柯石英-退变质石英-寄主矿物系统的晶体缺陷与"水"的赋存状态及其关联机制

The content of "H2O", its state of occurrence, transportation pathways and the way of evolution during the deep subduction and exhumation of continental crust is the research focus and frontier in geosciences. The ultrafine crystal growth defects and the constructive deformation defects in the coesite - retrograde quartz - host minerals system, the distribution of H2O in structure, state of occurrence, characteristics of metamorphic evolution and the relationship between defects-"water" interaction and metamorphic reactions are the research object. The quantitative high-resolution electron microscopy, molecular spectroscopy and other analysis technologies on mineral ultramicro zone are chosen as research tools. In coesite - retrograde quartz - host mineral systems, in atomic resolution scale, analyzing and studying the characteristics and variation law of crystal defects, such as the nanoscaled mineral phases and interface structure of intergranulars, phase transformation of microcrystalline structure as well as polymorphous transformation, intergrowth and teterotaxy among minerals, the relationship between the character of microfissure as well as the surrounding lattice defects and phase transformation, strain field, the sub-structure of the dislocations, deformation structure. The relationship between mineral defect structure and water, nanoscaled water molecules groups (H2O) or water molecules inclusions, hydroxyl (OH-), hydrogen atom (H), as well as the role and significance in the process of metamorphic reaction dynamics and tectonic dynamics is studied. This could provide microscopic mineralogy restriction for deeply understanding of the water - rock interaction and the crust-mantle material exchange in the process of ultrahigh pressure metamorphic.

陆壳深俯冲和折返过程中"水"的含量、赋存状态、运移途径和演化方式, 是当前地学研究的热点和前沿。以天然柯石英-退变质石英-寄主矿物系统中的超微晶体生长缺陷和构造变形缺陷, 结构中"水"的分布、赋存状态、变质演化特征, 以及矿物缺陷与"水"之间的相互作用和变质反应关系为研究目标, 以定量高分辨电子显微学、分子光谱学和其它矿物超微区分析技术为研究手段, 在原子分辨尺度原位分析和研究柯石英-退变质石英-寄主矿物系统中的纳米矿物相与晶间界面结构、微晶相变及多形转变、矿物间的衍生和交生、微裂隙的性质及周围晶格缺陷与相变关系、位错亚构造、变形结构等晶体缺陷特征及其变化规律，研究矿物缺陷构造与水、纳米水分子团(H2O)或水分子包体、羟基(OH-)、氢原子的相互关系，以及在超高压变质岩的形成环境和构造演化过程中的作用与意义。为深入认识和理解超高压变质过程中的水-岩相互作用和壳幔物质交换提供微观矿物学制约。

本项目按照基金申请书以及计划书中的计划执行。用高分辨电子显微学(HRTEM、FE-SEM、EDS等)、分子光谱学(FTIR、RAMAN等)等测试技术和电子显微学理论模拟计算以及第一性原理计算研究等相结合的分析手段, 研究了大别山和瑞士阿尔卑斯山等典型地区超高压变质岩中柯石英(SiO2)—退变质石英—寄主矿物系统中的超微构造缺陷, 结构中"水"的赋存状态、变质演化特征, 以及矿物缺陷与"水"之间的相互作用和变质反应关系等，获得了一系列重要的数据，对于理解相关矿物相的微结构变化和成因机制提供了微观信息和依据。① 研究了名义上无水矿物(NAMs)柯石英及寄主矿物中结构水(OH–/H2O)的赋存状态、成因机制及其与构造缺陷之间的关系, 分析H在晶格内的赋存方式及其对结构稳定性的影响以及不同条件下 (温度、压力、介质等) 氢的并入机理。 这些NAMs中的结构水对超高压变质流体的形成及演化起到了重要作用; ② 用第一性原理模拟计算及FTIR分析方法，研究了柯石英结构中H的可能掺杂替代形式以及结构水(OH–)的形成机理。探讨不同高压下H或其它原子以不同方式进入柯石英晶体中的结构性质以及稳定性。分析柯石英的结构与成分变化对H的赋存方式、含量及分布状态的影响, 了解晶格内H的结合机理; ③ 柯石英结构羟基变温行为的FTIR研究表明，随温度升高柯石英体积发生热膨胀，氢键长度增加，结构OH的伸缩振动向高波数移动显示其热变化趋势。研究不同温度下OH峰位随温度变化的影响因素以及 OH 峰位移动规律和其它元素之间的关系等，探讨不同环境下晶格内H的结合机理; ④ 在柯石英及主矿物中观察到纳米级水分子团 (< 100 nm), NAMs 结构中的流体和 “水分子团” 形式H2O的存在, 可促进矿物发生退变质作用, 加速岩石的塑性变形和退变质作用的进程; ⑤ 研究了柯石英及退变质石英中晶畴结构的性质、微纳米裂隙、缺陷构造与主矿物之间的关系等。深入认识和理解该类矿物中结构水的赋存状态及变质演化规律, 与晶畴结构及晶体缺陷构造之间的相关性，及其在岩石的形成、折返和构造演化过程中的作用与意义。