大别山中生代中酸性岩浆岩锆石U-Pb定年、元素和氧同位素地球化学研究

对大别山中生代主簿源、天柱山和团岭中酸性岩浆岩进行了锆石U-Pb定年、全岩主量和微量元素分析以及全岩和单矿物的氧同位素分析。结果表明,这些富钾的中酸性侵入岩表现出明显的轻稀土富集和高场强元素(Nb、P和Ti)负异常,与围岩片麻岩之间具有类似的微量元素分布特征和初始Sr-Nd-Ph同位素组成。锆石U-Pb年龄指示了早白垩世(121～131Ma)的岩浆结晶年龄。通过CL照相和SHRIMP定年在某些锆石颗粒中发现了老的继承核,年龄分别为742～815Ma和222Ma。这些新元古代和三叠纪核年龄分别与大别-苏鲁造山带超高压变火成岩原岩年龄和超高压变质年龄一致。尽管石英和锆石具有较小的δ~(18)O值变化范围(石英:6.30‰～8.66‰,锆石:4.14‰～6.11‰),全岩和其它单矿物氧同位素比值变化较大(全岩:0.07‰～7.13‰,钾长石:0.55‰～7.40‰,斜长石:-4.88‰～6.96‰),大多数锆石具有与正常地幔锆石(5.3±0.3‰)一致的δ~(18)O值。大多数样品的石英-锆石之间保存了氧同位素平衡分馏,而其它矿物(如,钾长石、斜长石、黑云母和角闪石)与锆石之间则大多表现出明显的氧同位素不平衡分馏,指示它们受到了岩浆期后亚固相水-岩相互作用的扰动。元素和同位素特征表明,大别山中生代中性岩起源于加厚基性下地壳的脱水部分熔融,在岩浆侵位过程中伴随有结晶分异作用;而花岗岩则起源于与北大别TTG正片麻岩具有相似化学组成的中性地壳的部分熔融。因此,大别山中生代中酸性岩岩浆源区是三叠纪扬子陆块俯冲产生的加厚地壳,形成机制可能与早白垩世地幔超柱事件热扰动所引起的部分熔融有关。     

西南大别榴辉岩和麻粒岩的氧同位素地球化学

报道了大别造山带西南部湖北红安榴辉岩和罗田麻粒岩的氧同位素组成，并讨论了氧扩散作用对矿物氧同位素平衡的影响，结果得到，红安榴辉岩的全岩δ^18O值为6．4－7．3‰，罗田黄土岭麻粒岩的全岩δ^18O值为6．6－7．8‰，罗田惠兰山麻粒岩的全岩δ^18O值为3．9‰，这些榴辉岩和麻粒岩全岩的氧同位素组成保持了峰期变质条件下的平衡分馏特征，得到的氧同位素温度对于红安榴辉岩425－620度，对于罗田麻粒岩为740－945度。根据快速颗粒边界扩散模型计算的矿物对氧同位素温度不仅与大多数实测氧同位素温度一致，而且与岩石学测温结果相吻合，因此，这些岩石与东大别榴辉岩一样在形成后经历了快速冷却过程，退变质反应过程中没有外来流体加入。     

针铁矿-四方纤铁矿-水体系氧同位素分馏的实验研究

针铁矿是非常重要的三价铁氧化物之一,其氧同位素组成对于古环境再造具有很大的价值。以4种不同的铁化合物作为Fe3+离子的源物质,于30～120℃范围内,采用强迫水解方法,在不同同位素组成的水中分别实验合成针铁矿和四方纤铁矿。结果表明,以Fe(NO3)3·9H2O、NH4Fe(SO4)2·12H2O、Fe(SO4)3·7H2O为Fe3+源物质合成的是纯针铁矿,而以FeCl3·6H2O为Fe3+源物质合成的是四方纤铁矿。氧同位素分析显示,在30～120℃范围内实验测定的针铁矿-水体系和四方纤铁矿-水体系氧同位素分馏几乎不可区分,并且满足下列分馏关系:103lnα针铁矿-水=9.59×103/T-26.39103lnα四方纤铁矿-水=8.85×103/T-24.44实验测定的针铁矿-水体系氧同位素分馏不仅与前人实验结果一致,而且与增量方法理论计算相近。由于实验采用不同反应途径得到了一致的分馏结果,因此所测定的针铁矿-水体系氧同位素分馏代表了热力学平衡。     

大别造山带天柱山中生代中酸性岩成因的REE配分定量模拟

大量的同位素地质年代学和地球化学研究表明,大别山中生代中酸性岩为俯冲扬子陆壳再循环的产物．REE配分的定量模拟计算结果表明,与基性下地壳相似的北大别基性闪长质片麻岩部分熔融并经过结晶分异能够形成与天柱山中性岩类似的稀土元素组成,而与中性地壳相似的北大别中性灰色片麻岩部分熔融能够形成与天柱山花岗岩类似的稀土元素组成．残留相微量元素定量计算结果表明,大别山现今出露的中基性麻粒岩不是部分熔融后形成的残留体．早白垩世地幔超柱事件热扰动所引起的加厚地壳部分熔融后的残留体可能由于比重较大而拆离进入地幔,从而发生去山根作用和造山带的大面积隆起．     

扬子陆核的生长和再造：锆石U-Pb年龄和Hf同位素研究

对宜昌三峡附近崆岭杂岩中混合岩、片麻岩和变沉积岩以及莲沱砂岩进行了锆石U-Pb和Hf-O同位素研究,研究结果深化了我们对扬子陆核生长和再造的认识。在莲沱砂岩中发现了老达3.8Ga的碎屑锆石,说明扬子陆块可能存在这个年龄的地壳物质;其Hf同位素组成指示初生地壳生长出现在4.0Ga。崆岭杂岩中混合岩和片麻岩的U-Pb年龄表明,在3.2～3.3Ga和2.9～3.0Ga有两期重要的岩浆活动,指示扬子陆核可能于中太古代就开始形成。锆石Hf同位素研究则指示,其原岩至少从3.5Ga就开始从亏损地幔分异出来。混合岩和变沉积岩中所记录的1.9～2.0Ga变质事件,是扬子陆核再造并发生克拉通化的主要时期。而广泛分布于扬子陆块周边的新元古代岩浆活动不仅导致了许多太古宙和古元古宙地壳重熔,而且引起了初生地壳的快速再造。     

Pb、Sr和REE在矿物中的扩散补偿关系及其对扩散系数的预测

对现有实验扩散数据的检查发现，不仅Pb、Sr和REE元素在不同矿物中存在着扩散补偿关系，不同元素在同一矿物或同族矿物中也满足扩散补偿关系。阴离子孔隙度作为矿物内部离子堆积密度的一种量度，它与Pb和REE扩散活化能之间存在负的线性相关性，在固定温度下与Sr扩散系数（lnDT)之间呈正的线性相关，因而可以用于预测元素在矿物中的扩散系数。本文分别采用离子孔隙度法和双补偿法预测了Pb、Sr和REE在不同矿物中的扩散系数，这些结果与已有的实验数据在实验误差范围内是一致的，因此可以应用到与扩散有关的地球化学动力学研究中。     

碳酸钙同质多象转变过程中氧同位素分馏的实验研究

本文通过“一步法”和“两步法”的“附晶生长法”分别合成了碳酸钙矿物，对其进行了同质多象转变过程中的氧同位素分馏行为的研究。同时通过真空条件下的同质多象转变实验，对文石和方解石的酸分馏系数的差异进行了实验验证。结果发现：①在50℃和70℃下，如果文石与水之间的氧同位素分馏未达到平衡，由母体文石经过同质多象转变生成的次生方解石完全继承的母体矿物的氧同位素组成。如果文石与水之间的氧同位素分馏达到平衡，由互过同质多象转变生成的次生方解石部分继承母体文石的氧同位素组成，并且次生方解石相对于母体文石富集^18O。②在0℃和25℃下，“一步法”的“附晶生长法”的实验结果表明，由六方方解石经过同质多象转变生成的次生方解石也完全继承母体矿物的氧同位素组成，并且在该温度下，矿物与水之间的氧同位素分馏与温度无关。     

流体-岩石相互作用过程中氧同位素交换地球化学动力学评述

氧同位素研究对于示踪流体—岩石相互作用过程中流体的时间累积流量(或流体／岩石比)、流动方向和组成具有重要意义。基于质量平衡原理可以建立“封闭”体系和开放体系的氧同位素交换模型。“封闭”体系又可分为封闭、批式挥发和瑞利挥发体系。瑞利挥发较批式挥发造成岩石更大的^18O亏损，但在地质过程中两者差异并不显著。开放体系连续模型中氧同位素迁移的机制包括扩散称散和平流。由流体流动速率和扩散称散系数定义的Peclet数决定了上述两种机制在一定尺度上对氧同位素迁移的相对贡献。流体—岩石交换受表面动力学控制，当交换速率快于流体流动时，可认为流体和岩石达到了氧同位素分馆平衡，反之则没有达到平衡。由流体流动速率和流体—岩石反应速率常数定义的Damkoehler数决定了反应接近平衡的程度。如果采用多种矿物相监控，则矿物内部分馆可有效地区分这两种反应模型。对流体—岩石相互作用过程中氧同位素变化的地球化学动力学进行了系统评述，其原理和模型也可扩展到对其他元素的研究。     

岩浆去气作用碳硫同位素效应

 根据开放体系条件下的瑞利分馏原理,并考虑岩浆中可能溶解的合碳和含硫组分,从理论上定量模式了岩浆去气作用对火成岩碳、硫同位素组成的影响。结果表明,岩浆CO₂去气作用能够导致岩石中碳酸盐显着亏损¹³C,其δ¹³C值能够从原始-5‰变化到-20‰(PDB);岩浆CH₄去气作用则导致岩石中碳酸盐相对富集¹³C,其δ¹³C值能够从原始-5‰变化到+4‰。岩浆SO₂去气作用可以导致岩石中硫化物显着亏损³⁴S,其δ³⁴S值能够从0‰变化到-8‰(CDT);岩浆H₂S去气作用则导致岩石中的硫化物相对富集4S,其δ³⁴S值能够从0‰变化到+6‰。因此,除源岩原始同位素不均一性和地壳物质混染能引起火成岩的碳、硫同位素组成发生较大变化外,岩浆去气作用也是重要原因之一。     

变质流体地球化学：从静态定性“流”向动态定量

对变质岩的矿物学演化研究使岩石学家和地球化学家认识到,流体流动在变质作用过程中发挥着重要的作用。根据变质矿物共生组合、化学和同位素数据能够鉴别流体在变质体中所流经的区域,确定流体的数量、相对于温度和压力梯度以及岩石接触带的流体流动方向,并确定流体活动的时代。仅在特殊的矿物组合、流体成分、温度和压力条件下,流体可能沿矿物颗粒缝隙的网状交叉的显微通道流动。变质流体流动对于研究地壳的热和质量传输及变形机制和速率有着重要的作用。在各种地壳环境中都存在大量的含水流体,区域和接触变质岩石具有的时间积分流量远远大于紧邻岩石脱水所提供的数量。支持高水流量的证据包括不同学科种类,例如岩石学、矿物学、结构和显微构造以及稳定同位素。渗透率增大可能是促使流体流量变大的主要机制。通过同位素地球化学家与构造地质学家和岩石学家们之间的密切合作,直接对变质岩渗透率增大机制进行实验测定和理论模拟,并在野外检验渗透率增大模型,将有助于理解变质作用的热和流体循环与变形作用之间的关系。