“深地资源勘查开采”专项
                燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应
柯石英(Coesite)SiO4及OH红外特征、常压非晶化及脱水过程研究
2017-03-25 23:04

柯石英(CoesiteSiO4OH红外特征、常压非晶化及脱水过程研究

  柯石英(Coesite)是石英在超高压变质作用下的产物,对地壳深俯冲至地球100km深度以下并快速返回至地表的过程具有重要的指示意义。其晶体结构,热膨胀系数、压缩系数、声速等物理性质,相稳定性,振动性质,水的溶解度及含水机制等相关研究,受到地学学者的广泛关注。

然而,柯石英某些重要性质的研究目前仍缺乏可靠的理论和实验依据。柯石英的相关谱学性质(如红外光谱等)是准确理解其相关热力学性质的前提;由于成分简单,柯石英中SiO4的谱学特征是研究其他复杂硅酸岩矿物的基础。已有柯石英的红外光谱均通过粉末法测得,具有很大的不确定性,并与已有理论计算结果相冲突。另外,柯石英中水的溶解度、溶解机制、水溶解度与温度、压力和成分之间的关系,柯石英的脱水速率等方面,仍需要更多的实验数据。

北京大学高温高压实验室的刘曦研究员课题组使用CS-IV6×14MN六面顶压机在5GPa1600条件下合成了柯石英颗粒,将其减薄为几个至十几个微米厚的薄片,使用NicoletiN10 MX红外光谱仪测试采集其非偏振红外透射光谱,并进行特征峰的指派。同时,将柯石英分别在20040060080010001200条件下烧灼24h,通过单晶非偏振红外透射光谱方法获得其高温下脱水、非晶化过程的相关信息。

该研究获得的成果总结如下:

1)  首次准确限定了柯石英中SiO4的非对称伸缩振动及非对称弯曲振动的红外峰:前者位于1161-24850px-1,后者位于约83881419900px-1

1  柯石英单晶(厚约5微米)的红外光谱(1300-15000px-1区域)

2)  确定所合成Coesite3700-82500px-1内的OH振动峰及其起源:34643421340684425px-1的振动峰由II型石榴石水化替代导致;350088350px-1的振动峰由B缺陷引起;


                                                   

     图2  柯石英中OH的振动峰(非偏振红外光谱)


3)  烧灼实验表明:在1200时,柯石英的红外光谱发生巨变,柯石英完全非晶化;


                                             

3  柯石英单晶在不同温度下烧灼24小时后获得的非偏振红外透射光谱


4)  烧灼实验表明:柯石英在约600时开始失水,8001000时分别失去1/32/3的水。因此,柯石英可以在俯冲带低温下快速失去或者获得水。由此类推,名义上不含水矿物获得或者失去水的过程可能非常迅速。俯冲板片在折返回地壳浅层的过程中可能快速释放其溶解的水,从而引起相关的熔融活动,产生岩浆。


                                                   

 图4  柯石英单晶在不同温度下烧灼24小时后测得的含水量


  该研究也表明,柯石英的红外光谱性质需要进一步深入研究,其高温\高压下水的溶解能力、溶解机制及扩散速率的定量研究也需要进一步深入探讨。相关成果对揭示板块俯冲、折返过程的流体活动、流体性质、岩浆活动具有重要意义。

此研究成果近期在线发表于Journalof Asian Earth Sciences:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1367912017301256

本研究受中国科学院战略性先导科技专项(B类)“地球内部过程与表层系统的联系”No. XDB 18000000)、中国科学技术部国家重点研发专项“燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应”(No.2016YFC0600408)以及国家科技基础条件平台项目“国家岩矿化石标本资源共享平台”(No.2013FY110900-3)等项目资助。


 
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