碳的固定、运输、转移和排放过程：对地球深部碳循环的启示

俯冲带背景下,碳在促进岩石熔融、岩浆起源和演化、地球深部的岩石学及动力学等过程中扮演的角色尤为重要。碳的存在形式是由温度、压力、氧逸度以及溶流体的性质等条件控制的,这些以不同形式存在的碳随板块俯冲到达地球深部,而后又通过火山作用等脱气过程被返回地表,便形成了地球深部碳循环过程。固碳和脱碳反应是影响碳在固体地球、海洋和大气圈转换的主要反应。碳的固定包括硅酸盐风化作用、玄武质洋壳的热液交代、海沟外隆的蛇纹石化、有机碳的埋藏和逆风化作用等过程;碳的运输包括沉积成因和交代成因沉积物的俯冲过程;当俯冲碳被输送到地球内部时,它可能被保留在板块内,或者转移到地幔楔中,又或再被循环到地球深部,这将取决于特定构造环境的温压条件和氧化还原状态等。碳的排放包括火山作用、弧前扩散脱气、溶解脱碳、变质反应脱碳和熔融脱碳等过程,这些过程将俯冲下去的碳再一次返回大气,能够平衡俯冲带的碳输入。本文系统地总结了地表及地球深部碳的固定、运输、转移和排放过程中碳的存在形式、碳的迁移和变化以及相关碳通量计算值,分析了目前碳通量差异的原因并阐述了今后需要深入研究的一些关键科学问题。另外,工业革命后,人为成因的CO_2<...     

显生宙碰撞造山带超高温变质作用的加热机制：来自二维数值模拟的约束

大量的岩石学证据表明: 碰撞造山带中常发育900~1100℃的超高温变质作用。然而, 碰撞造山带中如何出现如此极端的超高温条件仍然存在争议。为了更好地理解超高温变质作用加热机制和碰撞造山带中主要热源的相对贡献, 我们建立了一系列高分辨率二维热-动力学模型, 借此探讨了俯冲大陆岩石圈密度亏损程度、大陆地壳放射性生热率和大陆汇聚速率等因素对碰撞造山过程中超高温变质主要热源的影响。当大陆岩石圈密度亏损(Δρ=ρ软流圈地幔-ρ岩石圈地幔)大于50kg/m3时, 有利于发生大陆平板俯冲, 软流圈地幔无法上涌为地壳物质提供热源; 此时, 具有较高放射性生热率(>3μW/m3)的地壳可以发生"浅俯冲-折返"型超高温变质作用。而当大陆岩石圈密度亏损小于10kg/m3时, 大陆上地壳在深俯冲阶段首先发生超高压榴辉岩相变质作用, 随后伴随着大陆岩石圈地幔后撤和软流圈上涌, 进而出现以异常高的地幔热流加热为主的"深俯冲-折返"型超高温变质作用。此外, 较低的大陆汇聚速率(< 1cm/yr)更有利于"深俯冲-折返"型超高温变质作用的产生。将数值模拟结果与特提斯构造域的变质岩石数据和地球物理观测进行对比, 我们认为在现今板块构造体制下, 由具有密度亏损程度较高的大陆岩石圈平俯冲有利于"浅俯冲-折返"型超高温变质作用的发生, 而由密度亏损程度较低的大陆岩石圈俯冲可能导致"深俯冲-折返"型超高温变质作用的产生。     

山西南部中条山古元古代花岗质片麻岩 白云母40Ar/39Ar测年及其地质意义

中条山前寒武纪岩石是洞悉华北克拉通前寒武纪基底构造演化的重要窗口之一,该区的前寒武纪岩系主要由涑水杂岩、绛县群、中条群、担山石群,以及西阳河群和汝阳群组成.本文以中条山地区涑水杂岩中古元古代花岗质片麻岩为研究对象,挑选其中的变形变质白云母进行激光40Ar/39Ar和常规40Ar/39Ar测年分析.激光40Ar/39Ar法获得的白云母等时年龄1830Ma±20Ma为白云母氩封闭温度年龄的最小估计,常规40Ar/39Ar法给出的白云母坪年龄1852Ma±11Ma为白云母氩封闭温度年龄的最佳估计.白云母1852Ma± 11Ma与先前获得的独居石电子探针U-Th-Pb主峰值年龄相近,并且与华北克拉通中部带的变质年龄一致,表明中条山地区涑水杂岩中古元古代花岗质片麻岩记录了古元古代晚期的一次变质作用事件.这一事件与华北克拉通中部怀安-吕梁-恒山-五台-赞皇等地的变质变形作用同时发生,揭示华北克拉通东、西部陆块沿中部带的碰撞拼合应发生在古元古代晚期,而非新太古代.     

山西南部中条山古元古代花岗质片麻岩白云母40Ar/39Ar测年及其地质意义

中条山前寒武纪岩石是洞悉华北克拉通前寒武纪基底构造演化的重要窗口之一,该区的前寒武纪岩系主要由涑水杂岩、绛县群、中条群、担山石群,以及西阳河群和汝阳群组成。本文以中条山地区涑水杂岩中古元古代花岗质片麻岩为研究对象,挑选其中的变形变质白云母进行激光40Ar/39Ar和常规40Ar/39Ar测年分析。激光40Ar/39Ar法获得的白云母等时年龄1830Ma± 20Ma为白云母氩封闭温度年龄的最小估计,常规40Ar/39Ar法给出的白云母坪年龄1852Ma±11Ma为白云母氩封闭温度年龄的最佳估计。白云母1852Ma±11Ma与先前获得的独居石电子探针U-Th-Pb主峰值年龄相近,并且与华北克拉通中部带的变质年龄一致,表明中条山地区涑水杂岩中古元古代花岗质片麻岩记录了古元古代晚期的一次变质作用事件。这一事件与华北克拉通中部怀安-吕梁-恒山-五台-赞皇等地的变质变形作用同时发生,揭示华北克拉通东、西部陆块沿中部带的碰撞拼合应发生在古元古代晚期,而非新太古代。     

俄罗斯白海活动带Uzkaya Salma地区含绿纤石榴辉岩的岩石学特征及其变质演化

俄罗斯白海活动带Uzkaya Salma地区榴辉岩中发现的绿纤石形成于榴辉岩化早期亚绿片岩相阶段。该绿纤石多以包体形式存在于退变榴辉岩的变斑晶石榴石矿物中,并与榍石、金红石、单斜辉石、绿泥石、绿帘石、石英等矿物伴生,极少量单颗粒绿纤石包裹在基质单斜辉石(透辉石)矿物中,呈浑圆状。绿纤石成分上属于铝绿纤石和铁绿纤石,其中以铝绿纤石为主。在详细的岩相学研究基础上,通过相平衡计算,结合矿物温压计计算结果,发现含绿纤石榴辉岩共经历了4阶段的变质演化:Ⅰ早期进变质阶段,以石榴石中的绿纤石+绿泥石+绿帘石+石英等矿物包裹体为特征,依据实验岩石学研究的矿物组合绿纤石+绿泥石+石英和铁绿纤石+绿帘石稳定域,估算该变质阶段温压条件t=160~320℃,p=0.2~0.8 GPa;Ⅱ峰期榴辉岩相阶段,矿物组合为石榴石+Di-Pl后成合晶推测的绿辉石+金红石±角闪石+石英,石榴石核部镁等值线和绿辉石硬玉分子等值线限定其峰期温压条件为t=725~740℃,p=1.4~1.5 GPa;Ⅲ高压麻粒岩相退变质阶段,矿物组合为石榴石+透辉石+角闪石+斜长石+石英,石榴石-单斜辉石温度计和后成合晶中斜长石钙等值线限定该阶段的温压条件t=725~750℃,p=1.1~1.3 GPa;Ⅳ晚期角闪岩相退变质阶段,矿物组合角闪石+斜长石±黑云母+石英,相平衡计算和角闪石-斜长石温度计限定温压条件为t=670~700℃,p=0.7~0.9 GPa。综上,确定了俄罗斯白海活动带Uzkaya Salma地区含绿纤石榴辉岩具有顺时针的p-T演化轨迹,峰期对应的地温梯度为15℃/km,俯冲进变质阶段经历了绿纤石-绿帘石相变质,由峰期榴辉岩相到退变质高压麻粒岩相具近等温降压的特征。研究表明,板块的"冷"俯冲作用在地球演化早期太古宙时期就可能出现了。     

K和Na在深俯冲板块中的元素化学行为

放射性钾元素(40 K)是地球演化过程中重要的热源之一,钠(Na)则是俯冲带岩石中的重要组成元素之一。俯冲板块是地壳物质运输到深部地幔的载体,而石榴石和单斜辉石是其中常见的矿物,因此K和Na在单斜辉石和石榴石中行为的研究具有重要意义。本文分以下3个方面总结了近50年来自然界以及高温高压实验中K和Na在石榴石和单斜辉石中行为的研究进展:1含Na、K石榴石的发现及其形成机制,以及Na、K进入石榴石对其晶格所产生的影响;2含K单斜辉石的发现及其形成机制,以及K进入单斜辉石对其晶格所产生的影响;3含K基性岩体系的实验岩石学研究现状。K作为大离子亲石元素,在高温高压下能够分别以KX+Si Y=(Ca,Mg)X+Al Y和MgM1+CaM2=Al M1+KM2的机制进入石榴石和单斜辉石晶格中,对其从地表到深部地幔中的循环具有重要贡献;而在持续俯冲板块中,Na元素在单斜辉石消失后以NaX+Si Y=(Ca,Mg)X+Al Y的机制进入石榴石晶格中,继续被运输到更深的地幔中去。前人在模拟地幔温压条件下对含K玄武岩和单斜辉石体系的高温高压实验研究结果表明,单斜辉石中K2O含量及石榴石中的Na2O含量与压力呈正相关。然而,到目前为止,K和Na在俯冲带温压条件下的富K基性岩(如榴辉岩)体系中的行为仍有待进一步深入研究。     

北祁连山硬柱石蓝片岩p-T条件相平衡计算及其岩石学意义

北祁连硬柱石蓝片岩主要分布在甘肃省肃南县九个泉一带,是目前中国唯一报道的、确切地含有硬柱石的蓝片岩。文中在详细的岩石学和矿物学研究基础上,根据矿物共生组合的不同,将北祁连低温蓝片岩进一步划分为绿纤石蓝片岩、硬柱石蓝片岩和绿帘石蓝片岩。绿纤石蓝片岩的特征变质矿物组合为蓝闪石(>40%)+绿纤石(30%)+绿泥石(10%)+钠长石(8%)+石英(5%)+硬柱石(<3%)±方解石/文石(<1%)。硬柱石蓝片岩的矿物组合为蓝闪石(35%~40%)+硬柱石(35%~40%)+绿泥石(10%)+钠长石(10%)+石榴石(1%~2%)+黝帘石/斜黝帘石(<2%)+石英(<1%),副矿物有磷灰石和榍石,总含量小于2%。绿帘石蓝片岩的矿物组合为蓝闪石(30%~35%)+黝帘石/斜黝帘石/绿帘石(~30%)+绿泥石(15%)+钠长石(15%)+石榴石(2%)+石英(<2%),副矿物有金红石、磷灰石和磁铁矿,总含量小于2%。利用矿物内部一致性热力学数据和Domino/Theriak软件计算了这三种类型的蓝片岩形成的峰期温压条件,它们分别是绿纤石蓝片岩为320~350℃,0.75~0.85GPa;硬柱石蓝片岩为335~355℃,0.8~0.95GPa;绿帘石蓝片岩为345~375℃;0.75~0.85GPa。北祁连低温蓝片岩带由硬柱石蓝片岩相到绿帘石蓝片岩相的转化代表了俯冲变质过程中的递进变质过程。     

新疆西天山低温榴辉岩相变质作用

研究表明,新疆西天山榴辉岩相变质岩石具有以下５种类型：（１）块状蓝闪石帘石榴辉岩、蓝闪石钠云母榴辉岩类,（２）片（麻）状白云母榴辉岩类,（３）条带状方解石榴辉岩类,（４）枕状蓝闪石榴辉岩类和（５）石榴石绿辉石石英岩类．其变质过程经历了以下４个阶段演化：（１）峰前硬柱石蓝片岩相阶段（Ｔ＝３５０～４００℃,Ｐ＝０．７～０．９ＧＰａ）;（２）峰期榴辉岩阶段（Ｔ＝（５３０± ２０）℃, Ｐ＝ １．６～１９ ＧＰａ）;（３）退变绿帘蓝片岩相阶段（Ｔ＝ ５００～５３０℃, Ｐ＝ ０．９～１．２ ＧＰａ）和（４）退变蓝闪绿片岩相阶段（Ｔ＝４５０～５５０℃, Ｐ＝０．７～０．８ＧＰａ）．在此基础上,确定了其可能的Ｐ－Ｔ轨迹为顺时针型,具等温降压（ＩＴＤ）的特点,抬升回返过程中经历了两期退变蓝片岩相变质过程．新疆西天山低温榴辉岩相变质岩石代表了塔里木板块和伊犁－中天山板块间俯冲发生低温高压变质作用的结果．     

中国大陆科学钻探主孔榴辉岩中重晶石的发现及其意义

在中国大陆科学钻探主孔榴辉岩中发现了重晶石。重晶石以包裹体形式保存在石榴子石中,多为浑圆状,表面积平均约250μm2。通过电子探针测试,重晶石中SrO含量大多超过20%,为锶重晶石,其化学分子式为(Ba0.4836~0.6180Sr0.3787~0.4722Ca0.0064~0.0889)S0.9688~0.9963O4。同时还发现榴辉岩中的石榴子石有柯石英假象,温压条件计算表明该榴辉岩的峰期温压条件为696~730℃,2.9~3.2GPa。电子探针成分测定包裹这些重晶石的石榴子石为峰期变质矿物,这进一步说明重晶石也经历过超高压变质。重晶石通常形成于强氧化和高盐度流体作用的条件下,本文的研究表明超高压变质过程中至少出现了一定范围内的强氧化环境和高盐度流体作用,但其地球动力学意义有待进一步研究。     

硬柱石榴辉岩岩石学研究进展

硬柱石榴辉岩是洋壳经历冷俯冲形成的典型低温高压变质岩,硬柱石是俯冲带将水带入地幔深处的重要载体,其具有指示俯冲带深部流体作用的重要科学意义。文中总结了近20年来硬柱石及硬柱石榴辉岩岩石学的主要研究进展及问题:①硬柱石榴辉岩的全球分布;②硬柱石榴辉岩的分类及硬柱石的产状;③硬柱石榴辉岩稳定性的实验及相平衡模拟研究;④硬柱石榴辉岩的形成与保存;⑤硬柱石榴辉岩相关的流体行为。以上几点,特别是硬柱石相关的流体行为,一直是俯冲带研究中的热点领域。西南天山榴辉岩和蓝片岩中广泛发育进变质和退变质脉体,对其进行深入研究,将会对洋壳深俯冲过程中的流体行为进行更好的约束。