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俯冲带沉积物及其变质脱水过程中所产生的流体,在壳-幔物质循环、俯冲带流体形成和岛弧岩浆起源等地质过程中都扮演着重要角色。泥质岩是地球上广泛分布的一种表壳沉积岩石,与上地壳平均化学组成接近,是俯冲带沉积物的典型代表。为确定俯冲沉积物(岩)在俯冲带的变质脱水过程,对泥质岩(KFMASH体系)进行了热力学计算和榴辉岩相温压条件下恒温恒压实验。对所获取的实验产物进行了X射线粉晶衍射、电子探针和微量元素分析。利用高压差热(HPDTA)实验方法就位监测了泥质岩在高压下的脱水温度。
研究结果表明,受冷、热俯冲带不同温度梯度控制,沉积物(岩)在进入到俯冲带深部后变质脱水作用开始和结束的深度范围明显不同。在冷、热俯冲带其变质脱水作用的深度范围分别是95~155 km和48~84 km。这一结果表明,沉积物可能携带一定量的流体进入到岛弧岩浆源区。随俯冲作用进行,温度、压力不断升高,泥质岩经历了一个区域进变质作用过程。随不同含水矿物的消失该过程可以被分为三个阶段:①绿泥石变质脱水阶段;②角闪石、自云母变质脱水阶段;③黑云母变质脱水阶段。在各阶段中,随含水矿物的变质脱水作用不断进行,流体被逐渐从体系中释放出来。最后以黑云母的消失为标志,指示了泥质岩体系变质脱水作用的结束。
在俯冲带深部温度压力条件下,泥质岩所释放出的流体是一种以H2O和CO2为主要组成的超临界流体。通过对比恒温恒压实验初始物和产物的微量元素组成,可以推断该流体的微量元素组成以富集Cu、Pb、Nd、Ba等流体活动性元素为主要特征。俯冲带沉积物(岩)在进入到俯冲带深部前,受海水浸染而富集C1,这导致其在俯冲带深部变质脱水过程中,所释放出的流体中富集Cu、Pb、Rb、Sr、Cs、La、Ba、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu等微量元素。而未受到海水浸染或浸染程度较弱俯冲带沉积物,在俯冲带变质脱水过程中所释放出的变质流体中,上述微量元素的富集程度则相对较弱。
本文的研究结果揭示了沉积物(岩)在俯冲带的变质脱水过程,以及这一过程中,从沉积物所释放出的流体量,并对沉积物变质脱水后的矿物和微量元素组成,以及这些组成特征与温度、压力的关系进行了较为深入的探讨。从沉积物的角度,为俯冲带流体形成和岩浆起源提供了依据。对深入认识地壳物质的深俯冲作用、探讨俯冲带流体地球化学组成特征提供了实验证据。