大别—苏鲁榴辉岩中名义上无水矿物的结构水研究

【摘要】： 高压—超高压变质流体的研究一直是地学界关注的焦点和前沿领域，也一直是大陆造山带动力学研究的薄弱环节。大陆板块深俯冲到一定深度后(＞100 km)，即使没有含水矿物的存在，超高压岩石中的名义上无水矿物(nominally anhydrous minerals，简为NAMs，即理想化学式中不含H的矿物)仍然可以携带一定量的水，成为俯冲板块中水的重要载体，是示踪超高压变质流体的重要途径。而超高压榴辉岩的形成则是大陆深俯冲带中壳-幔物质循环过程中重要的一环，研究超高压榴辉岩矿物中的水，可以为建立超高压变质岩俯冲和折返动力学模型提供重要的限定条件。 本文以大别—苏鲁地区典型的超高压榴辉岩为主要研究对象，选取了21个大别超高压变质带的碧溪岭、双河和苏鲁超高压变质带的毛北、中国大陆科学钻探(CCSD)主孔的榴辉岩。我们主要通过显微傅立叶变换红外光谱(FTIR)研究榴辉岩中名义上无水矿物石榴石、绿辉石的结构水含量变化趋势及分布特性；结合电子探针分析(EMPA)方法获得矿物的主要元素含量，探讨矿物的晶体化学对H的赋存、含量及分布情况的影响，了解矿物中H的结合方式；结合透射电镜方法研究已测得结构水含量的矿物的缺陷(主要是位错)等超微结构。探讨石榴石、绿辉石的结构水含量的分布与其超微构造的相关性。 研究表明：21块不同地点，不同产状，不同变形程度的超高压榴辉岩中，所有石榴石和绿辉石的分析点都在典型的OH红外吸收区域(3000～3800 cm~(-1))出现2个或2个以上的吸收峰，含有或多或少的结构水。石榴石的OH峰可分为四组：(1) 3400～3450 cm~(-1)；(2) 3555～3575 cm~(-1)；(3) 3610～3635 cm~(-1)；(4) 3640～3655 cm~(-1)。波数在3500～3700 cm~(-1)之间的峰是结构OH的峰，而低波数3400～3450 cm~(-1)的峰可能是颗粒的显微流体包裹体引起的。绿辉石的OH峰可以分为三组：(1) 3440～3455cm~(-1)；(2)3520～3535cm~(-1)；(3)3620～3630 cm~(-1)。这些结构水的存在必然对整个变质体系产生重要的物理化学性质的影响。 大别双河，碧溪岭等地区的榴辉岩中石榴石分析点的结构水含量范围为(67～3288)μg／g，60％的石榴石水含量都在(100～500)μg／g之间。大别双河，碧溪岭等地区的榴辉岩中绿辉石分析点的结构水含量范围为(200～2813)μg／g，60％的绿辉石水含量都在(300～700)μg／g之间。榴辉岩全岩水含量为(300～750)μg／g之间。苏鲁地区的榴辉岩中绿辉石和石榴石颗粒的结构水水含量范围分别在(68～529)μg／g和(20～875)μg／g之间。榴辉岩全岩的水含量为(150～300)μg／g。 不仅不同样品间石榴石的水含量表现出不均一性，同一样品不同颗粒间也是如此。同时石榴石和绿辉石颗粒内部的结构水含量分布出现两种情况：(1)颗粒内部的均一分布：(2)不均匀分布，表现为水含量从核部到幔部到边部随之增加或水含量核部、边部低而幔部高。以上结果表明即使大陆板块深俯冲到超过200 km的地幔深部，在没有含水矿物存在的情况下，石榴石和绿辉石等NAMs仍然可以携带数百ppm的水，构成壳幔之间水循环的重要途径。 结合电子探针分析，发现不同颗粒的化学成分有所不同。但是同一颗粒内部毫米尺度上的化学成分是相同的，未发现结构OH含量与主要化学组成之间存在相关性，矿物的主要化学元素可能不是控制石榴石和绿辉石容纳OH的主要因素。而通过8个水含量均匀分布的样品的透射电镜研究，我们可以发现结构水含量与样品的位错密度是有关系的。石榴石表现得尤为明显，Shx2-2-g-4，Wma-g-1，Shx7-1，Shx7-2，对应的水含量分别为427μg／g，593μg／g，3101μg／g，3219μg/g，对应的位错密度分别为0.25×10~7cm~(-2)，0.83×10~7cm~(-2)，2.51×10~7cm~(-2)，3.48×10~7cm~(-2)，相对与500到3000的水含量，它的位错密度明显升高。绿辉石的表现并不明显，推测可能和颗粒含水量相差不是很大有关，同时与矿物晶体内部位错发生退变质有关。我们发现结构水含量与样品的位错密度是存在正相关性的关系。