地幔流体组成

收稿日期:19990614作者简介:张铭杰(1965—　),男,副研究员,博士,地球化学专业。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(49233060,49133090)地幔流体组成张铭杰,王先彬,李立武(中国科学院兰州地质研究所,甘肃兰州730000)摘　要:地幔流体是当今地球科学研究中的前沿领域之一,具有重要的研究价值。

文中总结了地幔流体组成研究的手段、实验方法及近年来的进展,探讨了目前存在的问题,认为当前需进一步工作的领域有:(1)确定适宜于地幔流体组成测定的实验方法,以便进行全球数据对比;(2)开展不同类型地幔源区中地幔流体稀有气体同位素体系与Pb Sr Nd Hf Os 同位素体系的对比性研究;(3)对不同构造单元中的地幔流体进行研究,建立不同端员地幔源区的地幔流体组成和稳定同位素制约因素;(4)研究壳幔相互作用过程中的地幔流体,确定地幔流体中再循环地壳组分的鉴别标志;(5)在全球范围内探讨地质历史时期地幔流体的组成、性质、运移及演化规律;(6)开展幔源H 2及烃类的研究,为非生物成因天然气理论及勘探提供依据。

关键词:样品;实验方法;组成;地幔流体中图分类号:O35,P61　文献标识码:A 文章编号:10052321(2000)02040112地幔流体是指在地幔环境下处于平衡稳定状态的气相和液相组分,其化学成分以C ,H ,O ,N ,S 等为主,并溶有多种碱性元素、稀有气体及F ,P ,Cl 等微量组分[1,2];其挥发份的种类和含量受源区特征、构造环境、演化历程及再循环地壳组分等因素的制约[3,4],是地球内部物质和能量传输最活跃的组分,对地幔状态、物理性质有着重要的影响,与深部地幔作用及浅表地层事件有着密切的关系,是当今地球科学研究的前沿领域之一。

1　地幔流体研究的手段、方法及意义1.1　地幔流体研究的重要意义(1)地幔流体在地球演化过程中具重要的意义。

原始地球在分异形成地核和原始地幔及其后的上、下地幔和地壳的过程中[5,6],地幔流体组分以各种方式脱出。

脱气最少的下地幔自4.5Ga 以来,基本上处于封闭体系,为未亏损的富集地幔,可揭示原始地幔的气体组成特征。

而上地幔已基本上去气,地球早期50M a 内的剧烈脱气构成了今天大气圈和水圈的主体[6,7]。

地质历史时期的地幔流体可提供地球演化过程中,内部挥发份的组成及演化规律,探讨地球脱气作用对大气圈、水圈的影响[8]。

(2)地幔流体在地幔岩浆作用、地幔交代作用及地幔柱活动等深部过程中降低了固相线,促使低熔点富挥发份的富钾原始岩浆(金伯利岩、钾镁煌斑岩、富碱熔岩等)和地幔交代—401—第7卷第2期2000年4月地学前缘(中国地质大学,北京)Earth S cience Frontiers (C hina University of Geosciences ,Beijing )Vol .7No .2Apr .2000熔体的形成,导致地幔富集或亏损事件,形成不同类型的地幔源区。

在核幔边界处下地幔(甚至地核)脱气形成的地幔上升热流体引发地幔交代作用,导致地幔柱及超级地幔柱作用。

这些都是地幔化学不均一性的源动力,也是克拉通陆壳增生抬升的动力[9～11]。

(3)地幔流体与板块俯冲作用、岩石圈地幔底侵作用和拆沉作用等壳幔相互作用关系密切,这些过程导致壳源物质再循环进入地幔[12,13],形成一些特定的地幔端员成分,如H IM U ,EM Ⅱ等。

俯冲作用造成的壳源板片进入深部地幔引起地幔对流及地幔柱作用,地幔流体的研究为探讨这些地质作用机理提供依据。

(4)火山爆发、深源地震等灾害地质事件中,地幔流体的助熔作用、减压膨胀、易于流动等性质促进了火山的形成,且火山喷发的形式与岩浆中流体相的含量有极大的关系[14]。

现代火山喷气和熔岩及地质历史时期的火山岩中流体组分均表明地幔相的存在[14～18]。

在深源地震区地幔流体的聚集膨胀,导致地内应力的改变,在地壳薄弱处或深大断裂活动带释放应力,从而引发地震,同时也释放出聚集的流体组分,在现代地震活动过程中均检测到大量来自地幔的流体相[19],据此建立了H 2,He 预报地震体系。

(5)非生物成因天然气等非常规能源的聚集成藏,依赖于地幔流体提供物源、热源及运移源动力。

目前已在许多天然气和石油中发现有来自地幔的流体挥发份[20～22],而地幔流体中H 2及CH 4,C 2H 6等烃类气体为地球原始气体成分,它们的大量存在为非生物成因天然气提供了充足的物质来源[23～28],这些组分通过一定的上升通道在合适的构造环境地区有可能形成气藏[20～22]。

目前应重视拉张环境中火山活动地区、地幔柱、深源地震区等具地幔流体上升通道条件地区的勘查。

另外,地幔流体在成矿作用过程中具十分重要的作用,许多金属矿床的形成过程中,地幔流体作为成矿剂和搬运介质的作用不可忽视[29]。

1.2　地幔流体研究的手段和方法1.2.1　地幔流体研究用样品由于地幔流体所处环境的特殊性,目前难以对其进行直接观察和研究,但地幔流体通过各种形式被带到地表,为研究地幔流体提供了直接样品,常用的有如下几类:(1)现代火山喷气、温泉气和深大断裂气:在火山喷发过程中空气、地下水、地壳内流体组分会直接注入或通过取样混入[17,18],因此难以用火山喷气来确定地幔流体的化学组成,但从同位素组成、稀有气体组成的角度可以达到这一目的[16～18]。

温泉和深大断裂是地球内部挥发份进入大气的另外两种主要通道,其气体中也有地幔流体的混入[15,16,19]。

另一种最重要样品,来自现代海底洋脊环境和弧后扩张盆地强烈排泄的热水流体及其热水沉积物(硫化物和黑烟囱)。

(2)玄武岩、金伯利岩及其地幔捕虏体内的气液包裹体及矿物结构空隙中的挥发性组分:由于这些包裹体为机械裹入或与岩浆混溶后减压出溶形成的[25],其化学组成不受元素性质(相容性)的制约,真实地记录了地幔不同演化阶段的流体组成[23～27,30]。

(3)不同类型的大洋玄武岩源自不同的地幔源区[31],其成因最为简单明了,从MORB 到OIB 和IAB 都含有丰富的流体组分,准确测定其中的流体组成可建立不同源区地幔流体的特征,确定在地幔部分熔融过程中流体演化的特征[24]。

大洋玄武岩下的深源橄榄岩为地幔岩部分熔融形成玄武岩浆后的残余[3],把它和相应玄武岩中的流体组分对比研究,可建立地幔流体组分在部分熔融过程中的分馏机制。

(4)板块碰撞带(造山)中产出的超镁铁质岩为来自洋底地幔的堆晶岩或变质橄榄岩,—402—　化学地球动力学　地　学　前　缘　2000,7(2)其流体组分记录了不同地质历史时期地幔流体的信息[3];另外陆内的一些超镁铁质侵入岩源自地幔,也可用于地幔流体的研究。

1.2.2　地幔流体的测定方法以地幔流体组成为研究目标的实验方法很多[32～35],大致可分为如下几类:(1)无损测定法:包括显微热台、原子吸收光谱、红外光谱、激光拉曼光谱等以测定幔源岩中气液包裹体或某一特定组分为测试目标[33,34]。

(2)真空碎裂法:该方法是在真空状态下把样品碎裂以破碎其中的气液包裹体,释放出的气体导入质谱计或色谱计中测量[33]。

由于微量气体在样品粉末表面的选择性吸附,以及地幔流体在幔源岩中的保存形式有难以破碎释放的μm 级、亚μm 级超显微包裹体和矿物结构内或空隙中的挥发份[25],因此其测定结果的误差较大。

但在碎裂过程中稀有气体几乎不产生明显的分馏,且可最大限度地降低放射性成因稀有气体的释放混入[36,37],因此,真空碎裂质谱法广泛用于流体包裹体中的稀有气体组成的测定。

(3)分段加热法:该方法是在真空系统中加热样品,使其中的气液包裹体爆裂释放,同时释放的还有矿物裂隙和结构空隙中的吸附气,以及矿物结构中的一些组分[4,32,35],且通过控制加热温度可区分出不同来源的流体组分[23～27]。

在测定时常采用的设备有质谱计和色谱计,因色谱计对地幔流体的主要成分———非烃的测定有一定的难度而限制了其用途[34]。

加热法在实验过程中应注意避免释放气体间的相互反应带来的误差[32,33]。

该方法在低温部分测定的结果与激光拉曼探针测定结果相似,高温部分测定结果含有较高的H 2,CO ,与模拟实验结果和理论计算结果一致,关于该方法实验过程已另文讨论[32]。

2　地幔流体组成近年来国际岩石圈计划和大洋钻探计划的实施,在固体地球、深部地质、地幔物质组成等领域取得了巨大进展,确认出了主元素、微量元素、REE ,He Ar Pb Sr Nd Hf Os 同位素组成等各具特征的不同类型地幔端员成分[8,9,31],同时也认识到地幔流体的重要性,开展了许多以地幔流体为研究目标的工作,在下列诸方面取得了较为注目的进展。

2.1　地幔流体中的挥发份2.1.1　流体组成(1)地幔流体为C H O S 体系,并含微量的稀有气体、Cl ,P 等,其成分以CO 2,H 2O ,H 2,CO ,SO 2,H 2S ,CH 4等形式存在,以含有较高的H 2为特征[1～4,23～27,38]。

在地幔岩的橄榄岩、辉石、石榴石等“无水矿物”中普遍含有OH [39～42],其流体包裹体内有大量的H 2[41],更深部地幔及地核含有固态氢、金属氢以及一些氢化物[42,43],使地幔成为氢的储库之一。

在地幔环境下可能存在固体CO 2[38]及类似石英结构、C —O 为共价键的CO 2[44]。

(2)地幔流体中普遍含有的地幔烃,CH 4,C 2H 6等低碳数烷烃在各种幔源岩的流体组分中普遍存在[4,23～27]。

蛇绿岩套的橄榄岩、碱性玄武岩的橄榄岩包体及金伯利岩的金刚石中的重烃(n 链烷)[45],说明非生物有机质是原始地球的组成成分之一。

(3)地幔流体组成在横向、纵向上具明显的不均一性[3,8,31]。

在横向上受构造环境、演化历史及再循环地壳组分的控制[3,8],如中国东部地幔捕虏体的流体组分中还原性气体—403—　2000,7(2)　地　学　前　缘　化学地球动力学H 2,CO 等占优势,而位于华北板块和扬子板块碰撞带间的江苏六合方山等地的地幔捕虏体中以氧化性气体CO 2,SO 2为主要成分,SO 2明显升高[4,26,27]。

在纵向上,地幔流体组成具有较大差别,已知来自岩石圈地幔的金伯利岩中的地幔捕虏体和金刚石中的流体组分含较高的H 2[23,46,47],而来自下地幔或核幔边界的超深流体和外地核的氢气圈含有更高的H 2,流体中CH 4和H 2约占气体总量的97.8%,N (H )/N (O )比值为1330[28],这种超深流体上升达软流层底部时,H 2O 多于CH 4。

上地幔流体的组分受再循环地壳组分的影响,氧逸度增大,氧化性气体含量增高,还原性气体H 2,CO ,CH 4等减少。