蛇纹石化过程中铁活动性的高温高压实验研究

蛇纹石化过程中铁的活动性影响铁氧化物的形成和体系的氧逸度。然而,关于橄榄岩蛇纹石化过程中各矿物(橄榄石、斜方辉石和单斜辉石)蚀变过程中铁的活动性仍没有详细的研究。本文报道了80~200℃、饱和蒸气压下,不同的初始流体、水岩比条件下,橄榄岩蛇纹石化过程中铁的活动性。结果表明,蛇纹石化流体的铁含量较低(0.0~0.7mmol/kg),没有形成铁氧化物或铁氢氧化物,铁主要富集在蛇纹石和未反应的初始矿物中(例如,橄榄石和辉石)。由橄榄石蚀变形成的蛇纹石和由斜方辉石蚀变生成的蛇纹石化学组成相差较大,前者富铁而贫铝,后者贫铁而富铝。但当初始流体为碱性的0.5mol/L Na Cl(aq)时,两种不同来源的蛇纹石组成相差不大。尤为重要的是,单斜辉石蚀变生成的蛇纹石铁含量较高,8.1%~10.2%Fe O,远高于单斜辉石的铁含量(2.6%Fe O)。以上表明,低温蛇纹石化过程中,铁不能够大规模、长距离的运移,但在微米尺度上是活动的。     

蛇纹石化方辉橄榄岩弹性波速实验研究及其在地幔楔中的应用

地幔楔是俯冲带系统的重要组成单元, 在地球内部物质循环、壳幔相互作用过程中起着承上启下的关键作用。俯冲板片脱水可以引起上覆地幔楔中橄榄岩类的蛇纹石化, 而蛇纹石的波速显著低于地幔橄榄岩, 所以不同蛇纹石化程度的地幔楔表现出不同的低速特征。本研究首先利用天然叶蛇纹石热压合成纯的蛇纹岩样品, 利用橄榄石和斜方辉石热压合成方辉橄榄岩样品, 然后在高压下分别测量合成的方辉橄榄岩和蛇纹岩样品的纵波速度(V_P)和横波速度(V_S), 结合Voigt-Reuss-Hill岩石物理模型计算得到不同蛇纹石含量的方辉橄榄岩的波速, 最后结合地震波资料, 估算出不同俯冲带地幔楔的蛇纹石化程度。研究表明, 在地幔楔蛇纹石化程度和含水量的估算中, 必须考虑斜方辉石蛇纹石化的影响。相比前人研究, 方辉橄榄岩的蛇纹石化可能更接近于实际情况。

     

大洋橄榄岩的蛇纹岩石化研究进展评述

橄榄岩的蛇纹石化是大洋中不可忽略的重要地质过程,近年来引起广泛关注。大洋橄榄岩的蛇纹石化主要发生在洋中脊和汇聚板块边缘等环境中,大洋蛇纹岩典型的矿物组合包括:蛇纹石±磁铁矿±滑石±水镁石±角闪石。其中蛇纹石根据其矿物的晶体结构特征可分为利蛇纹石、纤蛇纹石和叶蛇纹石3种类型;偏光显微镜下可将蛇纹石结构划分为3类:假晶结构、非假晶结构和过渡结构。橄榄岩的蛇纹石化不仅会改变岩石的物理性质,如导致岩石密度的减小和地震波速的降低、影响橄榄岩的磁性等,而且也会对橄榄岩的流变性产生重要影响。大洋超基性岩系热液系统的发现,进一步激发了研究者们对大洋橄榄岩蛇纹石化研究的兴趣。与橄榄岩蛇纹石化相关的喷口流体含有较高的H2和CH4含量,此外,蛇纹石化是一个放热反应,可以驱动热液循环,导致Lost City等中低温型热液系统的出现。     

大洋橄榄岩的蛇纹石化过程:从海底水化到俯冲脱水SCIEI北大核心CSCD

蛇纹石化是海底最重要的水岩相互作用之一,指基性岩和超基性岩中的橄榄石和辉石等镁铁质矿物在相对低温条件下发生水热蚀变产生蛇纹石等矿物的热液变质作用。蛇纹石族矿物主要有三种,分别是利蛇纹石、纤蛇纹石和叶蛇纹石。低温状态蛇纹石族矿物主要以利蛇纹石和纤蛇纹石的形式存在,高温状态下主要以叶蛇纹石的形式存在。影响大洋蛇纹石化过程的因素不容忽视,温度、氧化还原程度、pH值、水岩比(W/R)等都在其中扮演着重要的角色。总的来说,地幔物质易出露在地壳减薄区域和断裂构造处,这有利于与流体充分接触反应,从而决定了大洋蛇纹石化作用发生的可能位置。对蛇纹石化程度的描述,当前人们大多通过岩石微观结构、地球化学指标来定性指示,磁学指标有望实现对蛇纹石化程度的定量解释。蛇纹石化作用对海底磁异常、地球生命演化进程、成矿作用等都有一定的贡献。此外,俯冲带脱水及弧岩浆的形成都与之有联系。总之,基性与超基性岩石蛇纹石化与俯冲带蛇纹岩脱水过程是地球水循环过程的重要机制,但未来揭示蛇纹岩的磁学性质和俯冲变质过程,仍需进一步探索。     

缅甸含硬玉的蛇纹石化橄榄岩及其围岩的岩石学研究

以缅甸帕敢地区含硬玉岩的蛇纹石化橄榄岩及其围岩－未细分的变质岩为研究对象，较详细地研究了各类岩石的岩相学，岩石化学及主要矿物的组成，认为该区超基性岩为含铬铁矿的蛇纹石化纯橄岩，它的围岩由含多硅白母蓝闪石片岩，石榴斜长角闪岩，大理岩及透辉石大理岩，石英岩等构成。通过其中典型的变质反应分析与计算，认为围岩的变质程度分别为蓝闪石片岩相和的高角闪岩相，其中蓝闪石片岩相的压力大于0．8－1．0GPa，斜长角闪岩相的温度为582度，通过对比分析世界上不同产地硬玉岩的特征，认为硬玉岩，尤其是优质者，产出环境如下：（1）容矿岩体属超基性岩，以含铬铁矿的纯橄岩为最佳；（2）围岩中存在低温高压变质岩，即蓝闪石片岩－榴辉岩类；（3）位于与俯冲带有关大地构造单元内。     

基性和超基性岩蛇纹石化的机理及成矿潜力

蛇纹石化是指基性岩（例如玄武岩）和超基性岩（橄榄岩、科马提岩等）在中、低温条件下产生的含蛇纹石的水热蚀变。蛇纹石化可以出现在不同的地质构造环境中,例如大洋底、扩张洋脊和俯冲带。蛇纹石化的特别之处在于：蛇纹石化过程中产生氢气,这可能解释地球早期生命起源的问题;蛇纹石化生成磁铁矿;蛇纹石富水（可达13%）;蛇纹石富Cl、Li、Sr、As等元素。蛇纹石在高温下（>700℃）脱水形成橄榄石,Li、Sr、As等元素富集在流体中,流体交代地幔楔可改变地幔的微量元素组成。此外,铁矿、金矿和银矿等可赋存于蛇纹岩中,矿床的形成可能和基性或超基性岩的蛇纹石化相关。本文从以下4个方面探讨蛇纹石化的机理：（1）蛇纹石化的产物,主要介绍和蛇纹石化相关的热液流体的组成,蛇纹石化过程中产生氢气的量,利蛇纹石、纤蛇纹石和叶蛇纹石的形成条件,水镁石的形成条件,以及磁铁矿的形成;（2）蛇纹石化的反应速率;（3）蛇纹石化过程中元素的迁移;（4）蛇纹石化的成矿潜力。     

一种特殊的玉器材料蛇纹石化纯橄榄岩

对一种特殊的玉器材料采用珠宝玉石常规鉴定、岩石薄片偏光显微镜鉴定、红外光谱分析和X射线粉晶衍射分析的研究,其玉石材料为蛇纹石化纯橄榄岩。提出了使用放大镜检查与红外光谱分析相结合的综合鉴定方法。     

藏北昂吾地区超基性岩的蛇纹石化和磁铁矿化过程及影响因素

班公湖-怒江缝合带广泛分布超基性岩及蛇纹石化超基性岩,已有研究表明它们与区域成矿关系密切,其蛇纹石化过程使一些元素活化并具有一定的成矿潜力。位于班-怒带中段的昂吾地区蛇纹石化超基性岩主要矿物成分有橄榄石、单斜辉石、铬铁矿、利蛇纹石、磁铁矿和绿泥石等,原岩恢复表明该超基性岩为单辉橄榄岩。镜下鉴定、背散射电子图像、能谱成分分析和电子探针分析结果显示单辉橄榄岩的蛇纹石化及蚀变过程可分为三个阶段:(Ⅰ)以形成相对富铁蛇纹石(Mg#=75～88)为主,基本无磁铁矿析出;(Ⅱ)形成相对富镁的蛇纹石(Mg# 90),析出磁铁矿;(Ⅲ)蛇纹石进一步蚀变成绿泥石。热力学模拟及多组分矿物相平衡图表明,在蛇纹石化过程中,昂吾地区超基性岩中的辉石脱硅致使反应体系SiO_2活度升高,限制了磁铁矿的生成。同时也发现,在利蛇纹石稳定存在的温度区间内(100～300℃),本研究的蛇纹石化体系温度倾向高值区,不利于磁铁矿的析出。进而探讨了原岩成分、反应体系SiO_2活度及温度等因素对蛇纹石化过程中磁铁矿析出的影响。本研究有助于理解班-怒带内超基性岩的蛇纹石化过程及磁铁矿化机制。     

冀北赤城蛇纹石化橄榄岩是否为太古宙蛇绿岩残片？

华北克拉通中部带是一条形成于古元古代之前的构造碰撞拼合带。在中部带的北段赤城地区,出露一套特殊的角闪斜长片麻岩、退变榴辉岩以及蛇纹石化橄榄岩组合,其成因众说纷纭。这套岩石组合归属于红旗营子群,是前寒武纪结晶基底,其中蛇纹石化橄榄岩和退变榴辉岩以构造团块的形式包裹在片麻岩之中。赤城蛇纹石化橄榄岩由纯橄岩、方辉橄榄岩和超镁铁质堆晶岩组成。其中纯橄岩和方辉橄榄岩的全岩主量元素都具有高Mg低Si的特征,大部分方辉橄榄岩中的橄榄石具有很高的Fo值（91.0~92.2）,尖晶石具有高的Cr^#值（53.9~85.9）。这些特征表明方辉橄榄岩和纯橄岩都经历了高程度部分熔融,它们很可能代表残余的大洋岩石圈地幔,并且可与典型的蛇绿岩套橄榄岩剖面相对比。超镁铁质堆晶岩表现出饱满的岩石特征,代表残余地幔之上的岩浆早期堆晶。橄榄岩Re亏损模式年龄表示,赤城橄榄岩的部分熔融作用发生在~2.5Ga之前。赤城红旗营子群角闪斜长片麻岩和退变榴辉岩的锆石U-Pb年代学揭示其原岩形成于~2.5Ga,经历了~1.85Ga的峰期变质作用和300Ma的退变质作用叠加。角闪斜长片麻岩和退变榴辉岩的原岩分别为大陆火山岩和大洋拉斑质岩石。因此,红旗营子群的橄榄岩、退变榴辉岩和角闪斜长片麻岩这一套岩石组合属于典型的蛇绿岩剖面,它很可能代表了华北克拉通东部和西部陆块之间曾经存在的大洋岩石圈。赤城蛇纹石化橄榄岩属于新太古-古元古代蛇绿岩残片,它可能记录了古大洋的消亡和中部造山带的形成,指示早期板块构造在新太古代已经启动。

     

The production of iron oxide during peridotite serpentinization: Influence of pyroxene

Serpentinization produces molecular hydrogen(H2)that can support communities of microorganisms in hydrothermal fields;H2 results from the oxidation of ferrous iron in olivine and pyroxene into ferric iron,and consequently iron oxide(magnetite or hematite)forms.However,the mechanisms that control H2 and iron oxide formation are poorly constrained.In this study,we performed serpentinization experiments at 311℃ and 3.0 kbar on olivine(with 5% pyroxene),orthopyroxene,and peridotite.The results show that serpentine and iron oxide formed when olivine and orthopyroxene individually reacted with a saline starting solution.Olivine-derived serpentine had a significantly lower FeO content(6.57±1.30 wt.%)than primary olivine(9.86 wt.%),whereas orthopyroxene-derived serpentine had a comparable FeO content(6.26±0.58 wt.%)to that of primary orthopyroxene(6.24 wt.%).In experiments on peridotite,olivine was replaced by serpentine and iron oxide.However,pyroxene transformed solely to serpentine.After 20 days,olivine-derived serpentine had a FeO content of 8.18±1.56 wt.%,which was significantly higher than that of serpentine produced in olivine-only experiments.By contrast,serpentine after orthopyroxene had a slightly higher FeO content(6.53±1.01 wt.%)than primary orthopyroxene.Clinopyroxene-derived serpentine contained a significantly higher FeO content than its parent mineral.After 120 days,the FeO content of olivine-derived serpentine decreased significantly(5.71±0.35 wt.%),whereas the FeO content of orthopyroxene-derived serpentine increased(6.85±0.63 wt.%)over the same period.This suggests that iron oxide preferentially formed after olivine serpentinization.Pyroxene in peridotite gained some Fe from olivine during the serpentinization process,which may have led to a decrease in iron oxide production.The correlation between FeO content and SiO_2 or AI_2 O_3 content in olivine-and orthopyroxene-derived serpentine indicates that aluminum and silica greatly control the production of iron oxide.Based on our results and data from natural serpentinites reported by other workers,we propose that aluminum may be more influential at the early stages of peridotite serpentinization when the production of iron oxide is very low,whereas silica may have a greater control on iron oxide production during the late stages instead.     

蛇纹石化和俯冲带蛇纹岩变质脱水过程中流体活动性元素的行为

蛇纹石是大洋岩石圈和俯冲带内水和流体活动性元素最重要的载体之一。研究蛇纹石化和蛇纹岩变质脱水过程中流体活动性元素的行为是认识俯冲带元素地球化学循环的关键。蛇纹岩是指主要由蛇纹石类矿物构成的岩石,包括利蛇纹石、纤蛇纹石和叶蛇纹石。蛇纹石化过程中会造成流体活动性元素(B、Li、As、Sb、Pb、Cs、U、Sr和Ba等)的显著富集,并且由于原岩性质、流体成分和氧逸度等条件的不同,大洋岩石圈蛇纹岩和弧前蛇纹岩的特征也略有不同。例如,弧前蛇纹岩具有相对高的As、Sb、B和相对低的U,这反映了俯冲沉积物来源流体的贡献。在俯冲带蛇纹岩的变质脱水过程中,利蛇纹石向叶蛇纹石的转变伴随着矿物内超过50%F和Cl的释放,以及一些流体活动性元素(如B和Li)的迁出;此外,蛇纹石分解形成的变质橄榄石中的流体包裹体指示,蛇纹石脱水分解所产生的流体具有高于原始地幔几个数量级的Cl、Cs、Pb、As、Sb、Ba、Rb、B、Sr、Li和U含量。由于利蛇纹石中的Fe~(3+)含量较叶蛇纹石高,这种矿物相转变过程中也伴随着俯冲通道内的一系列氧化还原过程,从而影响流体性质和新形成的叶蛇纹石的成分。蛇纹岩与岛弧岩浆在流体活动性元素富集规律上的相似性说明蛇纹岩在俯冲带元素循环中扮演着重要的角色。此外,蛇纹石矿物相转变过程中F、Cl、B等元素的释放,可能对于斑岩型金矿、蛇绿岩中的金矿和某些蛇纹岩作为赋矿围岩的硼矿的形成起到重要的作用。     

西藏雅鲁藏布江缝合带东段泽当地幔橄榄岩特征及其意义

泽当岩体位于雅鲁藏布江缝合带东段,主要由地幔橄榄岩、辉长辉绿岩和基性火山岩等组成。地幔橄榄岩主要为方辉橄榄岩和二辉橄榄岩,有少量透镜状纯橄岩。地幔橄榄岩经历了强烈的塑性变形作用。地幔橄榄岩中橄榄石的Fo值为89.6~91.8,属镁橄榄石;斜方辉石为顽火辉石,En 87.8~90.3;单斜辉石En 44.1~50.0,主要为顽透辉石和透辉石。铬尖晶石的Cr#值(=100×Cr/(Cr+Al))为17.0~93.6,其中,二辉橄榄岩和方辉橄榄岩中的铬尖晶石为富铝型尖晶石,纯橄岩中的铬尖晶石Cr#最高,为富铬型尖晶石。地幔橄榄岩的部分熔融程度为17%~34%,表明泽当地幔橄榄岩可能经历了多阶段的过程。亏损的主量元素组成和低于原始地幔的稀土元素含量(0.15×10-6~0.61×10-6)指示泽当地幔橄榄岩为经历过部分熔融和熔体抽取的亏损残余地幔岩石。REE配分型式为中稀土亏损的"V"型或"U"型,原始地幔标准化元素比值(La/Sm)N为0.5~8.0,表明泽当地幔橄榄岩经历过交代作用。矿物化学与地球化学数据表明泽当地幔橄榄岩形成于MOR环境,后受到SSZ环境的改造。     

安徽女山新生代玄武岩中橄榄岩包体矿物的含水性研究

本文对15个来自安徽女山新生代玄武岩的橄榄岩包体矿物（橄榄石、单斜辉石和斜方辉石）进行了详细的微区傅立叶变换红外光谱（Micro-FTIR）分析。结果显示,所有被测的橄榄石颗粒都没有明显的OH吸收峰,这表明橄榄石要么不舍结构水,要么结构水含量〈2ppm（H2Owt．下同）;所有的单斜辉石和斜方辉石颗粒都含有以OH形式存在的结构水。辉石矿物颗粒内部的结构水含量要么是均一的,要么表现出中心高边缘低的不均一分布。这种不均一分布的特征应该来自于包体上升过程中由于压力降低而引起的H扩散。如果用每个样品多个测定颗粒的中心部位的平均值来代表该样品的话,15个样品的单斜辉石水含量为6～356ppm,斜方辉石水含量6～139ppm。单斜辉石与斜方辉石之间水含量的比值为-2．5,和文献中报道的分配系数吻合,表明女山单斜辉石和斜方辉石之间达到了H平衡。女山的橄榄岩分成低温（〈950℃）和高温（〉1050℃）两组,所有的含角闪石的样品都在低温组。高温组的斜方辉石和单斜辉石表现出H2O含量和Al含量的正相关、和Mg含量的负相关,表明Al^3＋H^←→Si^4＋和Al^＋H^＋←→2Mg^2＋是辉石中H的主要结合机制,同时也表明这些样品有效地保存了其在源区的原始结构水含量。而低温组的辉石偏离了相关趋势,结合该组部分样品含有角闪石的特征,我们提出一个流体（本文中采用广义的概念,即包括熔体和流体）上升交代的模式来解释女山橄榄岩的特征：流体从下向上运移,与高温组（下部）橄榄岩先发生反应,由于水含量较低,既没有影响橄榄岩矿物的原始水含量,也没有能形成角闪石,在上升的过程中由于发生名义上无水矿物（橄榄石,辉石等巨晶）的结晶分离,流体中的水含量不断增加,积累到一定程度,即与低温组（上部）橄榄岩反应时。不仅影响了橄榄岩矿物的原始水含量,也在部分样品中形成了角闪石。     

Enrichment of nitrogen and 13C of methane in natural gases from the Khuff Formation,Saudi Arabia,caused by thermochemical sulfate reduction

Permian Khuff reservoirs along the east coast of Saudi Arabia and in the Arabian Gulf produce dry sour gas with highly variable nitrogen concentrations. Rough correlations between N₂/CH₄, CO₂/CH₄ and H₂S/CH₄ suggest that non-hydrocarbon gas abundances are controlled by thermochemical sulfate reduction (TSR). In Khuff gases judged to be unaltered by TSR, methane δ¹³C generally falls between −40‰ and −35‰ VPDB and carbon dioxide δ¹³C between −3‰ and 0‰ VPDB. As H₂S/CH₄ increases, methane δ¹³C increases to as much as −3‰ and carbon dioxide δ¹³C decreases to as little as −28‰. These changes are interpreted to reflect the oxidation of methane to carbon dioxide.Khuff reservoir temperatures, which locally exceed 150 °C, appear high enough to drive the reduction of sulfate by methane. Anhydrite is abundant in the Khuff and fine grained nodules are commonly rimmed with secondary calcite cement. Some cores contain abundant pyrite, sphalerite and galena. Assuming that nitrogen is inert, loss of methane by TSR should increase N₂/CH₄ of the residual gas and leave δ¹⁵N unaltered. δ¹⁵N of Paleozoic gases in Saudi Arabia varies from −7‰ to 1‰ vs. air and supports the TSR hypothesis. N₂/CH₄ in gases from stacked Khuff reservoirs varies by a factor of 19 yet the variation in δ¹⁵N (0.3–0.5‰) is trivial.Because the relative abundance of hydrogen sulfide is not a fully reliable extent of reaction parameter, we have attempted to assess the extent of TSR using plots of methane δ¹³C versus log(N₂/CH₄). Observed variations in these parameters can be fitted using simple Rayleigh models with kinetic carbon isotope fractionation factors between 0.98 and 0.99. We calculate that TSR may have destroyed more than 90% of the original methane charge in the most extreme instance. The possibility that methane may be completely destroyed by TSR has important implications for deep gas exploration and the origin of gases rich in nitrogen as well as hydrogen sulfide.