Science 和 Nature 子刊连续发文!TESCAN 综合矿物分析仪助力固体地球科学前沿问题研究

近期,北京大学地球与空间科学学院许成研究员、张立飞教授和费英伟教授联合团队合作发现来自地幔过渡带(深约400公里处)的超高压矿物和古元古代现代板块构造的岩石学证据,在地球深部物质组成和板块构造启动时限等科学问题上取得了重大突破,研究成果相继发表于权威科学期刊Science Advances(2017年)和Nature Communications(2018年)上。其中一些重要的矿物学和岩相学工作是由捷克孟德尔大学宋文磊博士和Jindřich Kynický博士与TESCAN总部应用部门(位于捷克布尔诺)使用TESCAN综合矿物分析仪(TIMA)合作完成。
      地球内部的结构组成
板块构造运动的起始是当今固体地球科学研究最前沿、最具挑战性的关键科学问题。

俗话说,上天不易,入地更难。人类对于地球内部的了解还非常有限,固体地球的半径达 6400 公里,而目前人工钻探最深仅到 12 公里。科学家只能通过出露于地表的岩石或深部岩浆携带的捕虏体来推测地球的深部物质组成。

(图片来源于网络)


板块构造是地球区别于其它太阳系类地行星的主要特征,它不仅影响着地幔的组成和演化,而且还控制着地球的水圈和大气圈,对地球上生命的起源具有重大意义,然而对现今板块构造启动的时间和机制的认识仍然存在很大分歧。

近期,北京大学地球与空间科学学院许成研究员、张立飞教授和费英伟教授联合团队合作发现来自地幔过渡带(深约 400 公里处)的超高压矿物和古元古代现代板块构造的岩石学证,在地球深部物质组成和板块构造启动时限等科学问题上取得了重大突破。

研究的成果相继发表于权威科学期刊 Science Advances(2017年)和Nature Communications(2018年)上。其中一些重要的矿物学和岩相学工作都是使用TESCAN综合矿物分析仪(TIMA)完成,文中也对TIMA分析方法进行了具体解读。

△  研究成果发表在 Science Advances (2017年)

研究成果发表在 Science Advances (2017年)



△  研究成果发表在 Nature Communications (2018年)

研究成果发表在 Nature Communications (2018年)

许成团队首次在我国华北克拉通中北部的内蒙古丰镇和河北怀安一带的幔源火成碳酸岩内发现了极少量的厘米级榴辉岩捕虏体(许成等,2018)

榴辉岩(由俯冲板块在深俯冲过程中遭受超高压变质作用形成)主要由绿辉石和石榴石组成,其次为蓝晶石、石英、帘石、多硅白云母和角闪石等。通过各种矿物温压计和 THERMOCALC 程序计算获得其峰期矿物组合石榴石+绿辉石+蓝晶石位于 2.5-2.8 GPa和 650-670℃ 的稳定范围,对应 250 (±15)℃ GPa-1 的低温古俯冲带地热梯度。

图 1:TIMA 解离分析碳酸岩内榴辉岩捕虏体及其矿物组成(修改自许成等,2018)


石榴石内独居石 U-Pb 定年确定其变质峰期年龄为 18.4 亿年,这是迄今为止记录的最“冷”的古元古代俯冲带中低温高压变质作用。“冷”的深俯冲作用很可能在古元古代非常普遍,但全球的低温记录很容易被后来陆内碰撞所产生的高温变质作用覆盖。

板块构造何时启动一直存在争论,其主要原因在于缺少岩石学证据。该发现提供了直接的岩石学证据表明古元古代存在现代板块深俯冲。这些碳酸岩的地球化学特征显示其地幔源区含有俯冲的地壳物质,进一步表明地球早期已存在地壳物质深俯冲进入地幔,从而导致地幔深部碳循环。


此外,科研团队还在这些榴辉岩的石榴石内发现了超硅石榴石(超高压矿物,主要在深源金刚石或者陨石冲击坑中有零星发现)包体(许成等,2017),分析显示该矿物具有高的三价铁 Fe3+(Fe3+/全Fe~0.87),远高于目前金刚石内发现的超硅石榴石(Fe3+/全Fe<0.4)。

△ 图 2:TIMA拍摄的榴辉岩捕虏体中的超硅石榴石(Maj):图 (A) 为石榴石(Grt-II)中超硅石榴石包体的背散射图;图 (B) 显示超硅石榴石包体的铁和铝含量明显高于赋存矿物石榴石(引自许成等,2017)

图 2:TIMA拍摄的榴辉岩捕虏体中的超硅石榴石(Maj):图 (A) 为石榴石(Grt-II)中超硅石榴石包体的背散射图;图 (B) 显示超硅石榴石包体的铁和铝含量明显高于赋存矿物石榴石(引自许成等,2017)

高温高压合成实验标定其形成压力为14GPa,起源于地幔过渡带(>400公里)。该发现为碳酸岩岩浆起源于地幔过渡带提供了直接的矿物学证据,同时异常富三价 Fe 超硅石榴石说明地幔过渡带存在局部富氧成分,这与俯冲地壳物质相关。这一发现对人们认识深部地幔的物质组成和演化具有非常重要的意义。






上述成果中 TIMA 分析工作
(图1和图2)是由捷克孟德尔大学的宋文磊博士与 Jindřich Kynický 博士和 TESCAN 扫描电镜公司总部(捷克布尔诺)TIMA 应用部门合作完成。

由于捕虏体结构复杂、矿物类型多样、颗粒繁多且大小不等(毫米至微米级),有时与寄主岩石和矿物在结构和成分上差别并不显著,因而普通光学显微镜、扫描电镜、激光拉曼和电子探针等分析仪器对于寻找和识别这些包含在捕虏体中且非常稀少的来自地球深部的(高压)矿物效果并不明显,研究过程相当耗时且仅限于对局部的观察,极易遗漏重要信息。

全球著名扫描电镜公司 TESCAN 的综合矿物分析仪(TIMA,图4)可以很好的解决以上问题

该仪器是利用扫描电镜的岩石矿物自动定量化分析系统,具有将电镜和能谱高度集成的独特技术,能进行极高分辨率的 BSE 与 EDX 快速全谱成像大范围面扫描自动拼接功能,可以完成对整个样品的快速、准确的多元素面扫描;其配备的矿物处理专业软件可以辅助分析扫描结果,实现各种矿物相的快速鉴定、分布模式、含量测算以及自定义矿物寻找功能,避免相似结构和成分的分析误差,揭示样品的整体形态、矿物含量、结构构造和矿物共生组合特征

对于以上研究样品量很少的榴辉岩,通过其各矿物含量估算的有效全岩成分将提高变质岩视剖面图温压计的可靠性,同时还可以查明矿物相内部和不同矿物相之间的显微结构关系以及对含量很少(如用于准确定年的锆石和独居石)或未知矿物的辨别,从而获取捕虏体的起源和演化的关键信息。


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