中国科学 地球科学
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  中国科学 地球科学
 
中国科学 地球科学(中国科学D辑)
2016年 46卷 3期
刊出日期:2016-03-03


 
   
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专题:地球内部水

俯冲带中的水迁移

郑永飞, 陈仁旭, 徐峥, 张少兵
中国科学 地球科学, 2016, 46(3): 253-286
全文 : HTML  ( PDF (6179 KB)   ( 1060 )
摘要

水从俯冲地壳迁移到地幔主要受地壳中含水矿物的稳定性支配, 而俯冲带的热结构是决定俯冲地壳在哪个深度发生脱水的关键. 大洋俯冲带的地温梯度变化很大, 既有冷俯冲带也有热俯冲带, 但是地震活动和弧火山作用在冷俯冲带相对突出. 大陆俯冲带的地温梯度较低, 地壳岩石总是在冷俯冲带发生变质作用, 但是缺乏同俯冲弧火山作用. 超冷俯冲带地温梯度很低(≤5℃/km), 俯冲地壳中的硬柱石可以把水带到≤300km的深度. 热俯冲带地温梯度很高(>25℃/km), 俯冲地壳在浅部就大量脱水, 在<80km的深度会产生长英质熔体. 由于水大量溶解在这种熔体中, 结果只有少量的水会运移到80~160km的弧下深度. 在这两种脱水方式之外还存在大量介于两者之间的方式, 使得俯冲带表现出多种水迁移现象. 在暖俯冲带, 低温/低压含水矿物在俯冲到60~80km的弧前深度时就发生分解, 释放出大量的水. 在冷俯冲带, 低温/低压含水矿物随俯冲深度增加转变成低温/高压含水矿物, 允许大量的水被迁移到弧下深度. 无论在何种情况下, 俯冲地壳的脱水不仅启动了地震活动, 而且引起了地幔楔的水化. 不过, 总有少量水被超高压含水矿物和名义上无水矿物带至更深部地幔. 俯冲板片之上的地幔楔并没有因为水的加入而立即发生部分熔融引起弧火山作用, 而是首先在板片-地幔界面上发生水化. 由于这里温度最低, 比水化橄榄岩的湿固相线要低几百度, 结果直到水化橄榄岩受到加热之后才能发生部分熔融. 因此, 弧火山作用一般发生在地幔楔被流体交代之后的某个时间.

专题:地球内部水

高温高压实验和硅酸盐地幔中的水

杨晓志, 李岩
中国科学 地球科学, 2016, 46(3): 287-300
全文 : HTML  ( PDF (1796 KB)   ( 482 )
摘要

硅酸盐地幔中的水是影响地球的气候、宜居性、地球化学演化、地球物理学性质和地球动力学过程等的重要因素之一, 也是近20年来国际地球科学研究中的热点和前沿方向. 高温高压实验是了解硅酸盐地幔中水的种类、分布、储量和效应等的强有力手段. 近年来通过高温高压实验, 人们对硅酸盐地幔中水的多种物理、化学和动力学性质及其影响取得了一系列显赫进展, 极大地丰富了人们对时间和空间尺度上地球水循环(尤其是深部地球水循环)的认识. 本文就硅酸盐地幔中水的研究现状和一些主要认识进行简要评述(偏重于高温高压实 验相关的成果), 主要包括硅酸盐地幔中水的起源、含量和分布以及水对硅酸盐地幔一些物理-化学性质的影响等方面.

专题:地球内部水

高温高压下壳幔含水矿物电导率实验研究

郭新转
中国科学 地球科学, 2016, 46(3): 301-312
全文 : HTML  ( PDF (1291 KB)   ( 316 )
摘要

含水矿物是地壳、地幔, 尤其是俯冲带内的重要矿物. 高温高压下壳幔含水矿物电导率实验研究是一个相对较新的研究方向. 随着实验技术的不断进步, 很多高压相含水硅酸岩矿物的电导率测定工作得以开展, 在有效控制温度、压强和氧逸度等条件下, 含水矿物的电导率实验数据可以对地球内部水的分布提供制约. 本文介绍了已有的蛇纹石、滑石、水镁石、phase A、super hydrous phase B、phase D含水矿物在高温高压下的电导率实验研究, 对各含水矿物电导率数据的有效性进行了分析, 并重点介绍了电导率测试含水矿物脱水对全岩电导率的影响以及压强对含水矿物电导率的影响. 在已有数据的基础上, 对含水矿物的导电机制以及俯冲带的电结构进行了探讨. 最后对今后的研究前景及潜在的研究领域进行了展望.

专题:地球内部水

俯冲带及转换带中含水硅酸盐矿物的晶体结构和状态方程

叶宇
中国科学 地球科学, 2016, 46(3): 313-328
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摘要

地幔深部的矿物具有显著的含水能力, 含水量从几十到几万ppm(part per million)不等. 由于地幔体积巨大, 地球深部的水可能远大于地表水的总量. 研究水在地幔矿物岩石晶体中的赋存机制及其影响是目前矿物学和地球物理学界的研究热点之一. 一方面, 俯冲板块向下运动, 其中的蛇纹石在高温下分解, 产生一系列的高含水硅酸盐矿物(如相A、粒硅镁石和斜硅镁石), 这些矿物是潜在的"搬运工", 将水进一步带入地幔深部, 乃至转换带中; 另一方面, 橄榄石在转换带中的高压相(瓦兹利石和林伍德石)具有较高的储水能力, 使得转换带成为了地球深部最重要的储水层, 并且水也对地幔转换带的物理化学性质产生了显著影响. 本文主要讨论以下两方面内容: (1) 含水的硅酸盐矿物晶体结构, 为微观上认识地球深部水的赋存机制和循环过程提供实验依据; (2) 水对硅酸盐矿物热力学状态方程的影响, 为约束地球动力学过程以及水的影响提供重要参数.

专题:地球内部水

水与地幔的部分熔融

倪怀玮, 张力, 郭璇
中国科学 地球科学, 2016, 46(3): 329-340
全文 : HTML  ( PDF (2422 KB)   ( 514 )
摘要

水对于地幔的部分熔融发挥了关键作用. 地幔岩浆作用主要发生在板块边界(俯冲带和洋中脊)和若干板内热异常区域. 在大洋俯冲带, 俯冲板片释出的水可以诱发上覆地幔楔甚至板片自身发生熔融, 导致弧岩浆作用, 也有可能形成超临界流体. 板片熔融和产生超临界流体的物理化学条件仍存在争议. 在洋中脊和板内热异常区域, 水和CO2使上涌地幔发生熔融的起始深度增加, 熔融比例增大. 在地球深部层圈边界可能发生低程度的地幔熔融, 如岩石圈和软流圈边界、上地幔和过渡带边界、过渡带和下地幔边界等, 其成因一般认为与边界两侧矿物储水能力的差异有关. 水可以促进地幔岩石熔融的根本原因在于水是一种不相容组分, 强烈倾向于富集在硅酸盐熔体相(矿物-熔体的水分配系数远小于1), 从而令其吉布斯自由能降低. 前人对水在橄榄石、辉石和石榴石等地幔矿物与熔体之间的分配行为已经研究得比较充分, 但水对硅酸盐熔体密度和迁移性质的影响还需要更进一步的高温高压实验和计算制约.

进展 | 环境科学

水生生态系统中溶解性有机质表生行为与环境效应研究

何伟, 白泽琳, 李一龙, 孔祥臻, 刘文秀, 杨晨, 杨斌, 徐福留
中国科学 地球科学, 2016, 46(3): 341-355
全文 : HTML  ( PDF (1392 KB)   ( 476 )
摘要

溶解性有机质(DOM)是一类包含了复杂结构及交互作用的溶解性有机化合物, 其在水生生态系统中存量达到万亿吨. DOM是水生生态系统生产力的重要组成部分, 在全球碳循环中扮演重要角色; 其表生行为和环境效应丰富, 不仅影响污染物的生物有效性, 也是重要的活性氧激发物, 还能保护水生生物不受紫外线伤害. DOM组成、结构与来源等方面的研究多, 较为简单且系统性较强, 而其表生行为与环境效应方面的研究则比较复杂, 受到诸多因素的影响, 仍然处于不断的发展之中. 本文重点阐述了DOM与颗粒态有机质(POM)的相互转化机制、诱导产生活性氧的光化学行为、与有机物的结合作用、与微生物的相互作用、对污染物生物有效性、毒性和生态风险影响等表生行为与环境效应的研究进展, 以及存在问题与发展趋势, 希望有助于系统地了解DOM的表生行为和环境效应以及促进该类研究的不断深入开展.

论文 | 地质科学

胶东东部鹊山变质核杂岩结构、演化及区域构造意义

夏增明, 刘俊来, 倪金龙, 张婷婷, 施性明, 吴云
中国科学 地球科学, 2016, 46(3): 356-373
全文 : HTML  ( PDF (21133 KB)   ( 331 )
摘要

自晚中生代以来, 华北克拉通岩石圈在伸展机制下经历了剧烈的减薄, 位于胶东东部华北克拉通南东缘的鹊山变质核杂岩是该时期地壳伸展的一个重要实例. 鹊山变质核杂岩具有典型科迪勒拉变质核杂岩构造的三层结构: 上盘由早白垩世上叠盆地及其古元古代基底组成, 下盘为太古代深变质杂岩与中生代侵入体, 上下盘之间被一条主拆离断层所分隔. 一系列NNE走向的后期脆性断裂, 使得变质核杂岩被肢解和改造. 岩石学、几何学、运动学、宏观和显微构造以及石英c轴组构分析表明鹊山变质核杂岩经历了递进剥露过程, 即在WNW-ESE区域伸展作用下, 发育于中-下地壳, 之后经过中-上地壳, 最后到达地壳表层次. 通过构造和年代学证据分析, 限定鹊山变质核杂岩的剥露时代为135~113Ma. 综合分析辽东半岛和胶东半岛这一时期发育的不同型式的伸展构造, 厘定了胶-辽早白垩世伸展省, 同时确定了该区域伸展作用开始于约135Ma, 结束于105Ma, 并将其划分为两个阶段. 第一阶段伸展表现为中-下地壳强烈的流动, 第二阶段为中-上地壳的伸展作用. 结合区域构造背景, 胶-辽早白垩世伸展省可以作为一个在东亚地区伸展作用下壳-幔拆离作用及其响应的典型案例.

论文

华北克拉通北缘包头东正长岩的成因:来自岩石矿物学和地球化学的证据

牛晓露, 杨经绥, 刘飞, 张红雨, 杨明春
中国科学 地球科学, 2016, 46(3): 374-391
全文 : HTML  ( PDF (5899 KB)   ( 409 )
摘要

包头东正长岩位于内蒙古包头市东, 阴山南麓, 是华北克拉通北缘三叠纪碱性岩带最西端的岩体. 本文对此岩体进行了锆石U-Pb年代学、矿物化学、岩石地球化学和Sr-Nd同位素的研究, 讨论了其成因及源区地幔性质. 岩体由霞石辉石正长岩和碱性长石正长岩组成, 锆石LA-ICPMS U-Pb年龄为(214.7±1.1)Ma, 为晚三叠世岩浆活动的产物. 单斜辉石(从核部到边部, 成分由透辉石向霓石-普通辉石演化), 黑云母, 正长石和霞石是岩体主要组成矿物. 岩体稀土总量较高, 稀土配分模式为右倾, 无明显铕异常; 相对富集轻稀土元素和大离子亲石元素(如Rb、Ba、Sr和Pb), 亏损重稀土元素和高场强元素(如Nb、Ta和Ti); 具有富集的Sr-Nd同位素组成, 初始87Sr/86Sr为0.7061~0.7067, εNd(t)值为-9.0~-11.2. 矿物学和地球化学数据揭示包头东正长岩属于硅不饱和钾质-超钾质碱性岩岩浆系列, 高CaO、Fe2O3、K2O、Na2O含量, 低SiO2含量, 富水, 高温, 高氧逸度; 岩体起源于位于石榴石稳定区富含金云母的古老, 富集岩石圈地幔. 包括包头东正长岩在内的华北克拉通北缘三叠纪钾质碱性岩带的发育, 揭示华北克拉通北缘下覆岩石圈地幔受到了来自古亚洲洋俯冲板片(及上覆沉积物)流体/熔体的交代改造; 晚三叠世, 华北克拉通北缘已经进入了被破坏大陆边缘的强烈伸展演化阶段.

论文

南天山欧西达坂岩体热演化历史与隆升过程分析—来自Ar-Ar和(U-Th)/He热年代学的证据

张斌, 陈文, 孙敬博, 喻顺, 尹继元, 李洁, 张彦, 刘新宇, 杨莉, 袁霞
中国科学 地球科学, 2016, 46(3): 392-405
全文 : HTML  ( PDF (4611 KB)   ( 366 )
摘要

天山造山带晚古生代以来的隆升剥露过程与带内矿床形成后的保存潜力密切相关. 本文报道了新的角闪石/斜长石Ar-Ar年龄和锆石/磷灰石(U-Th)/He年龄, 为重建南天山中段地区欧西达坂岩体完整的构造-热演化历史提供年代学基础, 结合前人研究成果分析了冷却速率及剥蚀速率变化特征, 对南天山中段晚古生代以来的热演化历史及隆升剥蚀历史进行了探讨. 同位素定年结果显示, 角闪石Ar-Ar坪年龄为(382.6±3.6)Ma, 斜长石Ar-Ar加权平均年龄为(265.8±4.9)Ma, 锆石与磷灰石(U-Th)/He年龄分别为(185.8±4.3)和(31.1±2.9)Ma. 热演化历史及模拟结果表明, 南天山中段地区晚古生代至今的构造-热演化历史可以大致分为5个阶段: (1) 志留纪末至晚泥盆世岩体平均冷却速率约7.84℃/Myr; (2) 晚泥盆世至中二叠世末期, 岩体的平均冷却速率约2.07℃/Myr; (3) 中二叠世末到始新世中期岩体平均冷却速率降至0.68℃/Myr, 此期间总体地质运动较为平缓; (4) 新生代始新世期间(约46~35Ma)南天山中段地区发生了一期快速隆升剥蚀事件, 岩体冷却速率突升至5.00℃/Myr, 剥蚀量达到1.83km, 平均剥蚀速率0.17mm/a; (5) 始新世中期(约35Ma)至今, 平均冷却速率约为1.14℃/Myr, 隆升速度仍然较快, 剥蚀量约为1.33km, 平均剥蚀速率约0.04mm/a. 新生代以来天山的剧烈隆起抬升受控于印亚碰撞的远程效应, 远程作用在天山的响应具有一定的滞后效应.

讨论 | 地质科学

讨论:青藏高原北缘酒泉盆地青西凹陷白垩系湖相热水沉积原生白云岩

李乐, 姚光庆
中国科学 地球科学, 2016, 46(3): 406-410
全文 : HTML  ( PDF (485 KB)   ( 333 )
摘要
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