高温高压实验揭示俯冲带蛇纹岩熔融行为与高镁岩浆成因

近年来一些研究在岛弧岩浆中发现了蛇纹岩组分,这表明俯冲至弧下的蛇纹岩不仅为地幔楔提供流体,而且可以通过部分熔融参与岛弧岩浆形成。然而,蛇纹岩在地幔楔中的熔融行为及其在俯冲带物质循环中的作用仍未进行深入研究。因此,本研究选择3种蛇纹岩样品:蚀变原岩分别为二辉橄榄岩(SE2)和方辉橄榄岩(SE3)的天然蛇纹岩,以及模拟含有大量滑石的合成蛇纹岩样品(SEQ),在700~1300℃和4 GPa的温度压力条件下进行了模拟实验,限定了蛇纹岩的熔融温度,分析了实验产生的熔体成分。研究发现,不同类型蛇纹岩的固相线存在显著差异,SE3、SEQ和SE2蛇纹岩的固相线分别为900~960℃、960~1100℃以及1150~1200℃。这3种蛇纹岩的固相线均高于俯冲板片上表面的温度,要求蛇纹岩通过底辟作用进入地幔楔以发生部分熔融。根据实验结果,本研究认为SE2和SEQ蛇纹岩可以在地幔楔底部相对较低的温度条件下(960~1100℃)即发生熔融,产生科马提质岩浆;而在上覆地幔楔更高温度条件下(>1200℃),SE2蛇纹岩可以发生更广泛、更高程度的部分熔融,产生玻安质岩浆。

不同构造环境下蛇纹岩化作用的对比——以西南天山和北祁连造山带为例

蛇纹石含水量约为13%,是地球上重要的含水矿物,广泛分布于洋底、俯冲带、弧前等环境。同时,海水、俯冲带衍生流体中的活动性元素(B、Li、As、Sb、Pb、Cs、U、Sr、Ba)也可随蛇纹石化作用而富集在蛇纹石中。因此,蛇纹石可以作为流体和流体活动性元素的载体参与不同的地质过程。然而,不同的构造环境有不同的温度压力、水岩比值、流体性质、氧化还原条件。不同环境下的蛇纹石化作用,不仅会形成不同种类的蛇纹石(例如利蛇纹石,叶蛇纹石),也有可能会导致蛇纹石的元素富集特征不同,这就需要进一步研究流体活动性元素的地球化学行为和元素富集特征。基于对世界范围内不同环境蛇纹岩数据资料的整理分析,结合西南天山和祁连山两个典型造山带的蛇纹岩样品,我们发现深海蛇纹岩与俯冲带蛇纹岩,B、Ba、Cs表现出不同的富集特征:①深海蛇纹岩具有明显更高的B元素含量,可能反映了B在低温下更容易进入到蛇纹岩中;②俯冲带以及弧前环境下形成的蛇纹岩由于可能有沉积物的输入,Ba、Cs的含量相对较高。这一结论有助于以后通过蛇纹岩的元素地球化学特征反演其相对的构造环境。

钛粒硅镁石:冷俯冲带蛇纹岩超高压变质的特征变质矿物

蛇纹岩矿物组合简单,主要组成矿物蛇纹石的温压稳定范围很大,这导致确定蛇纹岩的变质温压条件存在困难。本文通过实验岩石学模拟的方法,确定了钛粒硅镁石是蛇纹岩经历超高压变质的特征变质矿物。根据实验观察,压力达到3.0~3.5 GPa条件下,600~700℃范围内均存在钛粒硅镁石的生成反应,说明钛粒硅镁石在压力大于3.0~3.5 GPa条件下才能稳定;温度高于750℃,钛粒硅镁石开始减少直至消失。至于钛粒硅镁石的压力上限,由于实验条件所限,本次实验并未得出。钛斜硅镁石先于钛粒硅镁石出现,晚于钛粒硅镁石消失,稳定的温压范围更大。对实验样品观察发现,普遍存在钛粒硅镁石、钛斜硅镁石和橄榄石互为核边、互相交生的现象,这些实验现象与自然界中观察到的现象一致。低温高压条件下,由于这3类矿物结构的相似性,钛斜硅镁石与橄榄石通常出现互为核边的现象;随着温度升高,钛斜硅镁石以斑块或者片晶出现在橄榄石中,直至最终分解消失。钛粒硅镁石的出现与否取决于温压条件:低温低压条件下,钛粒硅镁石不稳定,发生分解产生钛斜硅镁石,出现钛斜硅镁石包裹钛粒硅镁石的现象;低温高压条件下,钛粒硅镁石稳定生长,出现钛粒硅镁石发育于钛斜硅镁石边部的现象;高温条件下,钛粒硅镁石不稳定,以片晶形式存在于橄榄石或钛斜硅镁石中。研究表明,钛粒硅镁石稳定于低温高压条件,确定其为冷俯冲带蛇纹岩超高压变质的标志。同时详细的岩相学显示了钛硅镁石矿物在高压变质过程中的行为,从而为俯冲带超基性岩变质研究提供理论依据。

马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山角砾蛇纹岩流体流动性元素富集特征及影响因素

马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山被认为是认识俯冲作用的直接窗口,其发育的角砾状蛇纹岩富含的流体流动性元素(FMEs)记录了引起蛇纹石化作用的流体和俯冲带的流体-岩石相互作用及元素循环等信息。本文整理了马里亚纳弧前物源深度逐渐增加的5座蛇纹岩泥火山(Yinazao、Fantangis?a、Asùt Tesoru、South Chamorro和Conical)发育角砾蛇纹岩的FMEs数据,通过不同泥火山、同一泥火山不同深度样品及同一块状样微区子样品间的FMEs特征对比,分析了蛇纹岩泥火山引起的蛇纹石化作用的流体性质、来源和形成机制。5座蛇纹岩泥火山角砾蛇纹岩的FMEs均较亏损地幔(DM)显示富集特征:B、Cs、As强烈富集(常>100×DM),Li、Rb、Sb中等富集(>10×DM),Ba、Sr、Pb弱富集(<10×DM)。浅源泥火山角砾蛇纹岩中B、Sr、Ba、Pb含量最高,且由浅源至深源泥火山其含量呈逐渐减少的趋势。而Li、Rb、Cs、As、Sb含量显示相反特征,浅源泥火山的角砾蛇纹岩中含量最低,且从浅源到深源泥火山其含量逐渐增加。不同泥火山角砾蛇纹岩FMEs具有系统性变化特征,反映了俯冲板片衍生流体是其发生蛇纹石化作用的主要流体。离海沟较近的泥火山下部俯冲板片成岩作用以蛋白石脱水为主,形成的板片衍生流体极富B,略富Li、Ba、Sr、Pb;离海沟较远的泥火山下部俯冲板片成岩或进变质作用主要为碳酸盐矿物分解和少量蚀变洋壳脱水及黏土矿物转化,板片衍生流体富Ba、Sr、Li、Rb、Cs;居于上述2类泥火山之间的泥火山,下部俯冲板片主要成岩作用为黏土矿物脱水及转化,板片衍生流体以富集B、Li、Rb、Cs、Ba为特征。海底以下深度<50 m的样品FMEs含量最高,指示海水风化对FMEs含量有一定影响,尤其是B、Sr。同一块角砾蛇纹岩不同微区结构的FMEs含量不同,纯蛇纹石区域其含量最高,指示蛇纹石化产物对FMEs有一定影响;绢石结构中Li、Rb、Cs含量高于橄榄石蚀变的蛇纹石,说明原始矿物类型也对部分FMEs富集有一定影响。

台湾利吉混杂岩中蛇纹岩伴生碳酸盐岩地球化学特征及其成因分析

随着全球气候变暖,生命元素C在地球各个系统的循环受到了越来越多的关注,俯冲带是地表C和深源C循环的重要场所,发育于俯冲带的蛇纹岩伴生碳酸盐岩和渗漏流体对生命的起源及全球C循环研究具有重要意义。台湾地区东部(简称台东)海岸山脉新生代利吉混杂岩中发育具有沉积特征的蛇纹岩碎屑角砾岩及具有较轻C同位素组成的伴生碳酸盐岩,其成因可能与马里亚纳弧前海底蛇纹岩泥火山和自生碳酸盐岩相似。本研究对台东3个蛇纹岩出露点发育的碳酸盐岩脉进行岩石学、矿物学及地球化学分析,探讨蛇纹岩伴生碳酸盐岩脉的成因。台东利吉蛇纹岩角砾碎屑岩伴生的碳酸盐岩,发育泥微晶团粒、凝块以及放射纤维状方解石和草莓状黄铁矿,总有机碳含量较高(0.11%~0.25%),可能与微生物介导的CH4厌氧氧化作用有关。利吉桥头剖面蛇纹岩巨砾中的方解石脉δ13C为-17.8‰~0.7‰,十三领碳酸盐岩δ13C为-12.8‰~-10.7‰,指示碳源很可能包括无机成因CH4的氧化与海水源碳的混合。虎头山蛇纹岩角砾中方解石脉δ13C为-3.4‰~2.9‰,指示碳源主要来自海水。这2类方解石脉大多具有平坦型REE配分模式和Eu异常特征,指示方解石脉可能形成于蛇纹岩泥火山海底蛇纹岩化流体渗漏环境。方解石脉显示Ce负异常与无异常特征,表明了复杂多变的氧化还原环境。因此,台东碎屑蛇纹岩中伴生碳酸盐岩脉可能是蛇纹岩化渗漏流体在海底附近与海水混合所致,部分可能存在无机成因CH4的微生物厌氧氧化作用的参与。

高温高压下蛇纹岩脱水的弹性特征及其意义

为了了解蛇纹石在脱水过程中的弹性性质 ,在 1 0GPa和同时加热条件下 ,利用脉冲透射法对采自云南双沟街的蛇纹岩进行了超声测量 .实验发现 ,当温度升高至 640℃时 ,蛇纹岩的超声波纵波速度随温度的升高而急剧下降 .温度继续升高 (70 0℃以上 ) ,样品在高压腔中爆炸 .通过对超声波速下降时和样品发生爆炸前的超声波波形的比较发现 ,随温度升高超声波振幅有了明显的增大 .实验产物的鉴定并与前人相关实验结果比较表明 ,蛇纹岩在高压高温下波速的突然下降和振幅增大与样品中蛇纹石发生脱水反应有关 .目前还不能准确解释超声波振幅增大的原因 ,但上述现象的发现为探讨深部地质灾害的成因并对其进行监测提供了一个新的线索 .

EDTA、小分子有机酸对蛇纹岩发育土壤Ni、Co活性的影响

研究了不同浓度的EDTA、柠檬酸以及丙二酸对蛇纹岩发育土壤中Ni、Co活性的影响。结果表明:在供试土壤中,Ni、Co的活化量随着EDTA、有机酸浓度的增大而增大,EDTA的活化效果大于其它两种小分子有机酸。同时也发现随着浓度的增大,EDTA与重金属的结合效率有下降的趋势,柠檬酸与丙二酸的结合率则呈现先上升后下降的趋势。EDTA对土壤的重金属萃取的最佳浓度约在1-10mmol/l之间。柠檬酸、丙二酸活化土壤中Ni、Co的最佳浓度浓度范围在10-30mmol/L之间。

高静载条件下受频繁动力扰动时蛇纹岩动力学特性研究

基于改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)岩石动静组合加载试验系统,进行了在不同静力轴压条件下受频繁动力扰动作用的动力学试验,研究蛇纹岩在高静载下受频繁冲击扰动过程中的动态变形特性、动态峰值应力和应变、能量变化规律和岩石破坏模式等动力学特性。研究结果表明:高静载条件下受频繁冲击扰动作用时,在动态峰值应力前,动态应力与应变呈正相关关系,而在动态峰值应力后,出现变形回弹和不回弹两种现象;随着动力扰动次数的增加,岩石动态峰值应力减小、动态峰值应变增大、动态变形模量减小、岩石由释放能量向吸收能量方向转化;随着预加静力轴压的增大,单次冲击过程中岩石损伤加剧,岩石破坏需要的扰动冲击次数减少,同时岩石由拉伸破坏模式向压剪破坏模式转变,破坏块度由小变大、均匀度降低。试验结果对揭示深部岩体承受高地应力和频繁开挖爆破等动力扰动作用下的破坏机制具有重要意义,同时为工程实际中通过调整围岩静应力状态和爆破以提高围岩长期稳定性的可行性提供了室内试验支持。

一维静载与频繁扰动共同作用下含铜蛇纹岩动力学特性

基于冬瓜山铜矿深部开采面临的高应力集中及爆破扰动的问题,采用改进的SHPB岩石动静组合加载试验系统,进行了含铜蛇纹岩在一维静载与频繁扰动共同作用下的动力学试验,研究其动力学特性。研究结果表明:预加轴压促使岩石内部微裂纹完全闭合时,岩石动态应力-应变曲线初始阶段不出现下凹现象,否则出现;岩石内部存储的弹性力大于扰动冲击应力时,岩石动态应力-应变曲线峰值应力后会出现回弹现象,否则不出现;动态峰值应力、动态变形模量随扰动冲击次数的增大而减小,60%单轴抗压强度的轴压时峰值应力最大;峰值应力均值随轴压的增大先增大后减小;最大应变、峰值应力对应应变随扰动冲击次数的增大而增大;累计扰动冲击次数最大值与均值都随轴压增大呈一元四阶多项式关系递减。

俯冲带蛇纹岩的变质过程

俯冲带蛇纹岩是俯冲带流体的重要来源,特别是其深部脱水作用对地幔动力学影响深远,是研究俯冲带约80-200km深度范围的地球动力学的关键,因此研究蛇纹岩的变质作用过程及其相关特征矿物（组合）的温压稳定范围具有重要意义。蛇纹岩具有简单的矿物（组合）：蛇纹石类、硅镁石类、磁铁矿、氢氧镁石、绿泥石、橄榄石、透辉石、角闪石、滑石等,并且这些矿物（组合）对温压变化不敏感从而很难用来判定蛇纹岩所经历的变质演化轨迹。近几十年来,研究者通过实验岩石学和野外地质观察,主要研究了蛇纹石类矿物和硅镁石类矿物的温压稳定范围,并且试图使用这些特征矿物（组合）来判定俯冲带蛇纹岩的峰期变质条件。本文总结了蛇纹岩中这些主要矿物的温压稳定范围和相关变质反应,并且以中国西南天山蛇纹岩为例,展示使用特征矿物（组合）和叶蛇纹石Al等值线判定蛇纹岩峰期温压条件在实际岩石中的应用。另外,早期对叶蛇纹石的研究表明：随着温压条件的变化,叶蛇纹石的晶体结构会发生相应的调整。表现为单位晶胞内硅氧四面体的个数（m值）发生变化：温度升高,m值变小;压力升高,m值变大,这个发现在高压实验和天然样品中得到了一定程度的验证。本文利用已知峰期温压范围的叶蛇纹石样品分别采用粉末制样法和离子减薄制样法,进行透射电镜测试（TEM）样品的m值,并通过统计的方法获得叶蛇纹石的m值的峰值。结果显示叶蛇纹石的m值的峰值在一定程度上可以用以指示温压条件。本文提出可以用矿物组合、叶蛇纹石Al等值线和叶蛇纹石m值峰值相结合的方法确定蛇纹岩的变质温压条件和P-T轨迹。

不同温压条件下蛇纹岩和角闪岩中波速与衰减的各向异性

在实验室中研究了蛇纹岩和角闪岩样品在不同温压条件下的纵、横波速度和Q值．这两种岩样对应的主要组成矿物叶蛇纹石和普通角闪石都具有很强的晶格优选方位（LPO）．随着围压的增加，波速和Q值均增大，但是在相互正交的三个方向上（垂直或平行于层理面及线理方向）增大的速度并不相同，这与微裂隙的逐渐闭合密切相关．在600MPa的围压下升高温度直到600℃以上，由于微裂隙的热扩张受到约束，波速和Q值下降幅度很小．观测到的波速和Q值的各向异性具有不同的机理，波速各向异性主要与定向分布的微裂隙和主要矿物的LPO等构造因素有关；高围压下纵波Q值各向异性与速度各向异性正好相反，可能是由于形成层理面的定向排列的平板状矿物晶体沿不同方向边界之间接触程度不同造成的．

云南蛇纹岩发育土壤与植被中重金属含量的分析

对云南蛇纹岩发育土壤进行了植物和土壤的重金属含量调查和分析.结果表明,Ni、Co为土壤中的主要污染金属,在土壤中的含量范围分别为565～4 844 mg/kg和69～481 mg/kg,Cu、Zn含量则在正常范围内;土壤中Ni、Co生物可利用态的含量均较低.统计分析显示,土壤中Ni、Co含量之间存在显著正相关(R=0.794,P<0.01).调查蛇纹岩发育土壤上隶属21科的42种高等植物,并分析其重金属含量,发现植物体内Ni、Co含量也存在显著相关,可能受到土壤因素的影响所致.调查并未发现Ni、Co的超累积植物,但发现此区域存在较多的Ni、Co耐性植物,对Ni矿废弃地的植被重建有一定的研究意义. 图1 表6

西藏班公湖-怒江缝合带中西段康穷蛇纹岩的岩石学、地球化学特征及其构造意义

康穷蛇纹岩出露于班公湖-怒江缝合带的中西段,是康穷蛇绿混杂岩的超基性岩石端元。依据全岩地球化学元素含量,可将康穷蛇纹岩划分为A组和B组2种。两者均富集大离子亲石元素（Rb、Cs）和高场强元素（U、Nb）。经估算,A组蛇纹岩原岩是原始地幔经过10%～17%部分熔融的地幔残留,B组蛇纹岩原岩经历过更高程度的部分熔融（17%～23%）,表明康穷蛇纹岩原岩至少经历过两阶段的部分熔融。初步研究认为,A组蛇纹岩原岩是洋内俯冲初始阶段上涌软流圈地幔部分熔融的地幔残留,受类MOR型熔体交代作用而仍然亏损轻稀土元素（LREE）,却富集U和Nb,属类MOR型地幔橄榄岩;B组蛇纹岩原岩是A组蛇纹岩原岩在洋内俯冲带环境再熔融的产物,受玻安质熔体交代作用而相对富集轻稀土元素,属弧前地幔橄榄岩。两者均发生蛇纹石化作用而转变成蛇纹岩,最终因大洋碰撞闭合而残存于缝合带内,是班公湖-怒江新特提斯洋洋内俯冲演化阶段的岩石记录。

苏鲁超高压变质带仰口蛇纹岩的成因——矿物化学、地球化学和年代学证据

通过矿物化学、全岩主微量元素和铂族元素研究,结合锆石年代学判断苏鲁造山带仰口蛇纹岩的原岩成因和演化历史。蛇纹岩中尖晶石经历了多阶段变质;全岩主量元素具有超基性堆晶岩的性质,代表玄武质组分含量的Ca O+Al_2O_3变化于2.0%~5.83%之间;部分不相容微量元素富集;铂族元素中Ir的含量低(0.64×10^(-9)~1.43×10^(-9)),Pd/Ir值高(1.05~3.42)。蛇纹岩中的锆石一部分为新形成的变质成因锆石(年龄平均为230±3Ma),与高压-超高压变质的年代吻合;另一部分可能是在三叠纪变质阶段古老锆石重结晶形成的。由此认为,仰口蛇纹岩的原岩可能为超基性堆晶岩,三叠纪时随着俯冲的扬子板块发生变质,在发生蛇纹石化作用之前经历了熔体/流体的改造。

四川彭县白水河地区蛇纹岩的地质特征

研究区的蛇纹岩以构造就位的方式就位于具岛弧环境的白水河群变质岩系之中，其常量元素和微量元素地球化学特征表明，其原岩成分相当于蛇绿岩层序底部的变质橄榄岩，是地幔的残余。它是在岛弧与扬子古陆相互碰撞过程中形成的。

小分子有机酸对蛇纹岩发育土壤Ni、Co的活化影响

研究了不同浓度的柠檬酸、草酸、苹果酸对蛇纹岩发育土壤镍(Ni)、钴(Co)的活化效果.结果表明,在较低浓度(<10mmol/L)时,3种有机酸对土壤中的Ni、Co活化效果均较差.柠檬酸对元江、墨江土壤Ni的最大活化比例分别为9.1%、12.9%,远大于其他2种有机酸(P<0.05).各有机酸活化能力的大小为柠檬酸>草酸>苹果酸,同时Ni、Co活化量之间存在一定的相关性.基于结合率与Ni、Co活化量的考虑,在蛇纹岩发育土壤的化学修复或螯合诱导植物修复中,10～30mmol/L的有机酸是较为适合的浓度.草酸在50mmol/L时,对Ni、Co的活化效果有所降低.

赣东北蛇纹岩中铬尖晶石特征及其形成环境

赣东北蛇纹岩主要分布于该区的蛇绿混杂岩带内，经ICPMS分析发现该区蛇纹岩Cr的丰度达6187×10^-6，电子探针分析发现主要以铬尖晶石类矿物形式存在。铬尖晶石矿物的Cr^#[=100＊Cr／（Cr＋Al）]为60～69，指示其形成环境可能与SSZ型蛇绿岩（supra—subduction zone ophiolite）有关。

蛇纹岩开发与综合利用

蛇纹岩(除蛇纹玉外)应用时主要加工方法有物理加工、热法(焙烧法)、湿法(酸解法)3种。中国从20世纪90年代开始开发研究蛇纹岩各种应用,不完全统计有关论文575篇,发明专利27项。蛇纹岩的研究领域在拓宽,应用范围在扩大,从农业到医药,耐火材料、建材到化工材料,金属镁和镁化合物、单晶硅到硅化合物系列产品,环保产品到玉石产品,均在快速发展。蛇纹岩将具有更好的开发前景和更高的利用价值。

蛇纹岩体中的硬玉岩与异剥钙榴岩

硬玉岩是一种稀少的岩类,常以构造岩包体和脉体的型式产出在蛇纹岩中。本文着重介绍与蛇纹岩化过程密切相关的硬玉岩。这类硬玉岩总是出现在洋壳俯冲碰撞带中,常常与蓝片岩、偶尔也与榴辉岩伴生。通过研究硬玉岩的矿物组合、化学成分和结构构造,综合世界各地硬玉岩产状,可将硬玉岩从广义的变质成因上分为三类,即:在蛇纹岩体中、或其它岩类包体中由交代作用形成的硬玉岩脉体;蛇纹岩中的构造岩成因岩石包体经固相变质作用后形成的块状硬玉岩:以及介于上述两者之间,由变质和交代的共同作用形成的硬玉岩。此外,还对交代成因的硬玉岩在蛇纹岩化过程中与异剥钙榴岩化作用的关系从流体及其化学成分演化的角度进行了分析和研究。提出了在海底和俯冲带上板片的构造背景下硬玉岩形成的模式。

台湾利吉混杂岩中蛇纹岩岩石学和U-Pb年代学及其地质意义

台湾利吉混杂岩位于吕宋岛弧与欧亚大陆发生碰撞(弧陆碰撞)关键地带,是菲律宾海板块和欧亚板块结合带重点研究的区域,其中出露的蛇纹岩可以为研究弧陆碰撞造山过程提供重要细节信息。利吉混杂岩中蛇纹岩岩块原岩为橄榄岩,通过锆石U-Pb年代学分析,得到代表洋壳年龄的橄榄岩形成年龄为17.7±0.5Ma,结合南海洋壳、菲律宾海洋壳年龄和构造背景,判断利吉混杂岩中的蛇纹岩(蛇纹石化橄榄岩)来自马尼拉俯冲系统的弧前盆地,是在利吉混杂岩形成过程中经第二次逆冲混入利吉混杂岩系统的。明确蛇纹岩岩块来源可以为利吉混杂岩形成提供细节信息,为研究弧陆碰撞造山活动和板块运动提供可靠依据。