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高温高压实验及其在俯冲含碳沉积物循环和岛弧岩浆成因研究的应用
战明君
Subtype硕士
Thesis Advisor张国良
2021-11-17
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral中国科学院海洋研究所
Degree Name地质工程
Keyword高温高压实验,沉积物底辟,沉积碳酸盐,岛弧火山作用,石榴子石效应
Abstract
  在现代西太平洋俯冲系统中通常有一系列中酸性火山岩(安山岩至流纹岩系列)发育,这些火山岩的成因机制对认识板块俯冲过程有关的物质循环有重要的科学意义。一部分中酸性火山岩具有较高的 MgO˃5 wt.%),以及富集 ThLREE K 等特征,指示了岛弧岩浆源区中俯冲沉积物和亏损地幔楔的共同作用。然而,沉积物的高温高压实验熔体具有很低的 MgO 含量(0.23-0.55 wt.%),这无法解释高 MgO 中酸性岛弧火山岩的成因。西太平洋存在地球上最为典型的冷俯冲带,一般认为俯冲板片不太可能在冷俯冲带内发生部分熔融;而底辟沉积物(含/不含沉积碳酸盐)与地幔楔橄榄岩的相互作用被认为是这些岛弧火山岩可能的成因之一。
  本研究使用 1000ton Walker 型多面砧压机模拟俯冲带中 3.5 Gpa1000-1300℃的温压条件,沉积物(无碳沉积物±碳酸盐)与地幔橄榄岩(KLB-1)以7:35:5 两种比例混合的部分熔融实验,从而研究俯冲物质循环及其对岛弧中酸性岩浆的贡献机制。实验产生的安山质-流纹质熔体具有较高的 MgO0.64-8.76 wt.%)和 K2O2.25-4.15 wt.%)含量。由于未产生富 K 的残留矿物相,熔体的K2O 含量随熔融程度升高而降低。含碳酸盐沉积物发生底辟并与地幔楔橄榄岩的相互作用不仅产生高 MgO 熔体,同时也促进了脱碳反应的发生。通过与 Izu-Bonin-Mariana
IBM)岛弧体系的中酸性火山岩的地球化学组成进行对比,我
们发现本研究中的实验熔体能够为其中高 Mg 且富 K 的火山岩提供一种可能的解释。同时,在高比例(7:3)的沉积物与橄榄岩的熔融实验中,熔体具有更强的石榴子石效应,这为解释岛弧火山岩中石榴子石效应强弱与 K2O 含量之间的正相关关系提供了可靠的证据。通过实验结果,本研究发现反应中碳酸盐的参与使单斜辉石的稳定性显著增强,从而促进了脱碳的发生。因此,沉积物在冷俯冲带中底辟上升并与热的地幔楔橄榄岩混合后发生部分熔融,这能够为IBM Mg且富 K 的中酸性岛弧火山岩提供一种合理的成因解释,也可能是冷俯冲带中含碳酸盐沉积物脱碳的重要方式之一。
MOST Discipline Catalogue工学::地质资源与地质工程
Language中文
Table of Contents
目  录
第1章 引言 1
1.1 研究背景与意义 1
1.1.1 高温高压实验在地球科学中的应用 1
1.1.2 含碳沉积物俯冲再循环与岛弧中酸性火山岩的研究意义 3
1.2 研究现状 7
1.2.1 高温高压实验技术及在地学领域的应用 7
1.2.2 含碳沉积物俯冲再循环及岛弧中酸性岩浆成因 9
1.3 研究内容和实验设计 14
1.4 已完成的工作量 15
第2章 高温高压实验和分析测试方法 17
2.1高温高压实验方法 17
2.1.1 实验装置 17
2.1.2 样品组装设计 18
2.2 大压机压力标定实验 24
2.3 岛弧中酸性岩浆成因及物质循环的高温高压实验 28
2.3.1 实验初始物 28
2.3.2 样品组装制作 30
2.3.3 大腔体压机实验 30
2.4 样品处理 31
2.5 分析测试方法 31
第3章 实验结果 33
3.1实验矿物相平衡及相组合 33
3.2 铁丢失计算 37
3.3 主要残留相的化学组成 41
3.4 熔体的化学组成 42
第4章 分析讨论 45
4.1熔融反应和相组分变化规律 45
4.1.1 初始物组成对实验相组成的影响 45
4.1.2 熔融过程与相关系 46
4.1.3 俯冲碳酸盐的命运 46
4.2 岛弧地幔楔中沉积物底辟熔融 48
4.2.1 温度对部分熔融的影响 48
4.2.2 与沉积物的非底辟熔融作用的对比 48
4.3 沉积物底辟熔融对岛弧火山岩成因的贡献 49
4.3.1 高Mg-富K岛弧岩浆的成因 49
4.3.2 岛弧火山作用中石榴石效应的成因 53
第5章 结论 55
参考文献 57
附录 73
致谢 87
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 87
图目录
图1.1  常用的高温高压设备图 2
图1.2  深部碳循环示意图 4
图1.3  俯冲带混杂岩底辟模型 5
图2.1  目前所使用的多面砧压机 17
图2.2  压机压腔内部结构示意图 18
图2.3  第一版18/12八面体组装设计 18
图2.4  14/8八面体组装 19
图2.5  实验后的八面体组装 19
图2.6  用铜片保护的热电偶丝 20
图2.7  第二版18/12八面体组装设计 20
图2.8  实验后破碎的八面体 21
图2.9  第三版18/12八面体组装设计 21
图2.10  改进后的组装 21
图2.11  目前的组装 22
图2.12  目前使用的18/12八面体设计图 23
图2.13  制作完成的样品腔 23
图2.14  准备组装所使用的仪器 24
图2.15  常温Bi丝压力标定组装 26
图2.16  14mm组装电阻变化曲线 27
图2.17  18mm组装电阻变化曲线 27
图2.18  压力矫正曲线 28
图3.1  含碳实验的BSE图像 35
图3.2  无碳实验的BSE图像 36
图3.3  各相比例与温度的关系图 37
图3.4  辉石和石榴子石的三角端元图 42
图3.5  熔体组分与实验温度的关系图 43
图4.1  实验熔体SiO2与全碱相关图 49
图4.2  实验熔体主量元素与SiO2的相关图 51
图4.3  相组成情况与实验温压条件 51
图4.4  岛弧火山岩La/Yb与K2O和SiO2相关图 54
表目录
表1.1  常用高温高压设备及其温压范围 3
表1.2  本论文主要工作量统计 15
表2.1  常温压力标定常材料 25
表2.2  高温压力标定常用材料 25
表2.3  初始物主量元素组成 29
表3.1  反应条件及反应产物 34
表3.2  铁丢失矫正后的熔体组分 39
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/177044
Collection深海极端环境与生命过程研究中心
Recommended Citation
GB/T 7714
战明君. 高温高压实验及其在俯冲含碳沉积物循环和岛弧岩浆成因研究的应用[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学,2021.
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