（地球化学专业论文）高温高压条件下泥质岩变质脱水作用的实验研究.pdf

离温高压条件下拢厦岩交质麓承作掰的实验研究 摘要 俯冲带沉积物及其变质脱水过程中所产生的流体 在壳 幔物质循环 俯冲 带流体形成和岛孤岩浆起源等地质过程中都扮演着重要角色 泥质岩是地球上广 泛分布的一种表壳沉积岩石 与上地壳平均化学组成接近 是俯冲带沉积物的典 型代表 为确定德冲沉积物 岩 在俯冲带的变质脱水过程 对泥质岩 鼯m a s h 体系 进行了热力学计算和榴辉岩相温压条件下恒温恒压实验 对所获取的实验 产物进行了x 射线粉晶衍射 电予探针和微量元素分析 利用高压差热 h p 一 磷险 实验方法就位j l 蕊测了泥质岩在高压下的脱水温度 研究结果表明 受冷 热俯冲带不同温度梯度控制 沉积物 岩 在进入到 俯冲带深部后变质脱水作用开始和结束的深度范围明显不同 在冷 热俯冲带其 变质脱水作用的深度范围分别是9 5 1 5 5k m 帮4 8 8 4k m 这一结采表明 沉 积物可能携带一定量的流体进入到岛弧岩浆源区 随俯冲作用进行 温度 压力 不断升高 泥质岩经历了一个区域进变质作用过程 随不同含水矿物的消失该过 程可以被分为三个阶段 绿泥石变质脱水阶段 焦闪石 鑫云母变旗脱水 阶段 黑云母变质脱水阶段 在各阶段中 随含水矿物的变质脱水作用不断 进行 流体被逐渐从体系中释放出来 最后以黑云母的消失为标志 指示了泥质 岩体系变质脱水作用的结束 在俯冲带深部温度压力条件下 泥质岩所释放出的流体是一种以h 2 0 和c 0 2 为主要组成的超临界流体 通过对比恒温恒压实验初始物和产物的微量元素组 成 可以推断该流体的微量元素组成以富集c u p b n d b a 等流体活动性元素 为主要特征 俯冲带沉积物 岩 在进入到俯冲带深部前 受海水浸染而富集 c l 这导致其在俯冲带深部变质脱水过程中 所释放出的流体中富集c u p b r b s r c s l a b a c e p r n d s m e u 等微量元素 菰未受到海水浸染 或浸染程度较弱俯冲带沉积物 在俯冲带变质脱水过程中所释放出的变质流体 中 上述微量元素的富集程度则相对较弱 本文的研究结果搦示了沉积物 岩 在俯冲带的变质脱水过程 以及这一过 程中 从沉积物所释放出的流体量 并对沉积物变质脱水后的矿物和微量元素组 孛麓瓣学院豫 究生蒺博圭学位论文 成 以及这些组成特征与湿度 蓬力的关系进行了较为深入的探讨 从沉积物的 焦度 势俯冲带流体形威和岩浆起源提供了依据 对深入认识地壳物质的深俯冲 作用 探讨俯冲带流体地球化学组成特征提供了实验证据 关键词 泥质岩 沉积物 德冲带 俯冲带流体 高温高压 热力学计算 变质 脱水作用 微量元素 嵩溢蔫匿条锌下泥质岩交震脱水作用静实验研究 a b s t r a c t 骶锵f l u i d sg e n e r a t e dv i am e t a m o r p h i cd e h y d r a t i o no fs e d i m e n t si ns u b d u c t e d s l a bp l a yi m p o r t a n tr o l e s i n m a n yg e o l o g i c a lp r o c e s s e s s u c h 罄t h em a t e r i a l c i r c u l a t i o nb e t w e e nt h ec r u s ta n dm a n t l e t h eg e n e r a t i o no fs l a b d e r i v e df l u i d sa n dt h e g e n e r a t i o no fa r cm a g m a s p e l i t ei sat y p i c a lr e p r e s e n t a t i o no fs e d i m e n t si ns u b d u c t e d s l a b w h i c hw i d e l yd i s t r i b u t e si nt h ec r u s ta n dh a ss i m i l a rc h e m i c a dc o m p o s i t i o nt ot h e u p p e rc r u s t 硼把t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o na n dh i g h p r e s s u r ee x p e r i m e n t a lu n d e r c o n s t a n tp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ew e r ec o n d u c t e do nn a t u r a lp e l i t e si no r d e rt o i n v e s t i g a t e t h e m e t a m o r p h i cd e h y d r a t i o no fs u b d u e t e d s e d i m e n t su n d e rp t c o n d i t i o n si ns u b d u c t i o nz o n e s t h er u np r o d u c t so fh i g hp r e s s u r ee x p e r i m e n t sw e r e a n a l y s e db yx r d m i c r o p r o b ea n di c p m s t l 蝣d e h y d r a t i o nt e m p e r a t u r e so fp e l i t e d e h y d r a t i o nw e r ei ns i r em e a s u r e dt h r o u g hh i g h p r e s s u r ed i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i s h p d t a t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o na n dh p d t ar e s u l t ss u g g e s tt h a td u et od i f f e r e n t t h e r m a ls t r u c t u r e s d e h y d r a t i o n so fs u b d u c t e ds e d i m e r i t si nc o l da n dh o ts u b d u c t i o n z o n e sw i l lt a k ep l a c ei nd i f f e r e n td e p t h s r a n g i n gf r o m9 5t o15 5k ma n df r o m4 8t o 8 4k mr e s p e c t i v e l y c o n s e q u e n t l y t h e r ei sap o s s i b i l i 移f o rt h ef l u i d si ns e d i m e n t s c a r r i e db ys u b d u c t e ds l a b st ot h ed e p t hw h e r ea r cm a g m a sa l eg e n e r a t e d t h er e s u l t s o fc o n s t a n tp t e x p e r i m e n t ss h o wt h r e em a j o rd e h y d r a t i o na a g e sw h i c ha l e c h a r a c t e r i z e db yt h ec o n s u m i n go fd i f f e r e n th y d r o u sm i n e r a l sd u r i n gt h em e t a m o r p h i c d e h y d r a t i o no f p e l i t e s 1 c h l o r i t ed e h y d r a t i o n 2 a m p h i b o l e m u s c o v i t ed e h y d r a t i o n a n d 3 b i o t i t ed e h y d r a t i o n t h ef l u i d sr e l e a s e ds e d i m e n t sd u r i n gt h ed e h y d r a t i o no f w a t e r b e a r i n gm i n e r a l sw o u l dp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i n t h ef l u i dc i r c u l a t i o ni n s u b d u c t i o nz o n e s 朝搬d e h y d r a t i o no fs u b d u c t e ds e d i m e n t sc e a s e sa st h ev a n i s ho f b i o t i t eu n d e rt h ee x p e r i m e n t a lp tc o n d i t i o n s u n d e rt h ep tc o n d i t i o n si nt h ed e e ps u b d u c f i o nz o n e t h ef l u i dl i b e r a t e df r o m p e l i t e si ss u p e r e r i t i c a la n dm a i n l yc o m p o s e do fh 2 0a n dc 0 2 t h ec o m p a r i s o no ft h e t r a c ee l e m e n tc o m p o s i t i o n sb e t w e e ns t a r t i n gm a t e r i a l sa n dr u np r o d u c t so b t a i n e db y 并 中国科学院研究生院博士学俄论文 c o n s t a n tp te x p e r i m e n t si n d i c a t e st h a t t h ef l u i dr e l e a s e df r o ms u b d u c t e ds e d i m e n t si s e n r i c h e di nf l u i d m o b i l ee l e m e n t s s u c ha sc u 鹣 n d a n db a i na d d i t i o n o u rr e s u l t s s h o wt h a tt h ef l u i dr e l e a s e df r o mt h es e d i m e n t sw i t hc e r t a i na m o u n t so fc h l o r i d ed u e t o p o s s i b l ec o n t a c tw i t hs e a w a t e rh a sh i g h e rc o n t e n t so fs o m et r a c ee l e m e n t s i n c l u d i n ge l l p b 薹洒 s r c s l a b a c e p r n d s ma n d e u t h a nt h a tl i b e r a t e df r o m t h es e d i m e n t sb e i n gn o to rl i g h t l yd i s s e m i n a t e db ys e a w a t e r t h i ss t u d yp r o v i d e sd a t af o ru n d e r s t a n d i n gt h e d e h y d r a t i o no fs u b d u c t e d s e d i m e n t sa n dt h ea m o u n to ff l u i d sr e l e a s e dd u r i n gt h i sp r o c e s s a n df o re x p l a i n i n g t h em i n e r a la n dt r a c ee l e m e n tc o m p o s i t i o n so fm e t a m o r p h i cs e d i m e n t si ns u b d u c t i o n z o n e t h i ss t u d ya l s od e m o n s t r a t e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em i n e r a la n dc h e m i c a l c o m p o s i t i o n sa n dp tc o n d i t i o n si np e l i t i cs y s t e m i tc o u l db ei m p o r t a n ti np r o v i d i n g i n f o r m a t i o nf o rs t u d yo nd e e ps u b d u c t i o no fc r u s t a l m a t e r i a l s a n d o nt h e c o m p o s i t i o n so f f l u i dp h a s e se v o l v e dd u r i n gm e t a m o r p h i s mi ns u b d u c t i o nz o n e s k e yw o r d s p e l i t e s e d i m e n t s s u b d u c t i o nz o n e s u b d u c t i o nz o n ef l u i d h i 曲p r e s s u r e a n d h i 曲t e m p e r a t u r e t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n m e t a m o r p h i c d e h y d r a t i o n t r a c ee l e m e n t 第一掌翦言 第一章前言 第一节俯冲带沉积物对俯冲带流体和岩浆演化的影响 俯冲带 s u b d u c t i o nz o n e 是地球上构造岩浆作用和流体活动强烈的地区 也是壳幔物质循环的重要场所 臼上世纪6 0 年代板块构造理论提出以来 俯冲 带及其相关领域 翔德冲带的热结构 物质循环和岩浆演化等成为了地球科学研 究的重要课题 在1 9 8 7 年召开的第二届科学大洋钻探国际会议 c o s o di i 上 提出了 迫切需要对汇聚板块边缘化学通量的研究 并深入理解地壳再循环 过程 c o s o di lr e p o r t 1 9 8 7 板块俯冲带沉积物通过变质脱水作用所释 放出的水 影响到板块间地震发生带 s e i s m o g e n i ez o n e 的性质 进而影响到 地震活动和海啸的形成 俯冲带物质循环 是岩石圈 水圈和大气圈之间物质循 环的一个重要环节 它对入类赖以生存的海洋和大气环境会产生重要影响 金性 春 2 0 0 3 另外 俯冲带也是成矿作用的重要场所 上述备种地质过程中俯冲 带流体起到了重要作用 由予俯冲板块变质脱水作用所释放出的流体具有较强的活动性 它在俯冲带 的迁移 演化对俯冲带岩浆起源 演化和地壳形成有重要影响 因此 众多学者 对俯冲带流体的来源和性质进行了较为深入的研究 1 1 洋壳俯冲带沉积物对俯冲带流体和岩浆演化的影响 在洋壳俯冲带 尽管俯冲带流体主要来源予俯冲的蚀变洋壳 但越来越多的 研究证实 随蚀变洋壳一起发生俯冲而进入俯冲带深部的大洋沉积物 对俯冲带 流体的形成同样起着不容忽视的作用 h a w k e s w o r t h 或a l 1 9 9 7 y o ue ta l 1 9 9 6 在地球上绝大多数的大洋板块俯冲带 b 型俯冲带 图1 1 都会有沉 积物随俯冲板块进入到俯冲带深部 尽管进入到俯冲带深部的沉积物总量会受俯 冲板块德冲角 俯冲速率 沉积物沉积速率和沉积物的物理性质影响 s h r e v ea n d c l o o s 19 8 6 h a w k e s w o r t he ta 1 19 9 7 根据岛弧岩浆的u t h 2 3 8 酽o t h 比 值和 o b e 组成推断俯冲带沉积物对于俯冲带流体的形成具有一定的贡献 奏澄嘉运条髂下淀质岩交质脱水佟耀鹩实验研究 k e r r i e ka n dc o n n o l l y 2 0 0 1 通过热力学计算研究表明俯冲带沉积物可以携带流 体进入到德冲带深部 1 4 0k m 的深度 完成最嚣的变质脱水过程 在阿尔卑斯扳 块缝合带 交沉积岩石中柯石英的发现 证明沉积物至少会俯冲到俯冲带深部 9 0k m 的深度 c h o p i n 1 9 8 4 z h a n ge ta 1 2 0 0 3 在中国西天山变泥质岩中证 实了变质反应 菱镁矿 方解石 毒云石 l 搴发生 由此根据峰期变质温度帮 压力计算得出结论 俯冲带沉积物可以进入到俯冲带深部大于1 5 0k m 的深度 释放出以c 0 2 为主要组成的变质流体 这一结论在前人研究基础上 进一步增 大了沉积物在德冲繁的稳定范围 沉积物可以被不断向下俯冲的板块拖曳到俯冲带深部 在俯冲带深部的高温 高压条件下发生变质脱水作用 释放出变质流体 根据p e a c o c k 1 9 9 0 a 的估 算 覆盖在全球大洋板块表层的沉积物总量约为l a xl 妒 堍 其中所包含的流 体组分包括 1 2 僦 c 0 2 5 僦 矿物晶格水和5 0v 0 1 孔隙水 俯冲带沉积 物随俯冲板块进入到俯冲带深部质 通过变质脱水作用每年所释放出的变质流体 量可达2 3 x i 0 鞋k g 约占俯冲带流体总量 1 0 9 x 1 0 珏k g 的2 0 谢 由此可见 俯冲带沉积物是俯冲带流体的重骤来源 前人根据理论计算 k e r r i c ka n dc o n n o l l y 2 0 0 1 和实际地质观察 z h a n ge t a l 2 0 0 3 c h o p i n 1 9 8 4 证实 俯冲板块表层的沉积物完全可以进入到俯冲带 深部至少1 2 0k m 的深度 即岛弧岩浆源区 在板块俯冲带深部的高温高压条件 下 俯冲沉积物经过变质脱水作用 产生流体 该流体交代上覆的地幔楔 使其 发生部分熔融 产生怒弧岩浆 圈1 1 由予沉积物在化学组成上骧显不同于 地幔物质 所以沉积物变质脱水后 所形成的流体进入到岛弧岩浆源区的楔形地 幔 从而对岛弧岩浆的化学组成产生明显的影响 a r m s t r o n g 1 9 8 1 这一作用 最为显蔷的体现 便在予岛弧岩浆中的c 0 2 含量鳃显高子大洋中脊玄武岩和大 洋岛弧玄武岩 由于大洋沉积物中c o s 含量高达1 2 吼 而俯冲板块中的洋壳 玄武岩和辉长岩则各自都含有o 1 l 嚏 的c 0 2 所以岛弧岩浆中的c 0 2 组分有很 大一部分来自俯冲板块 焉且沉积物贡献了相当一部分的c o s s c h o u 貔a l 1 9 9 6 金性春 2 0 0 3 b e b o u te ta 1 1 9 9 9 通过对位于加利福尼亚的一个白垩 纪俯冲带内不同程度沉积变质岩的微量元素分异规律的研究 为沉积物在俯冲带 交质作耀过程中元素地球化学行为的解释提供了依据 由于俯冲带流体对元素静 2 第一章前言 图1 1b 型俯冲带示意图 据t a t s u m ia n de g g i n s 1 9 9 5 分异作用 导致与洋壳俯冲作用相关的岛弧玄武岩相对于大洋中脊玄武岩 有明 显富集大离子亲石元素 l i l e s 轻稀土元素 l r e e s 而亏损高场强元素 h f s e s 的元素地球化学特征 k u s h i r o 1 9 8 3 t a t s t u n ie ta 1 1 9 8 6 w i l s o n 1 9 8 9 p e a c o c k 1 9 9 3 h a w k e s w o r t he ta 1 1 9 9 4 众多学者通过多方面研究认 为 这一特征的形成是因为来自俯冲板块的俯冲带流体进入到了地幔源区 并诱 发地幔源区发生部分熔融 t a s u m i 1 9 8 9 s c h m i d ta n dp o l i 1 9 9 8 微量元素b 是上述作用过程中较为典型的实例 m o r r i se ta 1 1 9 9 0 通过 对俯冲带b 的系统研究表明 岛弧火山岩中b 的来源包括 1 随俯冲板块进 入到俯冲带的沉积物 2 蚀变的玄武质洋壳 这一结论也体现了沉积物对俯冲 带微量元素组成的影响 硼的地球化学特征 包括水流体中的高溶解度 强岩浆 不相容性 同位素分馏 使它及其同位素 1 1 b 成为研究地球深部流体和俯冲 带物质循环的有效示踪剂 y o ue ta 1 1 9 9 5 壳 幔岩石中具有不同的b 和6 1 1 b 值 地壳岩石中的硼含量高于地幔岩石 所以硼和硼同位素已经被广泛应用 于壳一幔演化和板块俯冲作用的研究中 据估计 沉积物每年从海水中吸附约 o 8 x 1 0 l o t o o l 硼 其中有 o 2 0 3 x 1 0 1 0 m o l 硼随俯冲板块进入到俯冲带 y o ue t a 1 1 9 9 3 在板块俯冲作用早期 当俯冲板块下插至火山前缘下部时 由去挥 发分反应产生的大量富水流体从板块中流出 使大量的硼被流体携带释放出来 i 簏温高压条件下泥质岩变质脱水作用的实验研究 该流体向上运移并交代上覆地幔楔 最终导致高硼含量火山岩的形成 d o m a n i k e t a l 1 9 9 3 b e b o u t e t a l 1 9 9 3 随着俯冲板块不断下插 从俯冲板块中释放 密的流体逐渐减少 在弧前区 f o r e a r cr e g i o n 下部 俯冲板块脱水作用已经基 本完成 t a t s u m i 1 9 8 9 p e a c o c k 1 9 9 0 b 从俯冲板块中释放出来的硼逐渐减 少 所形成火山岩的硼含量也降低 这种变化趋势说明俯冲板块中的硼在变质脱 水作用过程中交得活泼 研究表鳙岩石中的硼含量随变质级别的升嵩而不断降 低 所以硼在岛弧火山岩中的富集表明了俯冲板块的热液活动 肖荣阁等 1 9 9 9 l e e m a na n dt o n a r i n i 1 9 9 8 其它流体活动性元素 如c s l a c e p r n d u t h c u 和p b 等 在俯冲带有着与b 类似的行为 表现出不同程度的活动性 所以沉积物在俯冲带的变质脱水过程对俯冲带流体和岛弧岩浆的地球化学组成 起着重要作用 这一过程也是地球上元素循环过程中的一个重要环节 l 2 陆壳俯冲带沉积物对俯冲带流体和岩浆演化的影响 陆壳俯冲 a 型俯冲 带自上世纪8 0 年代以来已成为大陆动力学研究的重 要对象 超高压变质岩的形成是陆壳岩石发生深俯冲作用的直接结果 s o b o l e v a n ds h a t s k y 1 9 9 0 x ue t 啦 1 9 9 2 y ee ta l 2 0 0 0 根据在苏鲁地区榴辉岩孛 石榴子石内发现大量的单斜辉石 金红石和磷灰石的出溶 提出陆壳物质可以俯 冲到地球内部大于2 0 0 公里的深度 通过对大量榴辉岩围岩的详细研究表明 一 些表壳岩石如长英质 泥质 钙质岩石 也可以像大洋板块沉积物一样发生深俯 冲作用 而形成高压一超高压变质矿物组合 我国大别山发育的石榴多硅白云母 片岩 石榴石英硬玉岩 蓝晶石石英岩 高压片麻岩 蓝晶黄玉石英岩等就是大 陆沉积岩石发生深俯冲作用的产物 刘晓春和胡克 1 9 9 4 支l j 雅琴和胡克 1 9 9 9 z h a n g e ta l 1 9 9 6 伴随着陆壳俯冲作用的发生 在陆壳俯冲带也发生与俯冲作用相关的岩浆活 动 李曙光等对大别由丽碰撞辉石岩一辉长岩侵入体进行的系列研究显示 陆壳 俯冲带也具有与洋壳俯冲带相似的元素特征 即 寓集r b b a p b l r e e s 等 元素 亏损t t f s e s 李曙光 1 9 9 9 但大陆玄武质岩石并未像大洋的那样 受 到过海水蚀变作用而富含挥发分 因此陆壳沉积岩尤其是其中的含水量较高的泥 质岩 更是陆壳俯冲带流体的重要来源 4 第一章前言 第二节俯冲带沉积物体系中变质脱水作用实验研究现状 k e r r i c ke ta 1 2 0 0 1 p e a c o c k 1 9 9 0 a 和p l a n ke ta 1 1 9 9 8 均强调了对 来毒俯冲带沉积物的变质流体的形成机制 产生过程和形成深度等闯题进行研究 的必要性及英重要意义 这就要求我稍对德冲带沉积物 岩 在俯冲带深部的变 质脱水过程 帮其所含的含水矿物在俯冲带深部的稳定性进行研究 从而确定沉 积物交质脱水的深度范围 高温高压实验 是人类认识地球内部地质作用过程的重要途径 也是模拟地 球深郝地质作用的一个最为直观有效的方法 已经有众多学者 通过高温高压实 验对来囱俯冲玄武质洋壳的流体的形成机制 规模 深度范围及其影响因素等问 题作出了深入 细致的研究 t a s u m ie ta 1 1 9 8 6 u l m e re ta 1 1 9 9 5 l i ue ta 1 1 9 9 6 s c h m i d te ta 1 1 9 9 8 f o m e r i se ta 1 2 0 0 3 并对俯冲带流体的认识取得 了长足进展 然而 鬻前已有的对俯冲带沉积物 岩 中含水矿物在高温高压下 稳定性的实验研究还比较薄弱 尤其是在榴辉岩相的1 5 4 0k b a r 这 重要的俯 冲带沉积物变质压力范围内 目前针对俯冲带沉积物体系的主要实验岩石学研究 如表1 1 表1 1 沉积物及相关体系高温高压实验研究现状 实验隧力 研究体系 研究结果文献 湿度 a h 0 3 s i 0 2 一 1 9 3 5k b a r 水铝石十石英在3 0 0 t 1 2k b a r1 9 9 7 k 2 0 a 1 2 0 3 2 0 2 9k b a r 在所选定的实验条件下确定了反 应 k a i s i 3 0 8 n h 2 0 k a i s i a o s n h 2 0 t h o m p s o ne t s i 0 2 h 2 0 4 5 0 6 5 0 a l 1 9 9 8 的温压曲线 5 2 1k b a r 确定了绿泥露 石英在该体系中的 m g o a 2 0 3 4 8 5 6 9 9 稳定范阑 5 2 1k b a r m a s s o n n e 1 2 6k b a r 确定了镁铝绿纤石m g s a i s s i 6 0 2 1 o h 7 1 9 8 9 s i 0 2 h 2 0 兹稳定范围 3 毒k b a r t 8 2 0 镁十 f o c k e n b e r g 3 4 1 0 0k b a r 字石的稳定范围 1 2k b a r p 6 6k b a r 1 9 9 8 a 1 9 9 8 b 5 9 7 1 0 5 0 1 2 p a w l e y 2 0 0 3 6 0 8 卜 3 0k b a r 8 1 0 0 条件下的研究 这对予俯冲带深部榴辉岩相条件下 含水矿物稳定性的研究是不充分的 第三节选题依据和研究内容 上世纪6 0 年代以来 高压技术的迅猛发展 使得地质学家们能够采用实验 手段探讨地球内部各种条件下的地质过程 其中与岩石或矿物脱水作用有关的实 验研究也取得了长足进展 同时也说明采用实验手段来模拟岩石变质脱水作用过 程的可行性 但是已有的与脱水作用相关的实验研究主要集中于以下方面 1 以天然矿物相为研究对象 研究矿物的穗变和稳定范围 u l m e ra n dt r o m m s d o r f f 1 9 9 5 1 刘晓春等 1 9 9 9 2 岩石的缺水熔融 v a p o r a b s e n tm e l t i n g r u t t e ra n d w y l l i e 1 9 8 8 其研究重点在于岩石变质脱水赝的熔融阶段 以探讨岩浆的形 成过程 刘建忠等 1 9 9 8 p i c k e r i n ga n dj o h n s t o n 1 9 9 8 杨晓松等 2 0 0 1 3 在天然矿物或岩石样品中加入m g c a c 1 等元素进行高温高压实验 探讨这些 元素对岩石变质脱水温度和脱水过程中微量元素活性的影响 k o s t e rv a ng r o o s a n dg u g g e n h e i m 1 9 8 7 k e p p l e r 1 9 9 6 4 矿物和岩石脱水作用过程中弹性 波速和电导率等物理性质的变化 谢鸿森等 2 0 0 0 周文戈等 2 0 0 0 朱茂旭等 1 9 9 9 2 0 0 0 宋茂双镣 1 9 9 6 代立东等 2 0 0 5 a 2 0 0 5 b p o p pa n dk e r n 1 9 9 3 a b o u l g h e i te ta l 1 9 9 0 d e s h p a n d e ke ta 1 1 9 8 3 但是 对天然岩石变质脱 水作用过程中含水矿物的稳定范围 及这一过程中元素的地球化学行为等所进行 的实验研究还较为薄弱 t a t s u m ie t 越 1 9 8 6 进行的蛇纹石脱水过程中微量元素变化的实验研究 首次从实验研究的角度解释了岛弧火山岩元素地球化学特征的形成机制 k o g i s o 武a l 1 9 9 7 报道了角闪岩在9 0 0 c 5 5k b a r 条件下经过2 0 小时的脱水作用转 变为榴辉岩的过程中 微量元素变化的实验研究结果 为研究洋岛玄武岩起源和 地幔h i m u 端元的形成提供了重要的实验证据 a i z a w ae ta 1 1 9 9 9 通过对天 然泥质装的高温高压实验研究也初步得出了该天然岩石体系中含水矿物的稳定 范围和微量元素的活动性 僵是在1 5 3 5k b a r 这一重要的榴辉岩相变质压力范 8 第一章前言 围内缺乏研究 上述研究证明高压实验方法对探讨岩石变质脱水过程中的楣转变 和微量死素变化的可行性 然而 凝前国际上针对天然泥质岩体系的实验研究尚 处于开始阶段 尤其是在15 4 0k b a r 下的实验研究还十分不足 为弥补国际上针对天然泥质岩体系研究的不足 并使实验条件更加接近地质 实际 本文选择了德冲带沉积物 岩 的典型代表 天然泥质岩为研究对象 透 过热力学计算和高压实验 研究俯冲带沉积物的变质脱水过程 及该过程中矿物 相转变和微量元素变化规律 研究结果为揭示俯冲带沉积物的深俯冲作用和解释 俯冲带岩浆产物微量元素组成特征提供了重要依据 研究内容包括 1 热力学计算 利用热力学数据库 对所选择样品的化学体系 进行了热力学计算研究 得出了该岩石在一定温度压力范围 内的p t 视剖面图 预测了该体系在高压下 1 0 3 5k b a r 的矿物相组成 阐明7 俯冲带沉积物变质脱水作用中的流体 释放过程 2 高压差热实验 h p d t a 确定了天然泥质岩在俯冲带高温 高压条件下发生变质脱水的温度范围 3 利用活塞圆筒和多面顶黼种高压设备 对天然泥质岩进行了 高压下相转变的实验研究 揭示了泥质岩在榴辉岩相温度压 力条件下的矿物相组成 4 通过对高温高压实验产物和实验初始物的微量元素组成对 比分析 探讨了泥质岩在榴辉岩相温压条件下变质脱水作用 过程中的微量元素活动性 9 高温高压条件下泥质岩变质脱水作用的实验研究 第四节论文工作量 全部野外和实验及分析工作完成情况列于表1 2 表l 2 论文工作量 率注 中国科学院地球化学研究所 地球深部物质与流体作用实验室 德国斯图加特大学矿物和晶体化学研究所 德国巴登符腾堡州立太阳能和氢觋究中心 中国科学院地球纯学研究所 中国科学院广媸地球化学研究所 德国斯图加特大学无视化学研究所 1 0 第二章实验样品和实验设备 第二章实验样品和实验设备 第一节实验样品 泥质岩是地球上分布最广泛的一种表壳沉积岩石 在化学组成上 泥质岩与 上陆壳平均值接近 因此它也是俯冲带沉积物 岩 的典型代表 本次研究的样品主要采自庐山地区双桥山群的泥质板岩 l s 2 6 前人已经 对该区的地质背景进行了较详细的研究 谢国刚等 1 9 9 7 唐红峰等 2 0 0 0 双桥山群是在江西北部地区广泛发育的一套地层 它以浅变质的粉砂质 泥质板 岩为主要组成 图2 1 该地层中所含的微古植物化石组合特征和变细碧岩夹层 的s m n d 同位素定年结果 1 5 5 8 7 1 9m a 显示其原岩形成时代为中元古代 彭 作荣等 1 9 9 5 胡恭任 1 9 9 9 双桥山群可以分为两个地层组 横涌组 下部 和计林组 上部 在横涌组底部发育有一套变质复成分砾岩 研究表明该砾岩 属双桥山群的底砾岩 即双桥山群与下伏早元古代星子群为不整合接触关系 谢 国刚等 1 9 9 7 图2 1庐山双桥山群变泥质岩分布区地质简图 唐红峰等 2 0 0 0 1 一绿泥石带 2 第四系 3 一星子群变质岩 4 十字 石榴石带 5 一黑云母带 6 一样品采集位置 尚温高压条件t 泥质岩变质脱水作用的实验研究 图2 3l s 2 6 的显微照片和背散射照片 q 乜 石英 c h l 绿泥石 m u 白云母 i l m 钛铁矿 a b 钠长石 取桥山群岩石的原岩为一套泥质 泥砂质沉积岩 它们经过区域变质作用而 成为现今的粉砂质 泥质板岩 黑云母片岩 石榴石片岩 十字石榴石片岩等 根据上述岩石的分布和岩石中特征变质矿物出现的次序 可将该地区双桥山群从 南向北依次划分为3 个变质带 图2 1 即 1 绿泥石带 岩石类型为板岩 第二鬻实验样品和实验设各 注 初始物主量元素组成引自唐红峰等 2 0 0 0 平均上地壳元素组成引自t a y l o ra n d m c l e n n a n 19 8 5 表示全铁 一 墨 o j i 囊 童 l l 人一嫔呈臆黜陡臻强臻妾文灵 一襄 h l 图2 4l s 2 6 的x 射线粉晶衍射图谱 2 黑云母带 岩石类型为黑云母片岩 3 石榴子石和十字石带 主要岩石 类型为程榴石片岩和十字石榴石片装 上述三个变质带构成了一个不完整的巴洛 型递增变质带 研究样品为深灰色泥质板岩 变余层理构造发育 图2 2 b 在显微镜下 岩石中的粘土矿物 伊利石 绢云母 呈定向排列 图2 3 a 背散射照片也清 晰地反映如云母和绿泥石的定向摊列特征 图2 3 b 这两种矿物的颗粒大小都 在2 0 吣以上 轴向 岩石的主量元素组成与上陆壳平均值接近 矿物组成与 高温高压条件下泥质岩变质脱水作用的实验研究 其他地区的后太古代泥质岩 如澳大利亚后太古代页岩 接近 表2 1 x 射线 粉晶衍射分析结果 图2 4 表明该岩石主要由石英 1 2 斜长石 4 绿 泥石 1 6 伊利石和绢云母 6 5 组成 并含有少量的钛铁矿和蒙脱石 电子探针分析结果 表2 2 表明 该岩石中云母主要是白云母 含少量绿 磷石和钠云母 长石主要为钠长石 含铁矿物主要由钛铁矿组成 表2 2l s 2 6 中矿物的化学组成 m ua bc h li l m s i 0 2 t i 0 2 a 1 2 0 3 f e 哩0 3 f e o m n o m g o c a o n a 2 0 k 2 0 h 2 0 t o t a l 4 6 8 9 0 2 8 3 2 9 0 1 9 7 o 0 0 1 3 3 o 0 0 o 3 8 9 7 l 4 4 5 9 7 9 l 6 3 1 3 1 6 8 7 8 o o 3 5 3 3 0 0 2 9 0 2 2 1 0 0 0 0 0 2 6 6 4 0 5 0 0 9 8 1 6 6 7 1 7 7 4 0 0 0 4 6 8 6 0 3 2 3 2 5 4 2 1 2 0 0 0 1 1 2 0 0 0 0 4 7 9 7 8 4 4 3 9 7 6 4 6 3 4 l 1 6 5 9 8 0 0 3 5 3 l 0 0 3 3 0 2 3 9 0 0 0 0 0 2 2 7 4 0 3 o 1 2 4 1 6 8 8 1 8 l 4 0 0 0 6 7 9 76 7 6 5 o o o o o l 1 9 5 l o 1 6 2 0 2 0 o 1 7 0 0 4 o 0 60 1 9 1 1 9 81 1 7 5 0 0 5o 0 3 9 9 7 31 0 0 0 3 2 6 9 0 0 0 5 2 1 7 2 2 9 5 3 0 4 2 9 7 5 1 1 3 0 9 9 6 7 3 1 9 4 o 0 6 5 3 8 75 1 8 0 1 9 1 3 2 7 7 5 o 3 2 8 7 3 4 0 5 84 3 3 0 3 4 02 5 6 0 0 40 2 8 1 1 5 0 9 9 4 39 7 8 8 9 7 9 4 s i2 9 8 32 9 6 0s i5 7 l l6 6 6 0t il 0 4 71 0 0 2 a i1 0 0 91 0 4 2a l2 2 8 91 3 4 0s u m1 0 51 0 0 f e 3 0 0 0 50 0 0 6s l i m8 0 08 o of c 2 0 8 7 70 9 3l k i n0 0 0 00 0 0 1a i3 1 4 73 3 6 2k i n0 0 7 40 0 5 6 t i0 0 0 00 0 0 0t i0 0 0 80 0 0 9 m g 0 0 0 20 0 11 s u m4 o o4 0 1f c 2 5 2 4 44 8 3 8s 眦0 9 51 0 0 c a0 0 0 30 0 0 9m n0 0 7 60 0 5 6 n a1 0 1 90 9 9 7 m g 3 0 8 82 7 1 5 k0 0 0 30 0 0 1s u m1 1 5 6l o 9 8 0 s u m 1 0 3l o lh1 6 0 0 01 6 0 0 0 注 矿物名称缩写见图2 3 触姗越l 舻 咖 k蚴h 第二章实验样品和实验设备 第二节高压实验设备 高温高压实验设备是高压实验室的工作平台 它决定了一个高压实验室的研 究领域 不同的高温高压设备能够满足不同研究的需要 由于本文的研究目标是 通过高温高压模拟实验 探讨泥质岩在俯冲带榴辉岩相温度压力下 1 5 3 0k b a r 5 0 0 1 0 0 0 1 2 的相转变过程 揭示泥质岩在该条件下变质脱水作用 以及这一 过程中微量元素的变化规律 阐明泥质岩在高压变质过程中的微量元素地球化学 行为及其机制 为研究俯冲带物质的深俯冲作用和俯冲带岩浆产物独特的微量元 素组成提供依据 这就需要进行两个不同系列的实验 1 相平衡实验 天然泥质岩体系 即k f m a s h k 2 0 f e o m g o a 1 2 0 3 一s i 0 2 h 2 0 体系 是实验岩石学研究中较为复杂的体系 要想对该体系在高温 高压条件下的变质脱水作用过程作出具体的研究 首先必需对该体系在高 温高压条件下的相转变过程有一个详细的了解 这就需要对泥质岩进行相 平衡实验 通过较长时间的高压模拟实验 使体系中各相在高温高压下达 到平衡 通过对实验产物的相组成分析 得出该岩石体系在不同温度 压 力条件下的相组成 从而探讨在俯冲带进变质作用过程中泥质岩发生的相 转变及其矿物组合 2 开放体系下的高压实验 在相平衡实验研究的基础上 对泥质岩开展开放 体系条件下的高温高压模拟实验 实验过程中流体能够从体系中释放并扩 散到体系外部 通过对泥质岩及其高温高压实验产物的微量元素测定结果 的对比 研究泥质岩发生榴辉岩相变质脱水作用过程中的微量元素活动 性 图2 5 是目前世界上大多数高温高压实验室所配备的较为常用的高压一超高 压设备 图2 5 a 和中国科学院地球化学研究所地球深部物质与流体作用地球 化学研究室已经具备的高压一超高压设备 图2 5 b 所能达到的温度压力条件 本文实验工作所需的实验温度 压力范围在1 5 4 0k b a r 5 0 0 一1 0 0 0 c 内 本实 验室的金刚石 白宝石压腔 高温超高压碳化硅压腔设备和多面项大腔体压机系 统可以满足这一温度压力需求 但前两种设备主要应用于高压一超高压下对矿 高温高压条停下沉质岩交质脱水作用的实验研究 3 0 0 0 1 0 e o 5 器o 一 3 0 0 0 l 蠢雕萋压整震击警 1 0 0 0 四面顶和l 穴丽顶 立方滑动多碱顶 多缀溪塞蒸笼 单缓活塞鼹筒 餮整叭簧嫠褒霎 攥摆 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 0 t c a 1 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0 t e 8 鹭2 5 不同类登高压设备所熊达到的温度压力条件 a 孳旧h o l l o w a ya n d w o o d 1 9 8 8 物或岩石物理性质就位监测 其样品室体积较小 本次研究以后者作势嵩温高压 条件下泥质岩变质脱水实验的高压设备 此外 还有一部实验是在德国斯图加特 大学矿物和晶体化学研究所的活塞圆筒 e n d l o a d e d p i s t o n c y l i n d e r 上完成的 1 y j 3 0 0 0 吨紧装式六面顶篷机 该设备建造于2 0 世纪7 0 年代末期 是由谢鸿森等与第一机械工业部联合研 制建造的 谢鸿森 1 9 9 7 属于立方滑动多面顶高压设备 c u b i cs l i d i n ga n v i l s 以一台3 0 0 0 吨级的油压机作为压力源 六个碳化钨顶砧分别置于上下嚣个模框 中 当油压机推动下模框向上运动时 安装在四个导向槽中的顶砧同时向中心运 动 产生高压 图2 6 压枧