论文部分内容阅读
为了探索铜(Cu)在岩浆过程中的地球化学行为，本论文采用Pt95Cu05和Au95Cu05合金管作为装样管（同时提供实验中铜元素来源）这一改进实验方法，得到了地壳到上地幔条件下，不同温度-压力-氧逸度环境中(1)在硅酸盐矿物，铁钛氧化物，硫化物和硅酸盐熔体间准确可靠的分配系数;(2)Cu在基性到酸性硅酸盐熔体里的视溶解度和价态。实验中，我们使用了七种不同组成的初始物进行高温高压实验，包括:Komatiite，MORB，Di70An30，K-basalt, Dacite,Haplogranite和HG80Bi20。大部分实验采用的是活塞圆筒装置，实验条件是0.5-3.5GPa，850-1300℃，氧逸度是FMQ-2到FMQ+5（FMQ为铁橄榄石-磁铁矿-石英氧逸度缓冲剂）;少部分实验采用的是快速淬火冷封水热釜，实验条件是0.2GPa，850℃，缓冲的氧逸度是WM（方铁矿-磁铁矿）和NNO(Ni-NiO)。 实验产物主要为矿物和淬火玻璃，其主微量成分用电子探针(EMP)和LA-ICP-MS分析。不同实验时间长短不一，但其它实验条件相同情况下，可以得到一致的分配系数，指示我们的实验是平衡或者接近平衡的。我们的实验结果显示，随着温度和氧逸度降低，Cu在硅酸盐熔体里的溶解度降低。从玄武质到玄武安山质，再到英安质熔体，相同温度、压力、氧逸度的话，Cu的溶解度变化不大，但是当熔体组成到流纹质时，Cu的溶解度明显降低。另外，我们根据Cu溶解度和氧逸度之间的函数关系，发现在很大一个温度和氧逸度范围内，Cu主要呈一价的Cu+溶解在熔体里，这个结论也得到了我们后续同步辐射XANES研究的证实。Cu在熔体里的溶解度和价态，结合Cu在矿物里的替换机制可以解释Cu在矿物熔体间的分配行为。我们所测分配系数结果显示Cu在硅酸盐矿物里高度不相容，在铁钛氧化物里中等不相容到相容。并且石榴石分配系数(0.01-0.06)≤长石(0.02-0.12)≤橄榄石(0.04-0.20)≈斜方辉石(0.04-0.24)≈角闪石(0.04-0.20)≤单斜辉石(0.04-0.45)≤磁铁矿，钛磁铁矿和铬尖晶石(0.18-1.83)。对于某种特定矿物，DCu随温度和氧逸度变化而变化。总的来说，温度、氧逸度越高，那么分配系数也越大。但对于单斜辉石和铁钛氧化物而言，矿物成分的影响更大。D单斜辉石/熔体Cu随着单斜辉石里面Na含量增加而增加;D磁铁矿/熔体Cu和D铬尖晶石/熔体Cu随着氧化物里的Fe3+增加而增加;D钛磁铁矿/熔体Cu随着钛磁铁矿里的Ti4+增加而增加。D磁黄铁矿/熔体Cu变化范围为561±59到5786±2459，并随着fS2增加而升高，随温度降低而升高。 通过实验，我们得到了大量可靠的分配系数，这使定量理解和预测岩浆过程中Cu的行为成为可能。(1)用我们的分配系数就能评估地幔部分熔融过程中，Cu地球化学行为的制约因素。我们的模型显示，在MORB和大部分原生弧玄武岩产生时，应有硫化物残余，换句话说，应处于总体比较还原的环境。当然，也有一小部分富Cu的弧玄武岩(＞70ppm)形成于氧化的，不含硫化物的环境，这与弧地幔地区可能存在部分高氧逸度区域一致。(2)基性岩石或岩浆在深部部分熔融或分离结晶都可形成中酸性岩浆，这个过程中可能涉及到基性矿物（石榴石、单斜辉石和角闪石）、铁钛氧化物和硫化物的残留或者分离。通过我们的矿物/熔体间的Cu分配系数可以算出一个总体分配系数，如果不含硫化物的话，这个总体分配系数应该大约等于0.2。这意味着，在没有硫化物的情况下，Cu将在中酸性岩浆中快速富集。我们的模拟结果显示:在深部地壳位置，弧岩浆持续的分离结晶或者下地壳（或俯冲板片）的部分熔融过程中，只要硫化物不稳定或者含量很少，都能形成富Cu岩浆。这也一定程度解释了为什么斑岩型Cu矿与高Sr/Y岩浆和加厚弧地区紧密相关。