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高溫高壓下榴輝巖主要造巖礦物熱狀態方程研究取得新進展

發布時間:2019-04-01

榴輝巖是一種非常重要的高壓變質巖,主要形成于大洋地殼俯沖過程中,由玄武巖和輝長巖發生高壓變質作用形成。榴輝巖也廣泛分布于上地幔中,被認為是俯沖大洋地殼的殘留,這也被來自金伯利巖中的捕擄體和金剛石中礦物包裹體所證實。天然榴輝巖的主要組成礦物是石榴子石和綠輝石。其中,石榴子石主要是鎂鋁榴石、鐵鋁榴石和鈣鋁榴石構成的三端元固溶體,綠輝石主要是透輝石和硬玉構成的固溶體。通常認為,榴輝巖具有很高的密度,在板片俯沖以及殼幔物質循環等地質作用過程中,扮演著重要的角色。因此,準確了解天然榴輝巖在地球內部溫壓條件下的密度,將有助于正確理解俯沖帶以及上地幔一些重要的地球科學問題,比如,板片俯沖以及停滯、上地幔的密度異常等。 

最近中國科學院地球化學研究所地球內部物質高溫高壓院重點實驗室周文戈課題組的許金貴博士后和范大偉副研究員與美國夏威夷大學Przemyslaw Dera教授和Dongzhou Zhang博士以及中國地質大學(武漢)史鋒博士合作,利用金剛石壓腔結合同步輻射單晶X射線衍射實驗技術系統研究了天然高Fe和低Fe含量榴輝巖造巖礦物的熱狀態方程。獲得了榴輝巖造巖礦物的熱彈性參數,通過進一步的模擬計算,得到榴輝巖在冷俯沖帶和正常上地幔條件下的密度。研究結果顯示:(1)在上地幔深度范圍,榴輝巖的密度明顯高于PREM模型,顯示了榴輝巖可作為板片俯沖的動力;(2)進入地幔過渡帶后,亞穩態高Fe含量榴輝巖有利于板片俯沖到地幔過渡帶中上部,而亞穩態低Fe含量榴輝巖有助于俯沖板片在過渡帶上部停滯;(3)亞穩態低Fe含量榴輝巖可能是造成環太平洋一些地區(如Peruvian continental arceastern Java arcsouthern Kurile arc等)俯沖板片在地幔過渡帶上部停滯的原因之一;(4)不同Fe含量榴輝巖體的存在可以合理解釋亞洲一些地區(如Tarim, Himalayas, South China craton, South Urals等)上地幔100-200公里深度范圍的高密度異常。 

上述研究成果已發表在國際地學著名期刊《Geophysical Research Letters》上:Xu Jingui, Zhang Dongzhou, Fan Dawei*, Dera Przemyslaw*, Shi Feng, Zhou Wenge (2019) Thermoelastic Properties of Eclogitic Garnets and Omphacites: Implications for Deep Subduction of Oceanic Crust and Density Anomalies in the Upper Mantle. Geophysical Research Letters 46(1), 179-188. 

全文鏈接:https://doi.org/10.1029/2018GL081170 

本研究得到國家自然科學基金、中國科學院西部之光人才培養引進計劃西部青年學者項目(A類)、中國科學院青年創新促進會專項基金、中國博士后科學基金一等面上項目等項目聯合資助。 

   

  圖:利用榴輝巖造巖礦物熱狀態方程參數計算得到的不同地溫梯度條件下的密度 

  (高壓室 周文戈課題組/供稿) 

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