深部熔融与深部熔体的演化

<正>地幔熔融主要发生在上地幔的浅部,生成以玄武岩为主的幔源岩浆。然而,实验岩石学和金刚石中的矿物包裹体证据都说明,由于再循环地壳物质具有较低的固相线温度,低程度熔融可以在地幔更深处发生(上地幔下部,地幔过渡带或者下地幔),生成少量碳酸盐熔体。然而,目前人们对这种深部熔体上升过程中如何演化还知之甚少。这里我们利用山东的一组新生代霞石岩质火山的时空分布和地球化学特征上的     

下地幔矿物研究及其进展

文中综述了20世纪90年代以来对下地幔矿物高温高压研究的进展,详细评论了下地幔温压下(Mg,Fe)SiO3钙钛矿的稳定性、(Mg, Fe)SiO3 钙钛矿和(Mg, Fe)O镁方铁矿的高压状态方程和热弹性及高压熔化、核幔边界温压下铁和硅酸盐的化学反应等几个热点问题;探讨了下地幔的矿物学组成,对下地幔的地震波速异常给出了可能的矿物学解释;介绍了国内同领域的研究工作;展望了下地幔矿物研究的发展方向。     

地幔中挥发组分的性状和分布

地幔中主要的挥发组分是C-H-O组分的形式,这些组分可能溶解在地幔深部熔融金属核、固体碳化物、氢化物和氧化物中。大量的证据表明在被交代上地幔中有氧化水和CO_2蒸气通道,在某些生长着的金刚石中有它们的包裹体。在上、下地幔之间所发生的变化虽不能确定,但上地幔中固体(含水矿物和碳酸盐)、熔体和蒸气(非常紧密的流体)之     

热柱、超级热柱及其成因的研究进展

从20世纪地幔热柱假说问世,经过30多年的发展,在地幔热柱的全球分布、鉴别特征、形态学和成因理论方面都有了长足的进步。特别是通过下地幔不均匀性的研究,发现了下地幔中存在的超级热柱和下地幔底层中的超低速带,为探讨热柱成因提供了重要依据。     

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。     

下地幔及核幔边界结构及地球动力学

新一代高分辨率下地幔及核幔边界的地震层析成像,改变了我们对全球构造模式及地球动力过程的认识。古海洋岩石圈板片一直俯冲到下地幔底部,其残留体在核幔边界积累,并支持了地幔整体对流模式。位于核幔边界上的D″层有着十分复杂而精细的结构。紧靠核幔边界的地幔一侧发现了超低速层(ULVZ),它们可能是D″层内的局部熔融物,是引起地表热点的上升地幔柱的源头。     

夏威夷玄武岩中同位素亏损的组分来自于地幔柱内部

<正>洋岛玄武岩(OIB)和洋中脊玄武岩(MORB)的组成能够用来了解地球的内部演化。亏损强不相容元素的MORB被认为起源于上地幔。而一些来自地幔柱的OIB被认为起源于下地幔,这为我们了解地球长期的地球化学分异以及下地幔的组成提供了难得的机会。尽管大多数OIB相比MORB具有较为富集的同位素与不相容元素     

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     

钙钛矿型硅酸盐的热膨胀及地幔分层

位于地下670公里深处的地震不连续带是上、下地幔的分界面,其压强为24GPa,温度为2—3千K。在这样的条件下,上地幔的主要矿物——橄榄石〔(Mg、Fe)_2SiO_4〕、辉石〔(Mg、Fe)SiO_3〕和石榴石〔(Mg、Fe、Ca)_3Al_2Si_2O_2〕将转变为斜方畸变的具钙钛矿结构的〔(Mg、Fe)SiO_3〕矿物或以钙钛矿为主的矿物组合。由于钙钛矿型的硅酸盐至少在70GPa压力下还是稳定的,因而它被认为是下地幔(或许是整个地球)中最主要的矿物。尽管钙钛矿型的硅酸盐很重要,但直到1976年才被发现,而且由于合成这种矿物所需的压力和温度条件很难达到,所以对其物理性质还不甚了解。例如,钙钛矿热膨胀系数对下地幔可能存在的成分模式起着重要的制约作用。最近我们合成了足够量的钙钛矿型的(Mg_0.9,Fe_0.1)SiO_2以便用X射线衍射法测定其在温度达840K时的无压热膨胀。在高温下测得的平均热膨胀系数为4×10~(-6)K~(-1)。这么大的热膨胀系数表明:根据土地幔组分(如地幔岩或石榴石橄榄岩,Mg值≈0.89)的标准模式求得的无压密度,要比推断的下地幔在无压条件下的密度低大纣2%。这一结果显示:上地幔与下地幔的化学性质是不同的;这与地幔热对流的分层模式是一致的。     

高温高压下Superhydrous phase B的弹性性质

<正>过渡带的矿物具有非常大的储水能力,俯冲过程可能会输运大量的水到过渡带中(Hirschmann,2006),包括超级含水相B在内的一系列的稠密的含水的硅酸镁相被认为是输运水的主要载体,超级含水相B可以在过渡带以及下地幔顶部稳定存在,它可以存贮高达5.8%的水,因此,大量的水可能会通过超级含水相B传输到过渡带和下地幔顶部中(Rosa,2015)。尽管高压实验与第一性原理计算都对超     

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。     

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。     

深海橄榄岩研究进展

很久以来,深海橄榄岩一直被认为是洋中脊下地幔熔融残留体,但最近深海橄榄岩实际矿物组分研究和全岩化学成分重建的结果表明,深海橄榄岩是洋脊下地幔熔融残留体和过量橄榄石的混合物。深海橄榄岩的成因是洋脊下上隆地幔降压熔融作用和熔体上升通过地幔最上部的热边界层时发生冷却、结晶出橄榄石的联合作用的结果。地幔熔融程度越高,深海橄榄岩越亏损,则含有越多的过量橄榄石。为此,只要把深海橄榄岩中过量的橄榄石剔除后,其实际矿物组分就能有效地反映洋脊下地幔熔融作用和熔融萃取过程。     

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。     

青藏高原新生代火山活动的深部力学背景

为了研究火山形成基本要素——岩浆运移通道的形成, 基于重力异常反演的青藏高原下地壳底部的地幔对流应力场, 结合地壳破裂形成机理和对流应力场与青藏高原新生代火山分布的关系, 以及青藏高原下地幔对流演化的数值模拟结果, 分析了高原火山岩浆运移通道产生的深部力学机制.研究表明, 高原下地幔对流应力场存在两个大的拉张区, 高原中部和北部的火山岩均分布于拉张应力区.南部的林子宗火山区对应了印度板块与欧亚大陆碰撞前或碰撞早期高原下的地幔上升流.对流应力的量级为~100Ma, 这与导致地壳破裂的应力量级相当.所有这些证据表明, 青藏高原下地幔对流应力场可能是导致高原地壳破裂, 并发展为岩浆物质通道的主要力学机制之一.      

华北克拉通下地壳改造:中生代火山岩中辉石岩捕虏体证据

<正>华北克拉通,特别是其东部在中生代发生了大规模的岩石圈破坏,这种破坏在浅层表现为大规模的构造变形、岩浆活动、盆地形成等;深部则表现为巨厚的岩石圈地幔丢失和地幔物理性质和化学组成的改变。近年来的深入研究表明,华北克拉通东部岩石圈破坏过程中,不仅岩石圈地幔发生了重大变化,下地壳也发生了巨大变化。通过对比研究中、新生代火山岩中的下地壳麻粒岩捕虏体和地表广泛分布的麻粒岩地体发现,中、新生时期的华北下地壳与前寒武纪以前的下地壳显著不同,中、新生代下地壳多具有较为年轻     

橄榄石的后尖晶石相变研究进展

橄榄石在高温高压条件下分解为钙钛矿和方镁石(后尖晶石相变),这是地幔中最为重要的相变之一,被认为是660KM地震波速间断面的成因。现今所取得的重要进展表现在3个方面:①MG_2SI O_4的后尖晶石相变的原位X射线高温高压实验研究;②水、AL_2O_3以及压力标尺对后尖晶石相变的影响效应;③下地幔条件下地幔岩组分中的后尖晶石相变。在对研究进展进行概述的基础上,对目前存在的问题进行了分析并提出未来可能的研究方向。     

夏威夷玄武岩中同位素亏损的组分来自于地幔柱内部北大核心CSCD

洋岛文式岩(OIB)和洋中脊玄武岩(MORB)的组成能够用来了解地球的内部演化。亏损强不相容元素的M0RB被认为起源于上地幔。而一些来自地做柱的0IB被认为起源于下地慢,这为我宿了解地球长期的地球化学分异以及下地幔的组成提供了难得的机会。     

江南造山带东段东源含钨岩体的岩石化学、矿物学特征研究

东源岩体主要由花岗闪长岩、二长花岗岩、正长花岗岩构成。长石绢云母化、碳酸盐化作用较强,黑云母发生白云母化和轻微绿泥石化蚀变。锆石LA-ICP-MS U-Pb定年获得岩体的成岩年龄为晚侏罗世-早白垩世((146.7±4.1)Ma);含有大量新元古代的继承锆石,加权平均年龄为(770.2±9.7)Ma。岩体中黑云母为镁质黑云母,显示寄主岩为壳幔混合来源。岩石地球化学特征总体表现为高钾钙碱性系列-橄榄粗玄岩系列,准铝质-过铝质,相对高的Sr、Ba含量,低Y和Yb,弱的Eu异常(δEu=0.74~0.83),富集轻稀土和大离子亲石元素,亏损高场强元素。初始87Sr/86Sr比值为0.7124,εNd(t)值为–5.53。东源岩体的地球化学特征表现出埃达克质岩的亲缘性,类似于加厚下地壳部分熔融产生的熔体。锆石εHf(t)值为–13.0~–7.0,变化较大。结合区域地质和构造演化,认为在晚侏罗世-早白垩世(约146.7 Ma),古太平洋板块向欧亚大陆的俯冲使先前交代的岩石圈地幔发生部分熔融,幔源岩浆底侵到壳幔过渡带附近,导致下地壳部分熔融,可能与少量的幔源岩浆发生岩浆混合作用,形成了东源岩体。