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名义上无水矿物中水的定量方法及其优缺点:FTIR方法及其存在问题

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矿物岩石地球化学通报 2021年第2期40卷 425-447页

作者：严薇刘曦造山带与地壳演化教育部重点实验室北京100871 北京大学地球与空间科学学院北京100871

构成地幔的主要物相多是名义上无水矿物(NAMs),如橄榄石、辉石等,其晶体结构中能赋存一定量的水。水能显著地影响矿物、岩石体系的物理、化学性质乃至地球深部的许多重要地质过程。为精确获取NAMs的水含量,科学家不断开发和改进水的定... 详细信息

构成地幔的主要物相多是名义上无水矿物(NAMs),如橄榄石、辉石等,其晶体结构中能赋存一定量的水。水能显著地影响矿物、岩石体系的物理、化学性质乃至地球深部的许多重要地质过程。为精确获取NAMs的水含量,科学家不断开发和改进水的定量分析方法,其中傅里叶变换红外光谱法(FTIR)是测定NAMs中水含量的最主要手段,但不同研究者的结果常有较大差异。本文就近年来NAMs中水的多种定量方法的研究进展进行综述,着重讨论FTIR方法及其存在问题,并初步谈论NAMs中水定量方法的未来研究方向。基于已有文献数据,本文进一步提出针对NAMs的新通用标定系数εtot=262.68(491)×[3644(94)-■],它既能弥补现有通用标定法建立于含水矿物、玻璃基础上的缺陷,又能较合理地体现吸收系数与频率的依赖性。

关键词：名义上无水矿物水含量定量方法傅里叶变换红外光谱(FTIR) 羟基红外吸收系数

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名义上无水矿物的原位高温分子光谱

矿物岩石地球化学通报 2017年第1期36卷 48-58页

作者：杨燕浙江大学地球科学学院杭州310027

名义上无水矿物(NAMs)是深部地球的主要物相,是构成深部地球最主要的水储库。过去的几十年里,人们对地球深部水的分布及其对矿物乃至岩石系统的宏观效应的认识取得了长足进展,但是对水效应微观机制的关注较为欠缺。分子光谱是联系固体... 详细信息

名义上无水矿物(NAMs)是深部地球的主要物相,是构成深部地球最主要的水储库。过去的几十年里,人们对地球深部水的分布及其对矿物乃至岩石系统的宏观效应的认识取得了长足进展,但是对水效应微观机制的关注较为欠缺。分子光谱是联系固体宏观性质和微观过程的重要手段,而且原位高温分子光谱实验能够直接测量矿物在地球深部温度下的电子吸收、分子振动和转动。本文按照波谱频率的高低,主要介绍了原位高温分子光谱在研究名义上无水矿物中的应用:研究地幔的辐射传热,地球深部温度下NAMs中水的状态,以及地幔的热力学性质。旨在让更多的学者能够在分子级尺度上认识深部地球性质和动力学过程。

关键词：名义上无水矿物高温原位分子光谱

名义上无水矿物中微量结构水的分析方法研究进展

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中国科学：地球科学 2016年第4期46卷 443-453页

作者：盛英明龚冰李万财夏梅中国科学技术大学地球和空间科学学院中国科学院壳幔物质与环境重点实验室合肥230026

在地球内部,氢主要以羟基和分子水的形式存在于矿物和熔体中,构成各种活动和不活动的富水组分.对于含水矿物来说,氢主要占据正常的结构位置,是矿物化学式中不可或缺的一部分.对于名义上无水矿物来说,尽管其化学式中不含氢,但是在矿物结... 详细信息

在地球内部,氢主要以羟基和分子水的形式存在于矿物和熔体中,构成各种活动和不活动的富水组分.对于含水矿物来说,氢主要占据正常的结构位置,是矿物化学式中不可或缺的一部分.对于名义上无水矿物来说,尽管其化学式中不含氢,但是在矿物结构位置和晶格缺陷中可以含有微量的结构水和分子水.矿物晶格缺陷中的流体/熔体包裹体可含有可观量的水.尽管名义上无水矿物的水含量很有限,通常在ppm量级,但是这些微量水对矿物乃至岩石体系的诸多物理化学性质均会产生极其显著的影响.伴随现代分析技术手段的不断改进和提高,针对名义上无水矿物中结构水含量及其氢同位素组成的探测表现为朝着更高的空间分辨率、更低的检出限以及多种分析方法综合应用的方向发展.迄今为止,显微红外光谱仍然是名义上无水矿物中结构水观察的最主要手段,此外离子探针、连续流质谱法和弹性反冲探测分析技术等亦得到了更广泛的应用.本文简要回顾近年来这些分析方法的研究进展及其应用情况.

关键词：名义上无水矿物水含量结构羟基分子水红外光谱

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名义上无水矿物水含量的非偏振红外光谱测定

名义上无水矿物水含量的非偏振红外光谱测定

作者：邱杨杨南京大学

学位级别：硕士

地球内部的水除了以分子水等形式存在于熔体、流体和流体包裹体等载体中,还以结构水的形式赋存在名义上无水矿物中。名义上无水矿物,是指那些理想化学式中不含氢但其晶体结构中含有微量缺陷形式氢的矿物。名义上无水矿物中的氢主要通过... 详细信息

地球内部的水除了以分子水等形式存在于熔体、流体和流体包裹体等载体中,还以结构水的形式赋存在名义上无水矿物中。名义上无水矿物,是指那些理想化学式中不含氢但其晶体结构中含有微量缺陷形式氢的矿物。名义上无水矿物中的氢主要通过电荷平衡替代或占据晶体间隙,以OH-、H2O、H2、NH4+等结构水的形式赋存于矿物晶体结构中。常见的名义上无水矿物包括石英、长石、单斜辉石、斜方辉石、橄榄石、石榴石等,一直以来都深受矿物学家和高温高压实验学家的青睐。名义上无水矿物中的水含量很少,通常为数ppm到数千ppm,但却对地幔矿物的物理化学性质和地球内部物理化学过程具有显著影响。另外,由于深部地幔主要是由辉石、橄榄石、石榴子石以及他们的高压相变矿物等名义上无水矿物组成,因此,名义上无水矿物成为地球内部非常重要的水储库。水的存在对地球内部的物理化学性质和地球动力学过程具有极其重要的影响。矿物和熔体中的水可以提高离子扩散速率、降低矿物熔点、促进部分熔融,还可以增强电导率、降低地震波速、改变流变强度,影响矿物和岩石的物理性质。另外,水对板块运动以及全球水循环也具有一定的影响。名义上无水矿物中的水对地球内部水的分布和储存、地球内部矿物的物理化学性质、地质过程、地球内部演化和地球内部和外部的水循环等的影响,与其在名义上无水矿物中的赋存形式和含量密切相关。因此,对名义上无水矿物中水含量的准确测定是了解地球内部很多物理化学性质和效应的重要前提。近些年来,随着测量仪器的日益精密和技术手段的不断创新,名义上无水矿物中的水含量的分析测定方法获得了重大发展。目前国际上有很多方法可以测定名义上无水矿物中的水含量,比较常用的分析测定方法有傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析、二次离子质谱(SIMS)分析、弹性反冲探测(ERDA)分析、核磁共振(NMR)等。其中,傅里叶变换红外光谱分析具有经济、简便、灵敏、无损、微区、有效区分氢污染、高分析精度等优点,使其仍然是目前应用最广泛的分析方法。在校正系数可靠的前提下,采用偏振红外光谱测定名义上无水矿物中水含量的方法越来越精确。但很多情况下,受样品数量、大小以及时间成本等的影响,国内外学者往往采用非偏振红外光谱分析来测定非定向性名义上无水矿物中的水含量。无论从理论推导层面还是实验评估层面来看,非偏振红外光谱分析都有不同的方法,但是这些方法的准确度都没有经过实验验证。本文对实验生长的宝石级含水橄榄石、单斜辉石和斜方辉石单晶的水含量测定的准确度进行了仔细评估。我们对样品分别进行了偏振和非偏振红外光谱测定,通过获得的两种光谱进行水含量计算。研究结果显示,无论采用哪种计算方法,对矿物晶体的单次非偏振测定都不足以得出精准的水含量,而且其相对误差可能高达约80%。Paterson(1982)的分析方法是基于线性吸光度强度理论的,其单次分析及多颗粒平均分析结果往往都低估了晶体真实水含量,最高可能低估了～6倍。另外一种非偏振校正方法是通过计算多个非定向颗粒的平均积分吸光度来计算水含量的,结果显示,2个相互垂直方向的平均积分吸光度得出的计算结果相对误差范围多在±25%以内,10个任意方向的平均积分吸光度得出的计算结果相对误差范围则更小,通常在±10%以内。因此,如果有足够数量的任意方位颗粒可供分析,应用后一种计算方法定量化名义上无水矿物中水含量可能会更精准一些。然而,这些相对误差是非系统性的,在实际测定过程中,高估或低估了矿物水含量都是有可能的。这些结果为定量化名义上无水矿物中的水含量及记录其对母岩的物理性质的定量化影响提供了重要基础。

关键词：结构水水含量定量分析非偏振光谱傅里叶变换红外光谱名义上无水矿物

中国大陆科学钻探工程主孔超高压岩石中名义上无水矿物的结构水研究

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中国大陆科学钻探工程主孔超高压岩石中名义上无水矿物的结构水研...

作者：赵旭东中国地质科学院

学位级别：硕士

中国大陆科学钻探工程(CCSD)位于苏鲁造山带根部的超高压变质带上,主孔井深5158m,获得了许多重要的超高压变质岩样品,受到研究者的广泛关注。钻孔中的榴辉岩累积厚度可达1300米,主要组成矿物为石榴石、绿辉石、石英、金红石等名义上无... 详细信息

中国大陆科学钻探工程(CCSD)位于苏鲁造山带根部的超高压变质带上,主孔井深5158m,获得了许多重要的超高压变质岩样品,受到研究者的广泛关注。钻孔中的榴辉岩累积厚度可达1300米,主要组成矿物为石榴石、绿辉石、石英、金红石等名义上无水矿物(NAMs),为研究大陆深俯冲过程中的流体含量、存在形成及演化过程提供了难得的样品。本文利用傅立叶变换红外光谱(FTIR)技术对CCSD主孔及地表超高压岩石中NAMs进行了原位分析,结果表明,所有的NAMs中都含有一定的结构水,主要以羟基(OH)的形式存在。其中残留在绿辉石中的结构水含量为23～398ppm,表明绿辉石可能是榴辉岩中水的主要寄主矿物。根据红外光谱中吸收峰的形状和位置的不同可以将石榴石分为三类,其中A类石榴石的结构水为经历超高压过程后所保留下来的结构水,B类和C类可能受到后期流体的扩散作用的影响。金红石中残留的结构水可高达1494ppm,蓝晶石为20～22ppm,石英中存在有OH形式的水,但含量很低。各种矿物中的结构水的分布在宏观尺度和微观尺度都表现为不均一,证明超高压变质后期缺乏大规模流体的活动。绿辉石中残余的结构水部分地受矿物成分、全岩成分及矿物组合控制,与峰期变质条件、氧同位素值及岩石退变质程度无关。超基性岩中橄榄石的结构水含量为63～77ppm,单斜辉石53～163ppm,斜方辉石4～6ppm。根据各种矿物在岩石中所占的体积含量计算出全岩的结构水含量,榴辉岩中残留的结构水14～220ppm,平均值为76ppm,超基性岩为55.5ppm。根据估算,石榴石和绿辉石各占一半的榴辉岩在峰期变质条件下的含水量为1225ppm,上地幔中的水接近1000ppm。在板块折返过程中将会有1142ppm左右的水发生出溶,参与早期退变质过程。深俯冲过程中发生拆沉的板块将携带着大约1225ppm的水进入上地幔,成为水在壳-幔循环中重要的一环。

关键词：名义上无水矿物结构水含量超高压变质作用中国大陆科学钻探

大型二次离子质谱同时测试名义上无水矿物的水含量和氧同位素

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大型二次离子质谱同时测试名义上无水矿物的水含量和氧同位素

俯冲带榴辉岩中水的赋存机制及其溶解度的控制因素

中国矿物岩石地球化学学会第17届学术年会

作者：夏小平张万峰杨晴李万才 Eiichi Takahashi 中国科学院广州地球化学研究所中国科学技术大学地球与空间科学学院

＜正＞名义上无水矿物（nominally anhydrous minerals,NAMs）如橄榄石、辉石、长石、锆石等的水含量分析引起了地球科学家的关注,这些分析结果帮助我们更好地理解了水在地球的壳、幔以及水圈之间如何循环(Bell and Rossman,1992;Blundy... 详细信息

＜正＞名义上无水矿物（nominally anhydrous minerals,NAMs）如橄榄石、辉石、长石、锆石等的水含量分析引起了地球科学家的关注,这些分析结果帮助我们更好地理解了水在地球的壳、幔以及水圈之间如何循环(Bell and Rossman,1992;Blundy and Cashman,2005;Plank et

关键词：名义上无水矿物水含量氧同位素二次离子质谱

来源： cnki会议评论

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高校地质学报 2024年第2期30卷 142-156页

作者：殷常鑫康磊刘良西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室西安710069

榴辉岩是俯冲带重要的高压—超高压变质岩石类型之一,其主要组成矿物为石榴子石和绿辉石,是名义上无水矿物(NAMs)。随着板片俯冲过程中温度压力的升高,富水流体被释放,但榴辉岩中的石榴子石和绿辉石仍然可以携带一定量的水,成为水向地... 详细信息

榴辉岩是俯冲带重要的高压—超高压变质岩石类型之一,其主要组成矿物为石榴子石和绿辉石,是名义上无水矿物(NAMs)。随着板片俯冲过程中温度压力的升高,富水流体被释放,但榴辉岩中的石榴子石和绿辉石仍然可以携带一定量的水,成为水向地球内部传输的重要载体。在超高压岩石折返过程中,由于压力的降低,石榴子石和绿辉石中的水以羟基出溶的方式释放,能够引起高压变质岩石的退变质甚至同折返岩浆等一系列重要地球动力学过程。文章论述了矿物含水性的研究方法、石榴子石和绿辉石中水的赋存机制、水溶解度的控制因素(例如化学组成、压力、温度、水逸度、氧逸度等)以及板片俯冲/折返过程中榴辉岩水的行为,在此基础上凝炼当前研究中面临的科学问题展望了未来的研究方向。

关键词：俯冲带榴辉岩名义上无水矿物矿物含水量

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大别山金河桥超高压榴辉岩石榴石中的水

地球科学 2020年第4期45卷 1168-1186页

作者：蒋素会王志民陈仁旭郑永飞朱琳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安徽合肥230026 中国科学院比较行星学卓越创新中心安徽合肥230026

名义上无水矿物的水含量研究对于认识俯冲带流体活动和地球动力学具有重要意义.对大别山金河桥榴辉岩中石榴石进行了傅里叶变换红外光谱分析和主微量元素分析,结果表明石榴石含有分子水和结构羟基,分别为<1×10-6~1946×10-6和<1×10-6~... 详细信息

名义上无水矿物的水含量研究对于认识俯冲带流体活动和地球动力学具有重要意义.对大别山金河桥榴辉岩中石榴石进行了傅里叶变换红外光谱分析和主微量元素分析,结果表明石榴石含有分子水和结构羟基,分别为<1×10-6~1946×10-6和<1×10-6~1347×10-6.石榴石羟基含量与Ca、Na、Ti、Zr和Pr正相关,而与Si负相关,表明羟基结合机制以水榴石替代为主并伴有其他机制.分子水主要为初始水或折返过程中羟基转化形成.石榴石总水含量为<1×10-6~3293×10-6,最大值对应于峰期超高压石榴石水储存能力.水在峰期石榴石中可达到饱和.石榴石变化的水含量受原岩性质、流体可获得性、压力和温度等多种因素控制,但主要由折返过程中降压脱水导致.石榴石平均总水含量为749×10-6~1164×10-6,是俯冲板片向地幔水传输的重要介质.

关键词：榴辉岩石榴石名义上无水矿物水流体活动俯冲带岩石学

地球深部水循环的动力学机制与相关问题研究进展

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西北地质 2018年第2期51卷 209-219页

作者：李承泽王金荣兰州大学地质科学与矿产资源学院甘肃省西部矿产资源重点实验室(兰州大学) 甘肃兰州730000

地幔转换带是上下地幔的过渡区域,其内部发生的地质过程深刻影响着相关的地球动力学过程。俯冲带作为壳幔相互作用最强烈的地区之一,所产生的广泛分布在地表的大陆溢流玄武岩是研究壳幔循环动力学机制的重要对象之一。地幔转换带中含有... 详细信息

地幔转换带是上下地幔的过渡区域,其内部发生的地质过程深刻影响着相关的地球动力学过程。俯冲带作为壳幔相互作用最强烈的地区之一,所产生的广泛分布在地表的大陆溢流玄武岩是研究壳幔循环动力学机制的重要对象之一。地幔转换带中含有相当数量的水,都赋存在名义上无水矿物之中,通过俯冲作用引发的残余板片脱水产生的流体交代大陆岩石圈,所产生的大陆玄武岩具有弧型特征的地球化学信息,使得在判别大陆玄武岩与岛弧玄武岩时容易误判。传统的玄武岩构造判别图在区分2类玄武岩(CFB、IAB)时判别精度不够高,可以通过敏感元素进一步划分,所以需谨慎地使用构造判别图。新提出的地幔转换带水过滤器模型将地球深部水流体循环、大规模陆内岩浆作用和超大陆拼合与裂解组成了一个体系。这个模型揭示了超大陆的聚合潜在地导致了含水大洋板片在地幔转换带内的积累,并且可能改变了地幔对流的模式。

关键词：地幔转换带大陆溢流玄武岩名义上无水矿物俯冲带深部水循环