蛇纹石化超镁铁质岩中,是俯冲带中流体与超镁铁岩相互作用的特殊产物.岩石组合、岩相学、显微结构及矿物化学特征表明:橄榄岩与流体的作用可以分为5个阶段,分别为蛇纹石化→(绿泥石、...     

泥质岩变质脱水作用的高温高压实验研究

研究表明,大洋沉积物或陆壳岩石可以发生俯冲作用进入俯冲带深部[1-3].该过程中岩石的含水矿物发生了变质脱水作用和相转变,所产生的流体是俯冲带流体的重要来源[4]并对俯冲带岩浆产物的地球化学特征有标志性的影响.为了深入揭示陆壳物质在俯冲带温度-压力条件下的变质脱水作用和该过程中发生的微量元素变化,我们开展了泥质岩变质脱水作用的高温高压实验研究.     

绿帘石记录俯冲带变质流体活动

俯冲带是连接地球表生圈层和深部圈层的关键纽带,深刻影响着地球内部的运行方式和人类宜居环境。俯冲板片脱水释放的高压-超高压变质流体控制着俯冲带诸多重要地质过程,如地幔楔交代和部分熔融、岛弧岩浆活动、中/深源地震以及地球内部的元素迁移和分异等等。深入了解这些流体的源区、运移、成分和物理化学条件是理解这些流体性质和行为的前提和关键。绿帘石是俯冲带变质岩中一个常见的含水造岩矿物,具有较宽广的稳定温压范围(绿片岩相-榴辉岩相)、较高的微量元素含量和缓慢的体扩散行为(如Sr、Pb、Th、U、Cr、V和LREE),能够指示俯冲带(多期)变质流体活动和地球化学效应。本文总结了近年来俯冲带变质绿帘石研究的主要进展及其在揭示俯冲带流体活动方面的重要应用,包括探究俯冲带流体的起源、成分特征、运移方式、氧逸度条件、交代效应和多期次结晶行为。这些研究表明绿帘石是一个极好的变质流体活动记录器,能够为理解俯冲带流体活动和深部元素迁移提供关键信息。     

大陆俯冲带壳幔相互作用

由板块俯冲引发的深部物质循环过程是地球内部的一级运行机制,主宰了地球从内到外的演化进程,是地球科学研究的重要前沿.俯冲带化学地球动力学研究不仅需要确定俯冲带地壳物质再循环的机制和形式,而且需要确定俯冲带动力来源和热体制及其随时间的变化.为了识别不同类型壳源熔/流体对地幔楔的交代作用、寻求板片-地幔界面反应的岩石学和地球化学证据、理解汇聚板块边缘地壳俯冲和拆沉对地幔不均一性的贡献,我们必须将俯冲带变质作用、交代作用和岩浆作用作为一个地球科学系统来考虑.板块俯冲带变质过程中发生一系列物理化学变化,这些变化不但是导致板块进一步俯冲的主要驱动力,同时也控制着释放的熔/流体组成和俯冲到地球深部的物质组成,对俯冲带化学地球动力学过程产生重要影响.地幔楔作为俯冲系统中连接俯冲盘和仰冲盘的关键构造单元,在地球层圈之间物质循环和能量交换等方面起着重要作用.造山带地幔楔橄榄岩直接记录了俯冲带多种性质的熔/流体交代作用,以及复杂的壳幔物质循环过程.俯冲带岩浆岩是大洋/大陆板块俯冲物质再循环的表现形式,这些岩石样品记录了俯冲带从深部地幔到浅部地壳的过程,也为认识地球深部物质循环提供了理想的天然样品.尽管国际上在俯冲带岩石学和地球化学领域针对地球深部过程的研究方面取得了多项重要进展,但由于研究工作缺乏密切的协同配合,包括俯冲带熔/流体的物理化学性质、俯冲带壳幔相互作用的机制和过程、俯冲带幔源岩浆活动的物质来源和启动机制以及深部地幔过程对地表环境的影响等许多关键科学问题尚未得到根本解决.将来的研究需要聚焦俯冲带物质循环这一核心科学问题,进一步查明俯冲带变质作用、交代作用、岩浆作用等过程的各自特征和相互联系,包括挥发性组分在地球深部的迁移过程及其资源和环境效应,着力考察研究相对薄弱的古俯冲带,阐明板块俯冲与地球深部物质循环之间的耦合机制.      

俯冲带蛇纹岩变质脱水过程中的Mg、Fe同位素分馏行为:进展与展望

蛇纹岩在俯冲带地球化学循环中发挥着重要作用.蛇纹岩是俯冲带中极富Mg和Fe的矿物,其变质脱水释放的流体含有显著量的Mg和Fe,对俯冲带中Mg、Fe元素的循环及其同位素的分馏行为起着重要作用.蛇纹岩脱水过程中的Mg、Fe同位素分馏特征与不同温度、压力条件下蛇纹岩体系的矿物组合、释放流体的氧化还原状态、流体中Mg、Fe的价态和种型等密切相关.本文在总结俯冲带蛇纹岩的产出特征、稳定性和主要脱水反应的基础上,系统评述了俯冲带蛇纹岩在变质脱水过程中Mg、Fe同位素分馏行为的研究现状和存在的关键科学问题,并对未来的研究方向进行了展望.     

俯冲带流体不混溶及其演化

流体在俯冲加工厂中扮演着重要的角色。岩石学研究通常针对矿物中的“固定流体”,而对俯冲带内自由活动的流体,特别是自由流体不混溶分离演化过程及其影响的研究较为缺乏。流体的不混溶及其演化在自然界普遍存在,这一点在自然样品研究、高温压实验和流体状态方程理论计算的结果中得到验证。俯冲带中实际的流体体系是多元的、开放的和复杂的系统。随着流体的运移和演化过程,流体及流体-岩石体系将更加多样化。因此流体不混溶及其演化具有普遍性、复杂性和多样性的特点。地球物理的证据表明俯冲带内的流体集中在俯冲板片靠近海沟处、俯冲板片与上覆地幔楔界面附近和上覆地幔楔内部。这些单相或多相的流体可以通过多种路径、机制和传输方式进行运移。在大范围尺度上,流体可以沿着俯冲板片与上覆地幔楔之间的密封界面自下而上倾斜流动。在一些密封破裂的排泄口处(如岩体形变或断裂/断层处)流体向上流入地幔楔。不排除由岩石裹挟或在俯冲板片弯折处向下运移的流体。在局部尺度上,流体运移受到不同岩性以及具有各向异性渗透率的构造界面的控制。通过结合俯冲带中流体运移可能的路径、流体高温压范围的P-T-X相图和俯冲带热结构模型,我们构建并探讨了简单二元体系流体在...     

大陆碰撞过程中的流体活动:来自大别山低温超高压花岗片麻岩的地球化学制约

俯冲带流体活动对认识超高压变质作用、同俯冲、同折返岩浆作用有着十分重要的意义.由于大陆地壳的流体含量远低于大洋地壳,与大陆地壳深俯冲和折返过程有关的流体活动受到原岩性质和变质速率的双重制约.     

俯冲带的流体地质作用

俯冲带是地球上流体活动最活跃的地区之一，也是流体由表层进入深部岩石圈的主要通道。流体活动对岩石成分、成岩作用、构造变形、变质作用、部分熔融和岩浆－火山作用，以及海洋生物－化学环境都有重要的控制和影响。本文回顾和总结了俯冲带流体地质作用研究的现状和进展，对古俯冲带流体地质作用的若干问题进行了探讨。     

我国青年学者李元首次发现俯冲带中的C-H-O不混溶相

正了解由俯冲及火山活动引起的地球上长时间尺度的碳循环是理解地球结构、动力学和气候变化的关键。然而,俯冲带碳迁移的机制在很大程度上仍是未知。由板块熔融产生的流体可能溶解大量的碳,但是通常认为在俯冲带流体中C-H-O完全混溶相。为了限定在俯冲带中天然C-H-O流体混溶相关系,中科院广州地球化学所青年千人学者李元设计     

造山带橄榄岩记录的大陆俯冲带多期壳幔相互作用

俯冲带是地壳与地幔之间物质交换的主要场所.前人对大洋俯冲带壳幔相互作用进行了大量研究,但是对俯冲带壳幔相互作用的物理化学过程和机理仍缺乏明确认识.在大陆俯冲带出露有造山带橄榄岩,它们来自俯冲板片之上的地幔楔,是解决这个问题的理想样品.通过对大别-苏鲁和柴北缘造山带橄榄岩进行系统的岩石学和地球化学研究,发现地幔楔橄榄岩由于俯冲地壳的交代作用而含有新生锆石和残留锆石,它们能为地壳交代作用时间、交代介质来源、性质和组成提供制约.地幔楔橄榄岩在大陆碰撞过程的不同阶段受到了俯冲大陆地壳衍生的多期不同性质流体的交代作用.地幔楔橄榄岩还受到了陆壳俯冲之前古俯冲洋壳衍生流体的交代作用.深俯冲陆壳衍生熔体与橄榄岩反应形成的石榴辉石岩具有高的水含量,能提供高水含量的地幔源区.      

俯冲带沉积物变质脱水作用热力学计算研究

本文采用热力学计算方法,对庐山变泥质岩在高温高压条件下的变质脱水过程进行了研究.结果表明,俯冲带沉积物在冷、热俯冲带的变质脱水过程明显不同.在冷俯冲带,沉积物变质脱水作用开始于95 km深处,并一直持续到120 km深处,此时仍有3%的流体保存在沉积物中.在热俯冲带,沉积物的脱水过程集中在两个阶段,50～60 km和75～80 km.经历了这两个脱水阶段后,沉积物仍然携带着部分流体(0.9%),进入到俯冲带深部(大于120 km).     

成矿流体系统的形成与演化

成矿流体可以划分为地表流体与内部流体,后者又可进一步细分为原生流体和再生流体两类.原生流体、再生流体与地表流体三者起因不一,成矿作用各异,输运方式、活动范围、化学性质也有差异.重大地质事件(板块俯冲或地幔柱上涌等)引发的盆-山转换、地壳变形、岩浆侵入等系列事件,促使了原生流体与再生流体的产生,为大规模成矿流体系统提供了能量支持与活动空间.在大型成矿流体系统中,原生流体、再生流体与地表流体相互间不同程度地混合,共同参与成矿作用,形成了超大型矿床或成矿区带.流体系统演化过程中的构造-流体耦合作用、成矿流体超临界、不混溶、流体混合等独特的物理化学作用是成矿元素聚集与沉淀的重要基础.由于成矿流体系统的形成与演化是一个物理-化学作用耦合的复杂过程,所以其研究亦是复杂性科学与地球科学多学科交叉、定性概括和定量模拟及物理模拟多手段并用的综合探索.     

自然界岩石样品中的超临界流体记录

超临界流体是有别于富水流体和含水熔体的一种低粘度、高迁移性和高元素携带能力的一类流体,在变质岩体系中,其形成的温压条件一般高于对应的H_2O-岩体系的第二临界端点。俯冲带岩石是自然界最有可能保存超临界流体活动记录的地方,而超临界流体的活动对于地球内部物质循环、俯冲带岩浆作用和俯冲带成矿等方面可以发挥巨大作用。目前对于天然岩石和矿床样品中超临界流体的识别仍处于经验推测阶段,缺乏定量的岩相学和地球化学指标。本文主要基于目前已有研究结果,介绍自然体系中超临界流体的地质特征,包括俯冲带超高压变质岩、高压-超高压脉体以及地幔楔岩石中的超临界流体记录,主要是一些多相包裹体及元素迁移变化的记录,最后讨论超临界流体的相分离与岛弧岩浆作用之间的关系。     

俯冲带变质过程中的含碳流体

俯冲带含碳岩石通过俯冲过程的变质反应生成了含碳水流体、富硅酸盐的超临界流体和含碳熔体。不同类型流体的形成与岩石成分和岩石经历的温压条件相关。岩石中碳酸盐矿物脱碳反应的温压条件取决于岩石起初的流体成分:有水存在时,反应发生在低温条件下。在高压条件下,碳酸盐矿物在水或含盐水流体的溶解是生成含碳流体重要的机制,其导致的碳迁移作用可能超过脱碳变质反应的作用。高温条件下,含碳岩石的部分熔融可以生成含碳的熔体,这在热俯冲环境和俯冲带岩石底辟到上覆地幔的情况下是碳迁移重要载体。富硅酸盐的超临界流体可能是在第二临界端点上形成的超临界流体,目前在超高压岩石中观察到的非花岗质成分的多相固体包裹体被认为是这种流体结晶的产物,然而对其理解尚存在很多问题,需要进一步的实验研究。地表含碳岩石在俯冲带被带到深部,俯冲带地温特征的不同导致了不同类型含碳流体的形成,这些流体运移至上覆地幔引起岩石部分熔融产生含碳的岛弧岩浆,岩浆喷出到地表释放了其中的碳,这构成了俯冲带-岛弧系统的碳循环。     

大别造山带超高压硬玉石英岩中变质流体活动记录:来自锆石的地球化学证据

<正>板块俯冲和折返过程中的流体活动是板块构造研究的一个重要组成部分,它不仅可以引起矿物反应,诱导岩石体系发生熔融,催化变质反应进行,还会使俯冲板块内部发生显著的流体迁移,引起元素活动和同位素变化(Zheng et al.,2012;van der Straaten et al.,2012;Zheng and Hermann,2014)。因此深入了解俯冲带深部的流体活动及其地球化学效应,不仅对于理解俯冲带内部的构造演化和深俯冲地壳岩片     

大陆俯冲带大规模的变质流体活动:来自大别造山带超高压硬玉石英岩的记录

硬玉石英岩是一种稀少且与流体作用相关的变质岩,同时出露于高压或超高压洋壳和陆壳俯冲带中.通过对中国东部大别造山带中出露达50 km2的含柯石英的超高压硬玉石英岩进行研究,综合全岩主微量元素、矿物Mg-O同位素和锆石学研究.结果表明,硬玉石英岩的原岩为古元古代TTG岩石,经历过弱化学风化和强物理风化作用,然后在三叠纪时期受到围岩富黑云母片麻岩分解脱水而产生的大量重Mg同位素流体交代,从而形成硬玉石英岩.考虑到这种受流体交代成因的硬玉石英岩在大别山广泛出露,表明其在三叠纪大陆深俯冲过程中存在着大规模的变质流体活动,这项研究首次报道了大陆俯冲带有大规模的流体活动存在,同时也挑战了传统观点认为的大陆俯冲带缺乏岛弧岩浆作用主要原因是缺乏足够量的流体活动.