水对名义无水矿物变形的影响

在固体地球中,水虽微量,但对众多地质过程(例如,岩石部分熔融与火山喷发、地震活动等)和岩石的物理化学性质(例如,电导率、滞弹性、地震波性质、相变动力学等)影响重大。更为重要的是,水能通过影响矿物的变形机制来控制岩石的流变强度,进而制约着地球动力学的过程。名义无水矿物(NAMs:Nominal anhydrous minerals)即为分子式中不含氢的矿物,其晶格的容水量远小于正常含水矿物(如,角闪石,蛇纹石等)的容水量,但由于NAMs在固体地球中体积比例甚大,仅上地幔的橄榄石中所能溶解的水可能比全部地表水还多。因此了解水对NAMs(尤其是分别作为地壳和上地幔主要组成矿物的石英和橄榄石)变形的影响对于精确地构建岩石圈强度剖面和深刻理解构造地质学与地球动力学过程至关重要。本文将系统地回顾水对NAMs变形的影响,首先通过回顾水在固体地球内部的存在形式提出了NAMs是固体地球中的重要水库,接着阐述了NAMs中水的存在形式、溶解机制、溶解度影响因素及扩散动力学,最后着重论证了水致弱化在石英和富镁石榴石中最强,然后依次是单斜辉石、长石、橄榄石,瓦德利石和林伍徳石。

名义上无水矿物中“水”的原位变温红外光谱研究

名义上无水矿物(nominallyanhydrousminerals,简称NAMs,如橄榄石、辉石、石榴石、长石等)中以缺陷形式存在的结构水的重要性已经被地球科学界广泛认同,并得到了越来越多的关注。由于对OH振动的高度敏感性,红外光谱方法被广泛用来测量NAMs中"水"的赋存状态、含量以及在晶体结构中的位置。随着傅立叶变换红外光谱仪的不断发展及分析技术的提高,以及红外附件的更新换代,出现了一些新的分析方法。原位变温红外光谱实验就是利用变温红外附件测量样品在不同温度下的红外光谱,通过研究不同温度下红外光谱图的峰形、峰位、峰数等参数的变化,了解温度改变过程中样品所发生的物理、化学变化,且具有实时监测的优点,因此广泛用于含水矿物和玻璃中OH和H2O的研究。主要包括含水矿物和玻璃的脱水机理及脱水动力学研究,OH和H2O的红外吸收系数的温度依赖性及不同温度下红外吸收系数的校正等方面。虽然原位变温红外光谱广泛应用于含水矿物和玻璃中水的研究,但是应用于名义上无水矿物还是刚刚起步。NAMs中的H是活动的,高温下H的赋存状态及其在晶体中的位置可能会不同于室温,而地质过程往往都在高温下进行,研究高温下NAMs中的水具有重要的地质学意义。因此,有必要利用原位变温红外光谱实时监测不同温度下NAMs中水的变化。有关NAMs中水的原位变温红外光谱实验早期工作只是观察不同温度下谱图参数的变化并给予一定的解释,以及用此法来确定NAMs中水的赋存状态。受含水矿物和玻璃的研究结果的启发,原位变温红外光谱实验目前也开始用来研究NAMs中水的脱水机理和扩散动力学。此外,利用原位变温红外光谱技术,通过研究不同温度下OH的积分吸收面积可探索NAMs中OH红外吸收系数温度依赖性;通过研究OH峰位随温度移动的幅度与某些化学成分的关系,可给出NAMs中OH的结合机理方面的有用信息。虽然近些年来已经开展了一些工作,取得了一些新的成果,但是总的说来还处在起步阶段,今后针对NAMs的研究重点应该集中在以下三个方面:(1)吸收系数温度依赖性的定量化,(2)脱水机理和动力学的扩展,(3)OH结合机理研究的深入。

名义上无水矿物中水的定量方法及其优缺点:FTIR方法及其存在问题

构成地幔的主要物相多是名义上无水矿物(NAMs),如橄榄石、辉石等,其晶体结构中能赋存一定量的水。水能显著地影响矿物、岩石体系的物理、化学性质乃至地球深部的许多重要地质过程。为精确获取NAMs的水含量,科学家不断开发和改进水的定量分析方法,其中傅里叶变换红外光谱法(FTIR)是测定NAMs中水含量的最主要手段,但不同研究者的结果常有较大差异。本文就近年来NAMs中水的多种定量方法的研究进展进行综述,着重讨论FTIR方法及其存在问题,并初步谈论NAMs中水定量方法的未来研究方向。基于已有文献数据,本文进一步提出针对NAMs的新通用标定系数εtot=262.68(491)×[3644(94)-■],它既能弥补现有通用标定法建立于含水矿物、玻璃基础上的缺陷,又能较合理地体现吸收系数与频率的依赖性。

名义上无水矿物的原位高温分子光谱

名义上无水矿物(NAMs)是深部地球的主要物相,是构成深部地球最主要的水储库。过去的几十年里,人们对地球深部水的分布及其对矿物乃至岩石系统的宏观效应的认识取得了长足进展,但是对水效应微观机制的关注较为欠缺。分子光谱是联系固体宏观性质和微观过程的重要手段,而且原位高温分子光谱实验能够直接测量矿物在地球深部温度下的电子吸收、分子振动和转动。本文按照波谱频率的高低,主要介绍了原位高温分子光谱在研究名义上无水矿物中的应用:研究地幔的辐射传热,地球深部温度下NAMs中水的状态,以及地幔的热力学性质。旨在让更多的学者能够在分子级尺度上认识深部地球性质和动力学过程。

国内外“名义无水矿物”研究现状

对名义上无水矿物(NAMs)中结构水的研究是近年来国内外地学界的热点之一,虽然这些矿物中结构水的含量普遍很低,但由于这些矿物本身具有庞大的体积和质量,可能构成了地球深部最重要的储水库。这些水可以影响矿物和岩石的许多物理化学性质,并对地球深部很多地质作用有重要的制约作用。

河南鹤壁地区地幔包体特征及内部NAMs的含水量研究

地幔包体作为研究岩石圈深部过程的直接对象,其内部"名义无水矿物"(NAMs)的地球化学和含水量特征,以及所在的地质背景、产出位置等为揭示岩石圈地幔演化提供了重要途径。河南鹤壁位于华北活化克拉通与稳定克拉通之间的过渡带上,区内出露的超基性、基性岩体中含有丰富的地幔包体,为研究过渡带中上地幔的温、压条件及含水量特征等提供了重要的窗口。本文通过EMPA和Micro-FTIR手段,对地幔包体中NAMs的主量元素和红外吸收光谱进行观测,利用各种地质温压计以及Beer-Lamber含水量分析方法对这些数据进行处理,得到了不同深度来源的地幔包体当时所处的温、压条件,地球化学属性以及内部NAMs所对应的含水量等信息,为研究鹤壁地区与世界各地不同地质背景下NAMs的含水量差别以及NAMs的含水量与地球化学元素之间的相关性提供了重要线索。

大别山榴辉岩中石英脉矿物水含量研究

大别-苏鲁造山带的高压-超高压榴辉岩中产出丰富的石英脉,这些脉是获得变质作用过程中流体活动性质和数量等信息的重要研究对象.……

名义上无水矿物中微量结构水的分析方法研究进展

在地球内部,氢主要以羟基和分子水的形式存在于矿物和熔体中,构成各种活动和不活动的富水组分.对于含水矿物来说,氢主要占据正常的结构位置,是矿物化学式中不可或缺的一部分.对于名义上无水矿物来说,尽管其化学式中不含氢,但是在矿物结构位置和晶格缺陷中可以含有微量的结构水和分子水.矿物晶格缺陷中的流体/熔体包裹体可含有可观量的水.尽管名义上无水矿物的水含量很有限,通常在ppm量级,但是这些微量水对矿物乃至岩石体系的诸多物理化学性质均会产生极其显著的影响.伴随现代分析技术手段的不断改进和提高,针对名义上无水矿物中结构水含量及其氢同位素组成的探测表现为朝着更高的空间分辨率、更低的检出限以及多种分析方法综合应用的方向发展.迄今为止,显微红外光谱仍然是名义上无水矿物中结构水观察的最主要手段,此外离子探针、连续流质谱法和弹性反冲探测分析技术等亦得到了更广泛的应用.本文简要回顾近年来这些分析方法的研究进展及其应用情况.

俯冲带榴辉岩中水的赋存机制及其溶解度的控制因素

榴辉岩是俯冲带重要的高压—超高压变质岩石类型之一,其主要组成矿物为石榴子石和绿辉石,是名义上无水矿物(NAMs)。随着板片俯冲过程中温度压力的升高,富水流体被释放,但榴辉岩中的石榴子石和绿辉石仍然可以携带一定量的水,成为水向地球内部传输的重要载体。在超高压岩石折返过程中,由于压力的降低,石榴子石和绿辉石中的水以羟基出溶的方式释放,能够引起高压变质岩石的退变质甚至同折返岩浆等一系列重要地球动力学过程。文章论述了矿物含水性的研究方法、石榴子石和绿辉石中水的赋存机制、水溶解度的控制因素(例如化学组成、压力、温度、水逸度、氧逸度等)以及板片俯冲/折返过程中榴辉岩水的行为,在此基础上凝炼当前研究中面临的科学问题展望了未来的研究方向。

深部地球中水的分布和循环

深部地球中的主要物相(橄榄石、辉石、石榴石等及其高压相变产物)是理想化学式中不含H的“名义上无水矿物”,以缺陷形式存在于它们结构中的OH/H2O(统称为结构水)的发现是近二十年来地球科学领域最重要的进展之一。从天然样品的观察和高温高压实验结果来看,深部地球矿物中普遍含有结构水,其总量可能远远超过了水圈。水在深部地球不同层圈中的分布可能具有时间上和空间上的不均一性。在板块俯冲过程中,即使温压条件超过了含水矿物的稳定范围,名义上的无水矿物(如石榴石、辉石等)也可以携带大量的水(质量分数至少数百10-6)进入深部地球,构成了壳幔之间水循环的重要途径。

地球深部的水

地球内部水的分布与循环对了解地球内部的物理化学性质、地球动力学和地球的演化起着重要的作用.本文综述了地球内部水含量的探索方法、存在状态、地球各个层圈水的储存能力、高温高压下矿物中的溶解度以及地球物理观测(大地电磁和地震波)结果等方面的研究进展.研究结果表明,地球内部储存的水可能超过了地球表面大洋水的数倍.微量的水能够引起地震波速度的降低和电导率的显著增加.

地幔转换带中的水及其地球动力学意义

综述了近20年国际上地幔转换带中水的研究进展。前人研究表明,地球深部的水主要以OH-(hy-droxyl)形式存储在名义上无水矿物(NAMs)中。高温高压实验研究表明,地幔转换带中的主要矿物均具有较高的储水能力,且在转换带的温压条件下,其储水能力随着温度的升高而降低,其中瓦兹利石(β-Ol)和林伍德石(γ-Ol)的储水能力为2%～3%,超硅石榴子石(Mj)的储水能力为0.1%左右,据此估算地幔转换带的储水能力约为1.2%～1.91%,是地表水总量的3.9～6.2倍;而转换带除外的上地幔和下地幔主要矿物的含水量或储水能力均小于0.1%,因此与上、下地幔相比,地幔转换带可能是地幔的主要储水库。尽管地幔转换带具有较强的储水能力,但对地幔转换带的实际含水量还存在干、湿两方面的地质和地球物理证据和争议。地幔转换带中的水会对转换带中一系列的过程产生重要影响,当水含量增加时,橄榄石(Ol)向β-Ol、γ-Ol分解以及超硅石榴石的分解反应分别向低压、高压和低压方向迁移,从而由橄榄石向β-Ol和γ-Ol分解两个相变反应界定的转换带宽度也会增加;水还会使地幔深部的部分熔融温度降低,熔体的密度降低;同时,水的加入可以很好地解释地幔岩"pyrolite"模型在410km不连续面处产生的与地震波测量不相符突变,也可以解决全地幔对流模式所不能解释的地幔成分分层问题。因此,深入研究和探讨转换带中的水对地球深部动力学过程的影响,包括中国东部地区受太平洋板块深俯冲作用的影响,均具有重要的约束和研究意义。

地球深部水循环的动力学机制与相关问题研究进展

地幔转换带是上下地幔的过渡区域,其内部发生的地质过程深刻影响着相关的地球动力学过程。俯冲带作为壳幔相互作用最强烈的地区之一,所产生的广泛分布在地表的大陆溢流玄武岩是研究壳幔循环动力学机制的重要对象之一。地幔转换带中含有相当数量的水,都赋存在名义上无水矿物之中,通过俯冲作用引发的残余板片脱水产生的流体交代大陆岩石圈,所产生的大陆玄武岩具有弧型特征的地球化学信息,使得在判别大陆玄武岩与岛弧玄武岩时容易误判。传统的玄武岩构造判别图在区分2类玄武岩(CFB、IAB)时判别精度不够高,可以通过敏感元素进一步划分,所以需谨慎地使用构造判别图。新提出的地幔转换带水过滤器模型将地球深部水流体循环、大规模陆内岩浆作用和超大陆拼合与裂解组成了一个体系。这个模型揭示了超大陆的聚合潜在地导致了含水大洋板片在地幔转换带内的积累,并且可能改变了地幔对流的模式。

基于数据科学方法的岩石行星地幔储水能力的研究:地球、火星和系外行星

名义无水矿物(NAMs)是岩石行星地幔中水的主要载体,研究地幔中主要NAMs的水溶解度可以帮助我们估测岩石行星地幔理论上的储水能力,并间接约束其内部的实际含水量。通过统计和统计学习算法等数据科学方法,本文旨在介绍并总结前人对地球、火星和系外行星地幔储水能力的模拟研究工作。本文首先回顾了岩石行星地幔储水能力的热力学理论模型;然后围绕地球和火星的两个实例研究,探讨了如何使用包括稳健回归拟合、蒙特卡罗方法和自助聚集算法等方法,把原子尺度的水溶解度实验数据点和其测量误差转化成行星尺度的储水能力模型;接着介绍了系外行星观测的大样本数据是如何帮助我们理解系外岩石行星储水能力的统计学性质;最后讨论了数据科学方法在矿物物理学研究中的局限性,并对如何更好地将统计及统计学习算法与矿物物理数据研究相结合作出展望。

地幔中水的存在形式及影响——高温高压实验研究进展

深部地球是一个巨大的水储库,目前对硅酸盐地幔中水的存在形式,分布特征等多重认识,很大程度上得益于高温高压(High-P/T)实验研究。高温高压实验拓展了对深部地球的探索,丰富了人们对地球内部水循环的认识。本文主要结合高温高压实验技术,从水在硅酸盐地幔中的存在形式及其对硅酸盐地幔的影响,对地幔中水的研究现状和主要认识进行阐述。

研究玄武岩含水性的地质意义

构造环境不同造成了玄武岩的多样化起源,如岩石圈地幔、地幔过渡带、软流圈等。关于玄武岩起源问题,前人给出的结论多数未考虑源区的含水性对其起源的影响。由于单斜辉石可以有效保留地幔源区原始水含量信息,故而可以通过水在玄武岩单斜辉石斑晶与岩浆之间的分配系数,来获得玄武岩原始岩浆的水含量,进一步为研究玄武岩源区问题提供窗口。

大陆岩石圈地幔中水的分布和大陆稳定性

岩石圈地幔是影响大陆演化和稳定性的最重要层圈之一.水对于矿物/岩石的许多物理化学性质有显著影响,研究水在大陆岩石圈中的分布是大陆动力学的主要内容之一.本文简要评述了近年来在大陆岩石圈地幔中水的赋存方式、大陆岩石圈地幔中水分布的时空不均一性、水与大陆稳定性之间的联系3个方面的研究进展,并指出了该领域今后应着重加强的研究方向.

大别山金河桥超高压榴辉岩石榴石中的水

名义上无水矿物的水含量研究对于认识俯冲带流体活动和地球动力学具有重要意义.对大别山金河桥榴辉岩中石榴石进行了傅里叶变换红外光谱分析和主微量元素分析,结果表明石榴石含有分子水和结构羟基,分别为<1×10-6~1946×10-6和<1×10-6~1347×10-6.石榴石羟基含量与Ca、Na、Ti、Zr和Pr正相关,而与Si负相关,表明羟基结合机制以水榴石替代为主并伴有其他机制.分子水主要为初始水或折返过程中羟基转化形成.石榴石总水含量为<1×10-6~3293×10-6,最大值对应于峰期超高压石榴石水储存能力.水在峰期石榴石中可达到饱和.石榴石变化的水含量受原岩性质、流体可获得性、压力和温度等多种因素控制,但主要由折返过程中降压脱水导致.石榴石平均总水含量为749×10-6~1164×10-6,是俯冲板片向地幔水传输的重要介质.