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中国科学：地球科学 2020年第12期50卷 1770-1784页

作者：李万财倪怀玮中国科学院壳幔物质与环境重点实验室中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026 中国科学院比较行星学卓越创新中心合肥230026

俯冲大洋板片在深俯冲过程中随着温度和压力的升高而发生变质脱水反应.脱水作用是俯冲带物质循环的关键一环,板片流体是板片-地幔相互作用的主要介质.脱水作用主要受俯冲带热结构和含水矿物的稳定性等因素控制.俯冲板片在浅部主要脱出含... 详细信息

俯冲大洋板片在深俯冲过程中随着温度和压力的升高而发生变质脱水反应.脱水作用是俯冲带物质循环的关键一环,板片流体是板片-地幔相互作用的主要介质.脱水作用主要受俯冲带热结构和含水矿物的稳定性等因素控制.俯冲板片在浅部主要脱出含NaCl等盐分的富水流体.随着俯冲深度的增大,流体中溶解的硅酸盐组分增多.在弧下和弧后深度,板片有可能发生部分熔融形成含水硅酸盐熔体,也可能由于硅酸盐和水达到完全混溶而形成超临界流体.不同类型板片流体的化学组成控制着流体与残余固相岩石之间的元素分配行为,总体来说超临界流体对微量元素的迁移能力最强,甚至可以有效迁移高场强元素.对板片流体化学组成的研究需要依靠高温高压实验、理论计算与天然样品研究的有机结合.文章重点讨论了板片流体中碳、氮、硫等关键挥发性元素的含量和种型及其主要控制因素,并探讨了流体的氧逸度和酸度等重要物理化学性质.板片流体的属性受矿物组合和温压条件控制而呈现复杂变化,俯冲带深部的流体据推测为弱碱性,而且不一定具有较强的氧化性.对俯冲带脱水作用和板片流体组成及性质的研究迫切要求开发高温高压原位分析等革新性的实验和计算技术.

关键词：俯冲带脱水作用板片流体挥发分氧逸度酸度

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俯冲带硫的地球化学行为及硫循环

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岩石学报 2022年第5期38卷 1345-1359页

作者：李继磊高俊黄高风马智佩王信水中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究院重点实验室北京100029 中国科学院地球科学研究院北京100029 中国地质大学(武汉)地球科学学院武汉430074

俯冲带是全球最大的物质循环系统,控制着硫(S)在地球内部圈层及表层的循环,影响着大气圈、水圈、生物圈、岩石圈的稳定性以及地球的宜居性。厘清S在俯冲带中的地球化学行为和循环特征对理解地球各储库的氧化还原状态、岩浆作用与演化、... 详细信息

俯冲带是全球最大的物质循环系统,控制着硫(S)在地球内部圈层及表层的循环,影响着大气圈、水圈、生物圈、岩石圈的稳定性以及地球的宜居性。厘清S在俯冲带中的地球化学行为和循环特征对理解地球各储库的氧化还原状态、岩浆作用与演化、成矿物质聚集、以及地球大气成分等具有重要意义。本文首先总结了进入俯冲带之前的大洋岩石圈的S结构模型,对S在大洋板片中的分布状态和地球化学特征进行了系统归纳。随后,系统阐述了俯冲带高压-超高压变质岩记录的板片变质及脱水过程中硫的地球化学行为。岩石学研究表明俯冲板片中的S多以硫化物相存在,硫酸盐矿物在弧前深度就已被释放或分解。相较于熔体,俯冲带流体中S的溶解度更高,是运移硫的更有效方式。DEW模型计算结果显示,流体中S含量总体较低,但在俯冲板片~90km处其含量有一个峰值(浓度0.5%~1.0%)。岩相学证据、地球化学测试结果、磷灰石S近边吸收结构(S-XANES)特征以及模拟结果都显示俯冲深部流体中S多以HS^(-)及H_(2)S形式存在,不含大量的SO_(4)^(2-)及硫酸盐;中f_(S_(2))流体有利于S迁移出俯冲板片,从而促进俯冲带大规模S循环,而高f_(S_(2))流体在流-岩交换过程沿流体通道发生S的锁固作用而不利于俯冲带S循环。质量平衡计算显示全球俯冲带S输入通量为4.65×10^(13)g/yr,弧下深度板片S输出通量为2.91×10^(12)g/yr,板片-岛弧S循环效率仅6.3%。俯冲板片在弧下深度可能存在一个短暂高效的S释放窗口,释放流体的δ^(34)S值为-2.1±3.0‰。基于高压-超高压变质岩中硫化物的研究,初步厘清了俯冲板片中S的地球化学行为,首次从板片角度全面、定量地限定了俯冲带的脱硫通量、效率、种型和同位素特征,提出俯冲带循环的S不是岛弧岩浆的氧化剂,与岛弧环境的正δ^(34)S值也无直接因果联系,对解析俯冲带S循环和理解地球长期的S循环具有重要意义。最后,本文还展望了俯冲带S循环的未来发展方向,应在俯冲带流体氧化还原性质(硫酸盐的命运)、俯冲沉积物对S循环的制约、俯冲带环境下多硫同位素的分馏效应、S循环与其它挥发分(如C等)循环之间的耦合关系、地球历史上深部S循环等方向做出探索,更深入地理解俯冲带及全球S循环过程。

关键词：俯冲带硫循环高压-超高压变质岩板片流体岛弧氧逸度

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