碳酸岩熔体与地幔矿物反应的实验研究及其对华北克拉通岩石 圈地幔演化的意义

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	碳酸岩熔体与地幔矿物反应的实验研究及其对华北克拉通岩石圈地幔演化的意义
其他题名	Experimental study on reactions between carbonatite melt and mantle minerals: implication for evolution of the lithospheric mantle of the North China Craton
	李瑞
学位类型	博士
导师	唐红峰
	2019
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	中国科学院地球化学研究所
关键词	岩石圈地幔华北克拉通碳酸岩熔体-地幔矿物反应地幔矿物碳酸岩熔体
摘要	克拉通被认为是地球表面长期稳定的构造单元，然而中国华北克拉通经历了多种地质作用的改造，发生了克拉通破坏和岩石圈地幔由难熔型向饱满型的演化。大量实例研究发现华北克拉通破坏和其岩石圈地幔演化的机制涉及到橄榄岩与熔体的反应，与橄榄岩反应的熔体不仅有硅酸盐熔体，还可能有碳酸岩熔体。为了探讨碳酸岩熔体对华北克拉通岩石圈地幔演化的影响，本人利用活塞圆筒压机，在研究高温高压条件下碳酸盐矿物和含水碳酸岩熔体稳定性的基础上，以庙垭碳酸岩为初始物，开展了碳酸岩熔体与地幔矿物大麻坪二辉橄榄岩中斜方辉石、鹤壁方辉橄榄岩中橄榄石反应的高温高压实验研究，具体包括：(1) 1100℃-1300℃、 15kbar-30kbar 条件下碳酸岩熔体与斜方辉石反应 ; (2) 1100℃-1300℃ 、 15kbar-30kbar 条件下，碳酸岩熔体与橄榄石的反应。通过实验结果与华北克拉通地区地幔捕虏体岩相学和地球化学特征的对比，获得了判定碳酸岩熔体交代地幔矿物的主量元素地球化学指标，为华北克拉通岩石圈地幔由难熔型向饱满型演化的机制提供了直接证据。本文的主要结论有： (1) 碳酸岩熔体与斜方辉石反应后的新生矿物主要为单斜辉石 , 在 15kbar-20kbar、1100℃-1300℃的条件下，矿物组合为斜方辉石+单斜辉石+橄榄石；在 25kabr-30kbar、1100℃-1300℃的条件下，矿物组合为斜方辉石+单斜辉石。碳酸岩熔体与橄榄石反应后的新生矿物也主要为单斜辉石，在 15kbar-30kbar、 1100℃和 25kbar-30kbar、1200℃条件下矿物组合为橄榄石+单斜辉石；在 15kbar-20kbar、1200℃和 15kbar-30kbar、1300℃的条件下矿物组合为橄榄石，没有新生的单斜辉石。影响碳酸岩熔体与地幔矿物斜方辉石反应的主要控制因素为反应温度和熔体的水含量，压力影响较小；影响碳酸岩熔体与地幔矿物橄榄石反应的主要控制因素为反应温度和压力。 (2)碳酸岩熔体与地幔矿物反应的机制主要是溶解结晶，在碳酸岩熔体与矿物反应过程中，随着温度的升高，残余熔体成分与新生矿物的氧化物 SiO2、CaO、MgO、Cr2O3 表现出相同的变化趋势，因此溶解结晶作用控制着新生矿物单斜辉石和橄榄石的化学成分。 (3) 碳酸岩熔体-地幔橄榄岩的斜方辉石反应形成的单斜辉石与硅酸盐熔体-地幔橄榄岩的斜方辉石反应形成的单斜辉石相比具有较高的Mg#和 Ca/Al 比值(一般大于5)。碳酸岩熔体与橄榄石反应形成的单斜辉石比与斜方辉石反应形成的单斜辉石其Ca/Al 比值更高。为Zong and Liu (2018) 提出的新生单斜辉石的Mg#和Ca/Al 比值可以作为判定碳酸岩熔体参与地幔矿物反应的指标提供了直接的实验证据。 (4) 在 Wo-En-Fs 辉石端元组成三角图中，碳酸岩熔体与地幔斜方辉石反应生成的单斜辉石很好地落入华北克拉通岩石圈地幔包体单斜辉石的组成范围内；Harker 图解展示了碳酸岩熔体与斜方辉石生成物单斜辉石与华北地区中、新生代大同、信阳、鹤壁、宽甸、栖霞、铁铜沟、李家屯、东海等地地幔捕虏体单斜辉石的成分演化趋势具有一致性。因此，碳酸岩熔体与地幔橄榄岩中斜方辉石反应可以生成华北克拉通岩石圈地幔包体的单斜辉石。实验岩石学研究对华北克拉通碳酸岩熔体与地幔矿物反应的温度压力条件提供了约束，宽甸地区单斜辉石形成条件可能为 15kbar、1100℃-1200℃，李家屯和东海地区可能为 20kbar、1100℃-1300℃，鹤壁、栖霞和铁铜沟地区可能为 20kbar-25kbar、1100℃-1300℃。 (5) 实验结果证实了碳酸岩熔体与岩石圈地幔富斜方辉石的橄榄岩反应可以形成富单斜辉石的橄榄岩，即碳酸岩熔体与地幔岩反应完全能导致克拉通岩石圈地幔由难熔型向饱满型的演化。
其他摘要	Craton is considered to be a long-term stable tectonic unit on the earth's surface. However, the North China Craton has undergone many geological processes, including craton destruction and evolution of lithospheric mantle from refractory to fertile characters. A large number of case studies have found that the mechanism of the destruction of the North China Craton and its lithospheric mantle evolution is related to the reactions between peridotite and melts. The reactant melts with peridotite not only contain silicate melts, but also contain carbonatite melts. To study the influence of carbonatite melts on the evolution of lithospheric mantle in the North China Craton, the author based on the study of the stability of carbonatite and water bearing carbonatite melts under high temperature and pressure conditions using a piston cylinder apparatus, with Miaoya carbonatite melts as initial material reacting with olivine from Hebi harzburgite and orthopyroxene from Damaping lherzolite.The experiments include: (1) the reaction of carbonatite melts with orthopyroxene at 1100C-1300C, 15kbar-30kbar; (2) the reaction of carbonatite melts with olivine at 1100C-1300C, 15kbar-30kbar. Based on the comparison of the experimental results and the petrographic and geochemical characteristics of mantle xenoliths in the North China Craton, the major element geochemical indexes of carbonatite melts and metasomatic mantle minerals are obtained, which provides direct evidence for the evolution mechanism of the lithospheric mantle in the North China Craton from refractory to fertility. The following are the conclusions of the thesis。
页数	114
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.gyig.ac.cn/handle/42920512-1/10769
专题	研究生
推荐引用方式 GB/T 7714	李瑞. 碳酸岩熔体与地幔矿物反应的实验研究及其对华北克拉通岩石圈地幔演化的意义[D]. 中国科学院地球化学研究所. 中国科学院大学,2019.

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碳酸岩熔体与地幔矿物反应的实验研究及其对（8794KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	浏览请求全文