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。

干的基性大陆下地壳部分熔融:对C型埃达克岩成因的制约

C型埃达克岩通常被认为是基性下地壳高压下石榴子石残留时的部分熔融产物,其依据主要来自含水玄武质岩石在高压下部分熔融的实验结果.但是因为大陆基性下地壳一般不含大量的水,这些含水实验的结果不能用来说明干的下地壳的熔融过程.由于目前尚缺乏关于干的基性岩石部分熔融的系统的实验数据,本文用MELTs程序来模拟干的基性下地壳在1～2GPa下的部分熔融.模拟和实验资料均表明,无论压力如何变化(1～3GPa),熔融比例超过20%时,干的基性下地壳大比例部分熔融不能产生C型埃达克岩的高硅含量(～70%).虽然1～2GPa时,文献中有限的几个干的基性岩石熔融实验结果显示,低比例熔融(<10%)不能产生高硅的岩浆,但是MELTs程序模拟显示压力高于1.8GPa时,如果熔体的SiO2含量主要由残留的石榴子石控制,低比例熔融则可以产生少量高K2O/Na2O的英安质熔体.模拟进一步说明,压力低于1.8GPa时,大量斜长石在残留相的存在使得熔体的SiO2(<62%)远远低于中国东部出露的高硅C型埃达克岩.考虑到产生高硅熔体需要的高温和深度以及极端亏损重稀土的性质,我们推测这种熔体很容易受到其他壳源岩浆的混染,这可能导致在地表出露的真正的由榴辉岩熔融形成的C型埃达克岩非常有限.高Sr/Y和La/Yb可以由包括石榴子石作用的多种因素(产生例如继承源区和单斜辉石分异),因此用这两个指标判别是否为埃达克岩是有问题的.我们提出强烈的中重稀土分异(例如高的Gd/Yb)以及高度右倾的稀土元素分配模式可能是判别石榴子石的作用以及埃达克岩的更好的指标.另外,由于熔体的Eu异常取决于源区性质,岩浆体系的氧逸度,以及斜长石和基性矿物之间的比例,Eu异常不能简单地用来指示斜长石在岩浆过程中的作用.

地幔条件下斜方辉石高压相的弹性性质:对X不连续面成因的启示

位于深度250~350km的X不连续面具有2~8%的波阻抗跳变和较弱的深度-温度相关性,其成因尚未完全清楚.在各种可能机制中,柯石英-斯石英相变由于具有大的波阻抗跳变逐渐成为一种主流的机制.然而,单一的柯石英-斯石英相变不足以解释X不连续面深度-温度的弱相关性特征.而斜方辉石(OPX)到其高压相(HPCPX)的相变对应的波阻抗差较小,因此在近期的多个地震学研究中均将其排除在备选机制之外.但这个小的波阻抗差是基于Birch定律的一阶估计,并非来自直接的声波测量.文章用第一性原理计算获得了纯镁端元的斜方辉石高压相在高温高压下的弹性性质.结果表明,OPX-HPCPX相变会造成5.7%的P波波阻抗跳变和6.9%的S波波阻抗跳变,远大于之前的经验估计,因此OPX-HPCPX相变机制不可忽略.在热或湿的区域榴辉岩可能发生部分熔融从而产生富硅熔体,这将消耗二氧化硅并促进OPX的富集,由此提出柯石英-斯石英相变和OPX-HPCPX相变可能都是X不连续面的主要机制,前者在榴辉岩难以熔融的区域占主导地位,后者在榴辉岩发生部分熔融的区域占主导地位.该模型与地震学观测一致,表明OPX-HPCPX相变在X不连续面成因中的重要作用以及榴辉岩部分熔融的广泛发生.文章提出的X不连续面的成因机制为认识地球深部榴辉岩的熔融状态提供了一种新的可能途径.