俯冲带超临界流体的元素迁移:实验研究进展和存在问题

超临界地质流体是富溶质的浓稠流体,它们既有含水熔体的组成和结构,又有接近富水流体的密度和粘度,因而具有超强的元素溶解和迁移能力。目前从俯冲板片脱出并引发地幔楔熔融和弧岩浆活动的流体性质还模糊不清,阐明板片流体的性质及其对元素迁移的关键控制因素,特别是对超临界流体研究程度的提高,可能为俯冲带元素迁移、物质循环和成矿等过程和机制的理解提供新的认识和视角。本文回顾和剖析俯冲带流体和超临界流体的形成以及它们对元素(特别是难溶元素)的迁移能力和关键控制因素的实验研究现状,提出亟待解决的重要科学问题。

气体混合炉中氧逸度控制

氧逸度是影响地质体系性质的物理化学变量之一。实验岩石学中常利用氧逸度可控的气体混合炉进行设定氧逸度下的实验。常用的混合气体组合包括CO_2-CO、CO_2-H_2和H_2-H_2O体系。然而,混合气体配比涉及到的较复杂的热力学计算以及老旧的热力学数据阻碍了该项技术在实验岩石学中的应用。本文根据新的物理化学数据,对不同混合气体体系(如CO_2-CO,CO_2-H_2和H_2-H_2O)温度-氧逸度-气体混合比例关系进行了重新计算和评估。另外,还计算了O_2-惰性气体、CO_2-O_2和H_2O-O_2体系,弥补了前人CO_2-CO、CO_2-H_2和H_2-H_2O体系不能控制高氧逸度(大于CO_2体系)的缺陷。最后,比较了应用新旧不同热力学数据库算出的结果,认为随着基础物理化学数据的不断更新,温度-氧逸度-气体混合比例关系也应不断更新。

地幔矿物/熔体微量元素分配及其对地幔源区岩性的识别

地幔源区岩性是控制地幔部分熔融过程中微量元素行为的重要因素。近十年来,第一周期过渡族元素(FRTEs,First Row Transition Elements)被广泛应用于地幔源区岩性识别。超基性、基性岩石部分熔融过程中,FRTEs表现为相容到中等不相容,是追踪地幔源区岩性的有力工具(Le Roux et al.,2011)。Humayun et al.(2004)精确测定了夏威夷玄武质熔岩。

榴辉岩部分熔融过程中钒分配系数的实验测定

钒(V)是常见的变价元素,其在矿物‒熔体间的分配行为主要受氧逸度控制。近年来,V的分配行为与氧逸度之间的关系常被用于揭示地幔的氧化还原状态。板块俯冲过程中,V能否迁移是理解俯冲带V地球化学行为的关键环节,也是探讨俯冲带地幔楔氧逸度的重要前提。本文使用活塞圆筒装置模拟含水榴辉岩部分熔融过程,测定石榴子石、单斜辉石和金红石与熔体之间V的分配系数。实验压力为2.5 GPa、温度介于900~1125℃之间,实验产物计算的氧逸度ΔFMQ介于−5.24^+0.74之间,实验结果表明V在石榴子石、单斜辉石和金红石中为相容元素(矿物/熔体分配系数D>1.0),并且DV(金红石)>DV(单斜辉石)>DV(石榴子石);V的分配系数也是氧逸度、温度和熔体聚合度的函数,随氧逸度和温度的增加,石榴子石、单斜辉石和金红石的V分配系数都减小,而随着熔体聚合程度的增加,V分配系数增大。模拟结果表明在榴辉岩部分熔融过程中熔体将显著亏损V,因此,V在榴辉岩(俯冲带洋中脊玄武岩)部分熔融过程中是不运移的;而板块俯冲过程中,榴辉岩部分熔融产生的熔体交代地幔楔不能明显改变地幔的V含量,V在地幔矿物和熔体间的分配行为可用来监测地幔氧逸度。

温度和体系组成对钒在单斜辉石与熔体间分配的影响及其应用

钒(V)作为常见的变价元素,主要以+2、+3、+4和+5价存在于矿物中,其在矿物–熔体间的分配行为主要受控于氧逸度。在单斜辉石中V主要以V^(2+)和V^(3+)形式存在,以类质同象替换的方式分别取代单斜辉石中Fe^(2+)、Mg^(2+)和Al^(3+)、Fe^(3+)的位置。近年来,V的分配行为与氧逸度之间的关系常被用于揭示地幔的氧化还原状态。作者使用活塞圆筒装置,利用Ni-NiO和HM(赤铁矿‒磁铁矿)氧逸度缓冲对控制实验体系氧逸度,对V在单斜辉石与熔体之间的分配行为进行探讨。实验压力为0.5 GPa、温度为1000℃和1100℃。实验氧逸度>FMQ,因此,V在单斜辉石中主要以V^(3+)形式存在。综合前人数据和本次实验结果分析表明,V在单斜辉石中的分配受氧逸度、温度和体系组成影响。随着氧逸度升高,V的价态发生改变导致其在单斜辉石中由相容变为不相容;随着温度升高,V在单斜辉石与熔体间的分配系数减小;随着实验体系中Al在矿物与熔体间分配系数增大而增大。通过多元线性回归得到的公式logD_(V)^(Cpx/Melt)=−4.19(±0.33)+0.94(±0.15)×D_(Al)+5730(±480)/T−0.24(±0.01)×ΔFMQ(n=71,R^(2)=0.92),用于估算含有单斜辉石且满足条件的天然样品形成时的氧逸度。

俯冲带微量元素分配行为研究:进展和展望

微量元素分配对于理解俯冲带地球化学过程及物质循环机制具有重要的意义,文章总结并重点剖析了以下四个方面的俯冲带微量元素分配问题.(1)俯冲板片脱水产生的流体性质和元素迁移:讨论了俯冲带流体和超临界流体的形成以及它们对元素(特别是高场强元素)的迁移能力和关键控制因素,指出加强超临界流体研究,可能为俯冲带元素迁移过程、机制以及弧岩浆成因等提供新的视角和认识.(2)地幔楔熔融过程中过渡族元素行为:第一排过渡族元素在地幔部分熔融过程中从相容到不相容,价态不变的元素如Sc、Ti、Co、Ni、Zn分配主要取决于残留矿物组合和温度,价态变化的元素如V、Fe分配除了受控于矿物组合和温度外,也是氧逸度的函数.因此,过渡族元素的分配行为对示踪地幔楔岩性不均匀性和氧逸度有重要应用.(3)元素分配特异性与弧岩浆演化过程示踪:石榴子石和角闪石对Dy/Yb分配具有特异性,金红石和角闪石对Nb/Ta分配具有特异性;弧岩浆Dy/Yb和Nb/Ta总体随SiO2增加而减小,显示角闪石结晶分异可能最为重要.(4)硫和亲硫元素行为与斑岩成矿:俯冲带Cu、Au等亲硫元素的行为由硫化物和流体控制,由此富水中酸性岩浆体系硫化物稳定性、流体出溶相对硫化物结晶的时机、流体/硫化物质量比率和Cu、Au流体/熔体分配等对理解Cu、Au在岩浆-热液过程中的富集和亏损行为尤为重要.中酸性岩浆主要起源于下地壳弧岩浆分异演化,下地壳中酸性岩浆发生流体出溶以及Cu、Au流体/熔体和流体/硫wj化物分配可能是定量理解Cu、Au如何从深部迁移到浅部成矿的关键所在.

俯冲带氧逸度研究:进展和展望

氧逸度是描述体系氧化还原状态的强度变量.通过控制变价元素的价态,氧逸度影响含铁矿物的稳定性,主导变价挥发性元素(碳和硫等)在岩浆和流体中的种型,控制变价元素(如铁、钒、铈、铕)的矿物/熔体和矿物/流体分配行为.因此,氧逸度在理解岩浆形成和演化过程、岩浆-热液矿床成矿机制,以及挥发分组成和性质中扮演着重要角色.俯冲带是岩浆作用和流体活动的重要场所,氧逸度研究是俯冲带过程研究中不可或缺的环节.文章首先介绍了氧逸度的概念、表达方法和天然样品中氧逸度的估算方法;然后系统地梳理了地幔楔氧逸度研究历史和现状,概述了俯冲脱水流体的氧化还原性质,总结了俯冲带岩浆形成和演化过程中氧逸度变化规律的研究现状.主要认识包括:(1)地幔楔氧逸度高度变化,但整体比大洋地幔更加氧化;(2)俯冲带流体的氧化还原性质仍存在争论,俯冲物质加入与地幔楔氧化之间的关系尚不明确;(3)地幔楔部分熔融和弧岩浆结晶分异过程可否导致岩浆氧逸度明显变化存在重要争议.文章认为,厘清地幔楔氧化还原机制的关键在于研究铁、碳和硫等变价元素在俯冲带流体(特别是富溶质流体或超临界流体)中的迁移能力;理解弧岩浆形成和演化过程中氧逸度变化规律的根本在于系统测定Fe3+和Fe2+在铁镁质矿物与熔体间的分配系数及其随温度和压力的变化.