高温高压下绿帘石中OH稳定性-示踪俯冲带中水循环

The project is proposed to study on reaction kinetics of epidotes under the condition of high temperature and high pressure(HT-HP) by in situ synchrotron μ-FTIR spectroscopy and X-ray diffraction. It try to discuss some scientific problems as follows: (1) stability domain of epidotes and changes of OH in the crystal lattice and its dynamic mechanism under HT-HP condition. (2) the effect of Fe3+--Al solid solution series on solubility of OH in the epidotes; (3) the coupling relationship among substitution of trace or REE elements, the crystal structure and its water solubility of the epidotes, and provide possible implication for understanding the coupling mechanism among OH, structure and REE of the epidotes, and further realize geochemical properties on the migration of trace and REE in subduction zones. This project is the first to systematically carry out related HT-HP experimental research, combined with geochemical characteristics of the host rock, and determine structure and water solubility of epidote under condition of the different depth during subduction, and then insight into the dynamic evolution of trace element geochemistry and water cycle in the whole process of subduction, and provide new constraints for the geophysical data and lithogeochemical data from the inside of subduction zone.

本项目拟以洋壳(西天山)和陆壳(大别-苏鲁)俯冲带中绿帘石族矿物为研究对象，利用金刚石压砧技术、同步辐射微束X-ray衍射技术、同步辐射微束红外光谱技术进行原位高温高压下绿帘石族矿物反应动力学实验研究。拟解决(1)高温高压下绿帘石族矿物晶体结构的稳定域，OH在晶格中的变化及其动力学机制；(2)Fe3+--Al固溶体组分对矿物中OH赋存类型和溶解度的影响；(3)矿物中微量稀土元素的载入与晶体结构及其中水溶解度的关系，对了解矿物中OH、晶体结构及微量元素间的耦合机制能提供什么样的新认识？是否能对了解俯冲带中微量稀土元素迁移等地球化学性质提供新的启示？本项目是首次系统开展绿帘石实验研究，结合主岩地球化学特征，将模拟并精确厘定在俯冲带中不同深度的绿帘石族矿物结构和水溶解度，从而窥视洋壳/陆壳俯冲全过程中微量元素地球化学和水循环的动力学演化，为俯冲带内部的地球物理观测数据和岩石地球化学提供新的制约。

俯冲带一个非常重要的特性就是含水岩石圈俯冲≒地幔的再循环。含水的板块在俯冲过程中，由于含水相如绿帘石族矿物等具有延展性及其广泛P-T稳定场，板块内的水通过这些含水相矿物相继发生分解和脱水及相变等一系列反应，水被逐步释放，这些水引发上覆地幔楔的部分融化、导致同俯冲岛弧岩浆作用。基于此，本项目以绿帘石族矿物为研究对象，利用金刚石压砧技术进行原位高温高压下绿帘石族矿物反应动力学实验研究。开展了以下研究工作：（1）通过对6个不同产状褐帘石的主/微量元素分析、拉曼、红外光谱学研究来揭示褐帘石晶体化学特征，系统的光谱学数据表明褐帘石特征峰强度和峰位的偏移均与其组分有关，分析指派了部分光谱峰位的归属，揭示了褐帘石中特殊谱峰位置的迁移与其元素、晶体结构之间的关系。研究结果表明伟晶岩类岩石中褐帘石晶体结构中Fe3+与Al3+间的置换作用强于矽卡岩类岩石中的褐帘石；而矽卡岩类岩石中褐帘石晶体结构在A位上稀土元素与Ca置换作用则大于伟晶岩类岩石中的褐帘石。（2）对布鲁克Vertex 70v真空型红外光谱仪进行了拓展，构建了一套水平红外光路系统，并与外加温的温控系统、红宝石测压系统联用，适用于高压、高/低温测量的傅立叶变换红外显微系统，从而真正实现在原位条件下观察与研究地球内部物质的性质和结构特征的实验平台。（3）进行了原位高温高压下（俯冲过程中）绿帘石实验模拟。利用构建的具有水平光路的显微红外系统科学实验平台，对绿帘石单晶分别开展了原位的高温（从室温到873 K）、高压（从0至11.87 GPa）条件下红外、拉曼光谱的实验研究，结果表明从常温常压条件加温加压至P = 11.87-12.73 GPa和T = 773-873 K时，虽然谱峰发生了演化，但是绿帘石的结构仍然稳定存在。晶体中M-O键具有较弱的压缩性是由于Fe - Al在八面体中的替代有关，而红外光谱中OH振动谱峰的突然增加、消失也与此Fe的氧化还原有关。为此绿帘石的温压条件至少可以稳定P = 11.87-12.73 GPa和T = 773-873K范围内，是可以将水携带到地幔的深处。