大别-苏鲁超高压变质带榴辉岩中富Si金红石的地球化学意义及53Mn-53Cr体系对CO碳质球粒陨石中球粒形成的时空制约

摘要

Si是地球上丰度第二高的元素，Si-O四面体也是整个硅酸盐(Bulk SilicateEarth)地球的骨架。变质岩（副）矿物中Si的含量和结构的变化是一种示踪高温-高压环境的有效手段。碰撞造山带（陆壳物质的俯冲和折返）是一个研究高温高压-深部地球的天然实验室，可以为我们提供经历过超高压变质作用(Ultra-highPressure Metamorphism)的天然样品。含金红石的榴辉岩是大别-苏鲁超高压变质带出露的主要岩石类型，Si作为一种微量元素赋存于金红石这种副矿物中。金红石可能成为一个研究Si在高温高压条件下地球化学行为的一个“窗口”，同时Si-金红石也是一种潜在的高压“指示剂”。本文的第一部分主要研究了大别-苏鲁超高压变质榴辉岩中Si在高压金红石中的赋存形式和指示意义，榴辉岩样品来自大别造山带的双河地区，以及苏鲁造山带东海地区。将样品制成薄片后，运用一系列原位微区分析手段包括:扫描电镜(SEM)、电子探针(EMPA)、纳米离子探针(NanoSIMS)、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)等，对这些地区榴辉岩金红石中Si的含量和赋存状态进行研究，主要观察和结论如下:
　　1.富Si的金红石存在于大别-苏鲁地区的超高压变质岩中。LA-ICP-MS分析结果显示，粒间颗粒和包裹体形式的金红石都含有400 ppm以上的Si（最高达2113 ppm）。这可能是一种地球化学异常，可以用于示踪超高压变质。
　　2.NanoSIMS的面扫描（Mapping）分析显示，这些Si在金红石中是分布均一的，没有出现“热点”，而且边缘核部略高于。这排除了前人认为是硅酸盐或者石英包裹体的影响。金红石中均匀分布的Si可能暗示了Si和Ti的类质同象，即金红石中的Si可能也和Ti一样是6次配位形式。这对于地球深部的Si的地球化学行为有重要的启示。
　　3.前人的实验岩石学研究发现，金红石中Si的含量与形成压力呈正相关关系，所以Si-金红石可能在未来发展成一种新的地质压力计。同时，斯石英作为一种SiO2的高压相，与金红石结构相同。如果能证明金红石中的Si是斯石英结构，那么根据斯石英的合成条件(1000℃，10 Gpa)，陆壳物质的俯冲深度可能被刷新至300km。
　　本文第二部分是关于球粒(chondrule)的同位素宇宙化学研究。球粒是一种毫米-亚毫米级的具有火成岩结构的球体，被认为是太阳星云中经历过瞬间熔融（高达2000K），又快速冷却(100-1000K/h)的自由漂移的熔融液滴。作为球粒陨石（太阳系中最原始的物质）中最主要的成分之一，其起源的研究对早期太阳系的历史以及行星的演化有着至关重要的作用。53Mn-53Cr体系是一种短周期定年体系，半衰期是3.7 Ma，可以对球粒形成等太阳系前10 Ma的事件有效制约。不仅如此，因为天体样品具有系统的ε54Cr不均一，所以ε54Cr可以作为一种“示踪剂”，对研究球粒的物质来源有重要的意义。本文第二部分主要运用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和热电离质谱(TIMS)分析了Ornans(CO3.4)球粒的主量元素含量和Cr同位素组成，讨论球粒的起源及其对太阳系早期演化的指示意义，取得的几点初步认识:
　　1.9个球粒的Mn-Cr外部等时线显示，其初始的53Mn/55Mn位(7.2±1.6)×10-6，可以根据两个时标LEW86010和U同位素矫正的D'Orbigny换算为绝对年龄4568.1±1.3 Ma or4567.7±1.3 Ma。这一年龄支持了CO球粒与CAI（富Ca、Al的难熔包体）这一太阳系中最老的物质同时形成。
　　2.Ornans球粒具有不均一的ε54Cr，最低值为+0.20，最高值为+1.22，并且与ε53Cr有正相关关系。这可能反映了一种“挥发过程”或者是“混合过程”，前者暗示了球粒的前体物质来源于同一储库，后者反映了球粒的形成可能来自太阳系内部和外部两端元的混合，即太阳系内部物质(高温，低ε54Cr)在太阳系早期被搬运到球粒陨石吸积区与类似基质的物质混合（低温，高ε54Cr）。
　　3.根据Ornans球粒的Mn-Cr年代学证据和ε54Cr的变化，本文认为在目前流行的几种关于球粒形成的天文物理学模型中，X-Wind和Impact Jetting模型可能更符合我们的观测结果。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景与现状

1．1．2 高温高压条件下Si的地球化学行为

1．1．3 球粒及其年代学研究综述

1．1．4 球粒的其他研究热点

1．1．5 Cr同位素宇宙化学

1．2 研究内容与研究方法

1．2．2 53Mn-53Cr体系对CO族碳质球粒陨石形成的时空制约

1．3 完成的工作量

第2章 地质背景与样品描述

2．1 大陆俯冲-折返与超高压变质作用

2．2 大别-苏鲁超高压变质带的含金红石榴辉岩

2．3 Ornans(CO)球粒陨石及其球粒

第3章 金红石的原位分析方法及结果

3．1 分析方法

3．1．1 扫描电镜和电子探针分析

3．1．3 NanoSIMS元素mapping分析

3．2 结果

3．2．1 扫描电镜和电子探针结果

3．2．2 LA-ICP-MS分析结果

3．2．3 NanoSIMS元素mapping结果

第4章 CO族球粒的元素、同位素分析方法及结果

4．1 分析方法

4．1．1 球粒主量元素的分析方法

4．1．2 球粒的Mn／Cr分析方法

4．1．3 球粒的Cr同位素测试方法

4．2 结果

4．2．1 Ornans球粒的主量元素结果

4．2．2 球粒Mn-Cr体系的结果

第5章 大别-苏鲁超高压榴辉岩中富Si金红石的地球化学意义

5．2 地球深部Si的地球化学行为—金红石及其它高压矿物中6次配位的Si

5．3 富Si金红石对陆壳物质俯冲深度的制约

第6章 53Mn-S3Cr体系对CO碳质球粒陨石中球粒的时空制约

6．1 球粒的形成时间

6．1．2 CO球粒的Al-Mg、Mn-Cr年龄不一致

6．1．3 球粒年代学概述及其对球粒起源的意义

6．2 Cr同位素对CO球粒起源的制约

6．2．1 挥发过程

6．2．2 混合过程

6．3 对球粒形成模型的制约

第7章 结论

参考文献

致谢

在读期间的发表学术论文与取得的其他研究成果