南苏鲁超高压岩石含柯石英锆石中的流体包裹体

对锆石微区性质、显微结构、激光Raman测试及阴极发光图像的研究结果表明, 南苏鲁中国大陆科学钻探工程主孔片麻岩和退变榴辉岩中的锆石均保存了与柯石英等典型超高压矿物共存于同一变质增生锆石微区中的流体包裹体, 多数为CO₂(气)-H₂O(液)两相, 且以H₂O液相为主的流体包裹体, 少数为单一的H₂O液相流体包裹体, 表明苏鲁地体的榴辉岩及其围岩在超高压变质阶段并非处于“干体系”环境, 而是处在有流体参与的相对“湿体系”环境. SHRIMP定年结果显示, 含柯石英+流体包裹体的变质增生锆石微区的U-Pb年龄为233.7±4.3 Ma, 可能代表了苏鲁地体超高压变质峰期阶段至峰后降压初始阶段锆石生长时间. 其他锆石边的U-Pb年龄为213.2±5.2 Ma, 代表角闪岩相退变质过程中锆石增生的时间. 因此, 苏鲁地体超高压岩石折返过程中的流体活动主要出现在中晚三叠世, 不过在超高压阶段依然存在流体活动. 这些结果不仅为进一步深入探讨超高压变质过程中流体性质、演化以及流体-岩石相互作用机理提供重要的信息, 而且为今后在世界各地超高压岩石中准确识别原生流体包裹体提供了新的研究方法.     

南苏鲁超高压榴辉岩中罕见的原生高密度盐水溶液包裹体

在南苏鲁超高压变质带发现了原生高密度流体包裹体. 这种包裹体在超高压榴辉岩的石榴石中呈孤立和小群分布, 冷冻法确定包裹体的低共熔温度≤–52℃, 在重复冷冻-升温的特定阶段, 液相包裹体中出现气泡, 测得液-气均一温度≤–12.5℃, 由此得到流体成分属CaCl₂-NaCl-H₂O体系, 流体密度为1.27 g/cm³, 在相当于榴辉岩相峰期温度下的压力约为2.4 GPa, 接近超高压变质条件. 这类包裹体在榴辉岩的折返过程中与寄主矿物发生反应, 形成含水硅酸盐矿物, 并使其密度降低, 转变成气液多相包裹体.     

大别山超高压变质带白片岩中的流体包裹体

大别山花凉亭白片岩是一种特殊类型的富镁铝超高压变质岩，其原岩为长英质岩脉，后又在榴辉岩相变质过程中被高压流体交代。根据白片岩中赋存的流体包裹体研究结果，初始高压流体为含CO2的水溶液，证明超高压变质阶段存在CO2－H2O流体；假次生H2O溶液包裹体是在超高压折返阶级被捕获的，而次生H2O包裹体应与超高压折返最晚演化阶段有关。     

阿尔泰山南缘萨热阔布金矿床的纯CO2流体

萨热阔布金矿产于新疆阿尔泰山南缘泥盆系康布铁堡组变质酸性火山岩、火山碎屑岩中, 近矿围岩黄铁矿化、网脉状硅化、碳酸盐化发育, 金的主成矿阶段有黄铁矿-石英阶段(Ⅱ)和多金属硫化物阶段(Ⅲ). 主成矿阶段脉石英中流体包裹体很发育, 显微观察和冷冻法研究表明黄铁矿-石英阶段包裹体类型以液态纯CO₂包裹体(L_CO2)为主, 其密度可高达0.85 ~ 1.07 g/cm³, 其次为富CO₂包裹体(L_CO2-L_H2O), 少量富H2O包裹体(L_H2O-L_CO2). 多金属硫化物阶段脉石英的包裹体类型更复杂, 还有CO₂-CH₄体系的流体, 其固相CO₂ T_m低达-78.1 ~ -61.9℃, T_h,CO2 也很低, 为-33.7 ~ -17.7℃. 高密度CO₂流体的捕获压力估算为150~350 MPa. 激光Raman探针分析证实了纯CO₂包裹体的成分特征. CO₂流体的δ¹³C为-10.725‰ ~ -21.151‰, 与地幔矿物中CO₂流体的δ¹³C值相似. 这些特征均与其他石英脉型或蚀变岩型的热液金矿明显不同. 富CO₂流体还具有区域上的特征, 其来源可能与后碰撞造山过程的地幔脱气作用有关.     

深俯冲大陆板块折返过程中的流体活动

与洋壳俯冲过程中释放大量流体引起同俯冲岛弧岩浆作用、形成石英脉和变质矿床等现象相比, 陆壳俯冲过程以相对缺乏流体为特征. 但是在深俯冲陆壳的折返过程中, 含水矿物分解、原生包裹体爆裂和结构羟基出溶能够产生可观的含水流体, 成为碰撞造山带变质作用、岩浆作用乃至成矿作用研究的重要目标之一. 根据对大别-苏鲁造山带超高压变质岩中流体活动程度和总量的研究, 发现深俯冲陆壳折返过程中的流体活动具有如下效应: (1) 弥散式流体流动导致广泛的角闪岩相退变质; (2) 隧道式流体流动在榴辉岩内部形成高压石英脉; (3) 聚集式流体流动引起上覆岩石部分熔融, 在造山带内部形成同折返岩浆岩. 由超高压矿物降压释放羟基所形成的含水流体以低盐度为特征, 并且能够形成弥散式或隧道式流体流动. 因此, 研究超高压岩石折返过程中的流体活动, 不仅对于认识陆陆碰撞造山带的地球动力学过程, 而且对理解壳幔物质再循环及其有关的岩浆作用具有重要意义.     

山东临朐新生代地幔捕虏体中的流体/熔体包裹体：软流圈-岩石圈相互作用的信息

橄榄岩捕虏体中的流体(熔体)包裹体是研究地幔流体的最直接样品. 应用流体包裹体显微测温学和激光拉曼技术, 研究了山东临朐乔山地幔橄榄岩捕虏体中的各类流体(熔体)包裹体(早期富CO₂流体包裹体和碳酸盐熔体包裹体, 晚期富CO₂流体包裹体和硅酸盐熔体包裹体). 其中早期富CO₂流体包裹体多为高密度纯CO₂流体包裹体, 部分含有石墨, CO, N2, 菱镁矿等多种杂质. 两期流体包裹体的最小捕获压力分别为1.42 GPa和0.80 GPa. 由于碳酸盐熔体包裹体的寄主矿物主要是斜方辉石, 据此推测碳酸盐熔体的形成可能与CO₂流体和橄榄石、单斜辉石之间的反应有关. 富CO₂流体包裹体中杂质组分的多样性说明橄榄岩曾经经历与流体/熔体灌入有关的氧化还原反应. 乔山地幔捕虏体的流体(熔体)包裹体证据说明该区陆下岩石圈地幔曾经被软流圈来源的富CO₂流体/熔体所改造.     

大陆俯冲带流体活动和元素迁移:大别-苏鲁超高压变质岩和变质脉的研究

大别-苏鲁超高压变质岩和变质脉的岩石学及地球化学研究表明,在大陆俯冲带流体-岩石反应过程中,伴随着显著的元素迁移和同位素分馏.大别-苏鲁造山带高压脉中单矿物(如金红石和多硅白云母)具有明显的生长环带,指示变质脉是流体-岩石相互作用的结果.较高的流体/岩石比和强烈的二者相互作用是导致Nb-Ta迁移和分异的主导因素.对中国大陆科学钻探主孔石榴橄榄岩、榴辉岩和变质脉的Li和B同位素地球化学研究,表明在陆壳深俯冲和折返过程中Li和B发生了明显的分馏且表现出不同的地球化学行为.富集Si,Al,Na,LILE(如Rb,Ba和Sr)和HFSE(如Nb,Ta和Ti)的高压变质脉的存在以及不同岩性接触带高度变化的地球化学特征指示,在峰期超高压变质条件下可能形成了超临界流体,它对微量元素的迁移起到了非常重要的作用.     

荣城榴辉岩的氧同位素组成

荣城3类经历过超高压变质的榴辉岩具有明显不同的氧同位素组成. 产于区域片麻岩和超镁铁岩中的榴辉岩具有通常榴辉岩的氧同位素组成, 而产于大理岩中的榴辉岩特别富集¹⁸O. 各类榴辉岩的石英-石榴石氧同位素温度大体指示榴辉岩的形成温度, 由此估计榴辉岩的峰期变质温度平均略高于800℃, 与其他地质温度计估计的温度基本一致. 荣城杨官屯大理岩中榴辉岩包体的δ¹⁸O值远比大别山和苏鲁地体其他地区的榴辉岩(包括大理岩中的榴辉岩包体)都高. 矿物的氧同位素分析结果表明荣城的榴辉岩形成温度总体上高于大别山和苏鲁西南部地区, 而不同矿物对估计的同位素温度数据分散反映该地区超高压榴辉岩抬升期间普遍遭受过叠加变质作用.     

苏鲁榴辉岩钾长石+石英聚合体中重晶石矿物及其意义

在苏鲁超高压榴辉岩的绿辉石中, 发育具有柯石英(?)假象的自型或半自型钾长石+石英多晶聚合体. 在钾长石和石英中, 发育半自型或浑圆状的重晶石. 重晶石的大小普遍小于1 μm, 个别可达3~5 μm. 利用扫描电镜的能谱分析(EDS)对重晶石进行了矿物化学测试, 结果表明, 这些重晶石的SO₃变化范围较小为33.86%~41.12%, SrO和BaO的变化较大, 分别从0~34.65%和24.12%~63.55%; SrO与BaO呈近乎线性负相关关系, 说明它们是重晶石(BaSO₄)和天青石(SrSO₄)的固溶体; 它们的Sr/Ba摩尔比值高度变化, 从0~2.1. 榴辉岩中以包裹体形式存在的重晶石不仅表明了大陆地壳物质深俯冲作用伴随着明显的氧化作用, 而且表明了有限的流体作用使它们在退变质作用过程中保存下来的主要因素.     

深俯冲陆壳岩石部分熔融与苏鲁超高压榴辉岩中长英质多晶包裹体的形成

在苏鲁超高压榴辉岩中, 石榴石和绿辉石包含两类长英质多晶包裹体. 第一类由钠长石、石英和少量钾长石组成; 第二类主要由钾长石和石英组成, 不含钠长石. 在超高压基性榴辉岩中, 长英质多晶包裹体的存在进一步表明: 在快速折返早期, 深俯冲大陆地壳物质发生过明显的云母(钠云母或多硅白云母)部分熔融作用, 形成含水的纯花岗质Na-K-Al-Si熔体. 这些熔体被重结晶的石榴石或绿辉石捕获, 发生脱水结晶作用, 形成含长石和石英的多晶聚合体. 长英质熔体的存在不仅导致流体中活动元素, 如大离子亲石元素(LILE), 而且是导致流体中不活动元素, 如高场强元素(HFSE)迁移的重要机制. 同时深俯冲大陆岩片的部分熔融作用有效地改变了岩石的物理性质, 是强化深俯冲岩石快速折返的重要因素之一.     

西天山高压-超高压变质带折返过程中的流体活动证据:高压脉体和异剥钙榴岩

西天山造山带以发育蓝片岩和低温榴辉岩著称,蓝片岩中的大量榴辉岩相脉体记录了蓝片岩-榴辉岩相转变时的流体活动.详细的野外调查发现,西天山超高压榴辉岩内也发育了大量的高压脉体,而与蛇纹岩伴生的榴辉岩则受到了明显的异剥钙榴岩化改造,这些都是俯冲带变质作用过程中流体活动的直接证据.超高压榴辉岩内发育的高压脉体主要有3种类型,分别为绿辉石脉、石英脉和黝帘石脉,这些脉体不同程度地切穿了早期的面理.脉体石榴石是物理迁移的结果,而其他脉体矿物如榍石、绿辉石、黝帘石、白云石和磷灰石等,是从高压流体中晶出的.高压流体对钡元素具有富集作用,流体成分在时空上存在不均一性.这些普遍发育的脉体形成于超高压榴辉岩折返阶段,表明在减压过程中也可以发生强烈的流体活动和微量元素迁移.西天山异剥钙榴岩的原岩年龄为-420 Ma,异剥钙榴岩化作用发生在折返阶段(-290 Ma).在部分异剥钙榴岩化阶段,流体富集Ca,Si,Ti,Mn,Nb,Ta,Zr和Hf,亏损Fe,Mg,Na,K,REE,Tb和Y,氧逸度高,流体对岩石的交代作用不彻底,发育不平衡矿物结构;在完全异剥钙榴岩化阶段,流体富集Ca,Mg,LREE,Ni和Cr,亏损Fe,Ti,Rb,Ba,MREE和HREE,流体作用强烈,富水流体相的强烈淋滤作用使大部分元素发生迁移.     

苏鲁地体胡家林石榴橄辉岩中锆石SHRIMP U-Pb年龄及其地质意义

山东省日照市胡家林石榴橄辉岩产于苏鲁超高压变质带中, 其中的锆石主要为柱状和粒状(长/宽 = 1︰1.3~2.5), 晶型较好. 阴极发光(CL)和背散射(BSE)图像显示具岩浆成因的成分环带, Th/U比为0.99~2.81, 为岩浆成因的锆石特征. 14个点的锆石SHRIMP U-Pb年龄分析给出²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄范围为207~223 Ma, 加权平均值为216±3 Ma, 与大别-苏鲁超高压变质岩片折返过程中角闪岩相退变质的时代一致. 石榴橄辉岩在随超高压变质岩片折返过程中被携带到地壳环境, 受到来自超高压岩片内部释放的流体交代, 锆石U-Pb年龄记录了交代所形成的熔体结晶时代. 因此, 深俯冲大陆板块折返过程中的流体释放可能是其中锆石生长的重要流体来源.     

大别-苏鲁造山带橄榄岩的变质和交代过程

详细的岩石学研究表明,大别-苏鲁造山带橄榄岩和辉石岩记录了俯冲带之上地幔楔的交代和变质信息.在苏鲁芝麻坊石榴二辉橄榄岩中识别了七期变质矿物组合,反映了大陆俯冲-碰撞-折返过程中多期的变质和交代作用.大别毛屋石榴斜方辉石岩同样保存了大量的交代结构,高Ni和富集轻稀土(LREE)的斜方辉石核部包裹了早期原岩橄榄石,表明它是俯冲地壳熔/流体与原岩橄榄石在超高压条件下反应的产物.毛屋石榴斜方辉石岩记录了六期变质作用,对应了岩石从浅部地幔楔沿俯冲隧道进入深部地幔楔,最后随陆壳岩石折返回浅部地壳的全部过程.其中石榴石变斑晶核部包裹了大量的以含水矿物为主的角闪岩相多相包裹体,具有高XMg和Ni含量,并富集大离子亲石元素(LILE)和LREE,表明它们是早期岩石在浅部地幔楔与地壳流体交代的产物.角闪岩进入深部地幔楔经历高压和超高压变质,早期含水矿物完全脱水分解,形成超高压石榴斜方辉石岩,释放LILE和LREE富集的流体进入上覆高温地幔楔,从而导致高温地幔楔发生部分熔融并产生岛弧岩浆.     

大陆碰撞过程中地壳深熔的岩石学证据:以苏鲁造山带超高压变质岩为例

岩石学显微结构证据表明,苏鲁造山带西南部超高压变质岩石经历了不同程度的深熔作用.在花岗片麻岩和石英岩中识别出结晶自深熔熔体的锆石,其U-Pb年龄集中在220±2 Ma.少量深熔锆石含有柯石英包裹体,U-Pb年龄主要集中在224±2 Ma,部分与含较低压矿物包裹体的锆石域类似.因此,深熔作用开始于早期折返阶段,部分仍处于超高压变质域.折返过程中多硅白云母脱水熔融是这些岩石发生深熔的主要机制.黝帘石榴辉岩的石榴石和绿辉石中发现了由石英+斜长石±钾长石±重晶石组成的多相固体包裹体.它们具有高钠和变化的钾含量,可能是榴辉岩中黝帘石和多硅白云母脱水分解诱发部分熔融形成,同时深熔过程中有大量绿辉石的参与.超高压变质岩石在地幔深度的部分熔融,可能促进了深俯冲陆壳在俯冲隧道内部的快速折返.     

人工合成H2O及NaCl-H2O体系流体包裹体低温原位拉曼光谱研究

盐水化合物低温时具有特征的拉曼光谱, 已有实验证明这种拉曼光谱适合于判定标准溶液的溶质性质. 人工合成流体包裹体作为天然包裹体的参照物, 可以被用来验证许多涉及流体包裹体的假设的有效性, 也是检验激光拉曼法测定单个流体包裹体溶质性质可行性的关键. 本文采用Sterner和Bodnar提出的方法, 在50/100 MPa, 500~600℃范围内合成了纯H₂O体系和NaCl含量为5.12, 9.06, 16.6, 25wt%的NaCl-H₂O体系的流体包裹体. 联合使用冷热台和激光拉曼探针, 在低温(-180℃)时原位测定采集了冰及水石盐(NaCl·2H₂O)的拉曼光谱. 研究表明合成包裹体的盐水化合物(NaCl·2H₂O)具有特定的拉曼光谱, 可以做为鉴定自然界水-盐体系包裹体中NaCl存在的标准. 包裹体中的水在冷冻后以结晶冰的形式出现, 而不是以非晶质的固体(水玻璃)形式出现. 初次冷冻后采集的原位拉曼谱显示了明显的冰峰(3098 cm^-1), 但没有典型的水石盐拉曼谱峰出现. 随着温度的升高, 在-40~-22℃温度区间观察到明显的相变, 其代表了水石盐的结晶事件而不是熔化事件, 对低于NaCl-H₂O体系低共熔点(-20.8℃)的相转变温度的解释应该慎重. 盐水化合物的拉曼谱与冰的拉曼谱的相对强度及截面之比, 指示出流体包裹体盐度的相对大小. 水石盐的3423 cm^-1峰与冰峰(3098 cm^-1)的峰高、峰的截面积之比是获得NaCl-H₂O体系盐度信息的比较理想的参数.     

大陆深俯冲过程中水分布的不均一性: 大别山碧溪岭榴辉岩中石榴石的红外光谱分析

利用Fourier变换红外光谱技术, 对大别山碧溪岭地区10个榴辉岩中的石榴石进行了详细的结构水分析. 结果显示, 所有的石榴石中都含有以OH^-形式存在的结构水. 结构水含量变化范围大, 为164~2034 μg/g (H₂O), 多数在500 μg/g以上. 因此, 与绿辉石一样, 石榴石也是超高压榴辉岩中重要的携水矿物. 石榴石结构水的含量不仅在同一露头(约150 m)不同岩石样品间存在较大差异, 而且在同一样品(约1 cm)的不同颗粒间也明显不同. 水分布的不均一性表明: (1) 超高压变质过程中自由流体的活动范围是非常有限的(可能在厘米级的尺度上); (2) 板块的俯冲和折返过程都是十分快速的.     

大洋型超高压变质带的地质特征及其研究意义: 以西南天山、柴北缘超高压变质带为例

在总结洋壳深俯冲超高压变质带的基本地质特征的基础上, 较深入地论述了洋壳深俯冲超高压变质作用研究意义和存在的问题. 大洋型超高压变质带的基本特征是以典型的洋壳组合的原岩建造为特征, 其变质作用峰期温度较低属于低温榴辉岩相范围, 在递进和退变过程中出现蓝片岩相变质过程, 具有低的、冷俯冲带的地热梯度, 并且在岩石组合方面常常与蛇绿岩带伴生. 大洋型超高压变质带的深入研究对于建立冷俯冲带变质反应系列, 探讨俯冲带的水流体是如何被带到地幔深处以及建立冷俯冲带超高压变质作用类型都具有重要意义. 深俯冲超高压变质洋壳岩石抬升、折返机制的研究是目前超高压变质作用研究最具挑战性的问题之一, 其深入研究对于探讨超高压变质作用发生机理、建立更加广泛的超高压变质岩石抬升、折返机制具有重要意义; 洋壳深俯冲超高压变质岩作为俯冲到地幔深度又折返到地表的岩石, 见证了俯冲与折返的全过程, 是研究俯冲变质带中元素地球化学行为及其物质循环的最理想场所之一; 洋壳俯冲到陆壳俯冲-碰撞是俯冲碰撞造山带形成演化的基本方式, 也是目前板块构造理论研究的前沿领域. 同时, 对中国西部西南天山和柴北缘2个具有洋壳深俯冲特征的超高压变质带研究现状和存在的问题也展开了讨论.     

普光气田中高密度甲烷包裹体的发现及形成的温度和压力条件

根据包裹体均一温度测定和激光拉曼光谱分析, 在普光气田三叠系储层中发现一批高密度甲烷包裹体, 其均一温度Th=−117.5~−118.1℃, 相对应的密度分别为0.3455～0.3477 g/cm³, 测定的甲烷包裹体的拉曼散射峰v1位移主要为2911~2910 cm⁻¹, 也反映甲烷包裹体密度很高. 样品中与甲烷包裹体主要共生的盐水包裹体均一温度Th=170~180℃, 结合拉曼光谱分析的甲烷包裹体组成, 用PVTsim软件模拟高密度甲烷包裹体在地质历史中的捕获压力达153~160 MPa 以上. 观测数据表明, 普光气田目前虽然为常压气藏, 储层中流体压力在56~65 MPa左右, 但在白垩纪时期原油裂解气大量产出阶段可能形成高压. 高密度甲烷包裹体的发现, 为气藏在地质历史中的超压现象提供了重要证据. 同时, 根据拉曼光谱分析, 发现部分高密度甲烷包裹体含少量H₂S, CO₂和重烃等信息, 也揭示了包裹体捕获的地球化学环境可能与H2S的生成有关. 甲烷包裹体的观测结果为研究油裂解气藏的压力条件和探讨H₂S成因的硫酸盐化学反应(TSR)提供了依据.     

西大别超高压榴辉岩中石英脉锆石年龄和Hf同位素组成

对西大别红安地区超高压榴辉岩中石英脉的锆石进行了U-Pb年代学和Hf同位素组成的研究. 结果提供了超高压变质岩石折返阶段流体活动的时间、条件和流体来源等方面的信息. 石英脉中的锆石具有非常完好的晶型, 振荡环带或弱分带结构, 表明它们是从石英脉形成过程中的流体中结晶出来的. 它们的206Pb/238U加权平均年龄为(224.7 ± 1.3) Ma, 是石英脉形成时间的最佳估计值, 记录了超高压岩石早期榴辉岩相折返阶段流体的活动. 热液锆石具有非常低的Lu/Hf同位素比值, 与它们形成于榴辉岩相变质作用阶段相一致. 这些锆石的Hf同位素组成与寄主榴辉岩中的锆石一致, 指示石英脉形成过程中只有小规模的流体活动, 流体为内部来源. 因此, 热液锆石的Lu-Hf同位素体系可以为流体的形成条件、性质以及来源提供有效的制约.     

大别山黄镇榴辉岩和蓝晶石-石英脉中硬柱石分解的岩石学研究及其流体活动意义

高压-超高压变质榴辉岩中石英脉的产出反映了板块俯冲或折返过程中的流体流动, 但是对成脉过程的温压条件常常缺乏岩石学制约. 对大别造山带黄镇地区低温榴辉岩及其中蓝晶石-石英脉的岩石学研究表明, 脉中呈柱状形态的蓝晶石-黝帘石-石英集合体是硬柱石分解后的假象. 柯石英假象也首次在该地区榴辉岩的石榴石中发现, 证明这些低温榴辉岩经历了超高压变质作用. 热力学温压条件计算表明, 该榴辉岩经历的峰期变质条件为670℃/3.3 GPa, 已达到石墨向金刚石转化的边界. 石英脉中的石英晶体不见波状消光、折曲和碎裂现象, 也没有发现柯石英假象; 根据石英脉中矿物共生组合进行热力学平衡计算得到的成脉温压条件与寄主榴辉岩一样, 明显高于板块俯冲进变质过程中硬柱石分解曲线. 这些观察证明, 石英脉形成于峰期超高压变质之后的板块折返过程中. 因此, 硬柱石分解为蓝晶 石-黝帘石-石英并释放水的反应是在峰期变质之后的折返过程中发生的. 这表明陆壳深俯冲时不仅能够将含水矿物如硬柱石中的水带到地幔深处, 而且可以在折返时释放出来.