近期，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院許成研究員、張立飛教授和費(fèi)英偉教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)合作發(fā)現(xiàn)來(lái)自地幔過(guò)渡帶（深約400公里處）的超高壓礦物和古元古代現(xiàn)代板塊構(gòu)造的巖石學(xué)證據(jù)，在地球深部物質(zhì)組成和板塊構(gòu)造啟動(dòng)時(shí)限等科學(xué)問(wèn)題上取得了重大突破，研究成果相繼發(fā)表于權(quán)威科學(xué)期刊Science Advances（2017年）和Nature Communications（2018年）上。其中一些重要的礦物學(xué)和巖相學(xué)工作是由捷克孟德?tīng)柎髮W(xué)宋文磊博士和Jind?ich Kynicky博士與TESCAN總部應(yīng)用部門(mén)（位于捷克布爾諾）使用TESCAN綜合礦物分析儀（TIMA）合作完成。

地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成和板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的起始是當(dāng)今固體地球科學(xué)研究最前沿、最具挑戰(zhàn)地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成和板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的起始是當(dāng)今固體地球科學(xué)研究最前沿、最具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

俗話(huà)說(shuō)，上天不易，入地更難。人類(lèi)對(duì)于地球內(nèi)部的了解還非常有限，固體地球的半徑達(dá) 6400 公里，而目前人工鉆探最深僅到 12 公里?？茖W(xué)家只能通過(guò)出露于地表的巖石或深部巖漿攜帶的捕虜體來(lái)推測(cè)地球的深部物質(zhì)組成。?

（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

板塊構(gòu)造是地球區(qū)別于其它太陽(yáng)系類(lèi)地行星的主要特征，它不僅影響著地幔的組成和演化，而且還控制著地球的水圈和大氣圈，對(duì)地球上生命的起源具有重大意義，然而對(duì)現(xiàn)今板塊構(gòu)造啟動(dòng)的時(shí)間和機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍然存在很大分歧。

近期，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院許成研究員、張立飛教授和費(fèi)英偉教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)合作發(fā)現(xiàn)來(lái)自地幔過(guò)渡帶（深約 400 公里處）的超高壓礦物和古元古代現(xiàn)代板塊構(gòu)造的巖石學(xué)證據(jù)，在地球深部物質(zhì)組成和板塊構(gòu)造啟動(dòng)時(shí)限等科學(xué)問(wèn)題上取得了重大突破。

研究的成果相繼發(fā)表于權(quán)威科學(xué)期刊 Science Advances（2017年）和Nature Communications（2018年）上。其中一些重要的礦物學(xué)和巖相學(xué)工作都是使用TESCAN綜合礦物分析儀（TIMA）完成，文中也對(duì)TIMA分析方法進(jìn)行了具體解讀。

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△? 研究成果發(fā)表在 Science Advances (2017年)

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△? 研究成果發(fā)表在 Nature Communications (2018年)

許成團(tuán)隊(duì)首次在我國(guó)華北克拉通中北部的內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)和河北懷安一帶的幔源火成碳酸巖內(nèi)發(fā)現(xiàn)了極少量的厘米級(jí)榴輝巖捕虜體（許成等，2018）。

榴輝巖（由俯沖板塊在深俯沖過(guò)程中遭受超高壓變質(zhì)作用形成）主要由綠輝石和石榴石組成，其次為藍(lán)晶石、石英、簾石、多硅白云母和角閃石等。通過(guò)各種礦物溫壓計(jì)和 THERMOCALC 程序計(jì)算獲得其峰期礦物組合石榴石+綠輝石+藍(lán)晶石位于 2.5-2.8 GPa和 650-670℃ 的穩(wěn)定范圍，對(duì)應(yīng) 250 (±15)℃ GPa-1 的低溫古俯沖帶地?zé)崽荻取?p>?

△? 圖 1：TIMA 解離分析碳酸巖內(nèi)榴輝巖捕虜體及其礦物組成（修改自許成等，2018）

石榴石內(nèi)獨(dú)居石 U-Pb 定年確定其變質(zhì)峰期年齡為 18.4 億年，這是迄今為止記錄的最“冷”的古元古代俯沖帶中低溫高壓變質(zhì)作用。“冷”的深俯沖作用很可能在古元古代非常普遍，但全球的低溫記錄很容易被后來(lái)陸內(nèi)碰撞所產(chǎn)生的高溫變質(zhì)作用覆蓋。

板塊構(gòu)造何時(shí)啟動(dòng)一直存在爭(zhēng)論，其主要原因在于缺少巖石學(xué)證據(jù)。該發(fā)現(xiàn)提供了直接的巖石學(xué)證據(jù)表明古元古代存在現(xiàn)代板塊深俯沖。這些碳酸巖的地球化學(xué)特征顯示其地幔源區(qū)含有俯沖的地殼物質(zhì)，進(jìn)一步表明地球早期已存在地殼物質(zhì)深俯沖進(jìn)入地幔，從而導(dǎo)致地幔深部碳循環(huán)。

此外，科研團(tuán)隊(duì)還在這些榴輝巖的石榴石內(nèi)發(fā)現(xiàn)了超硅石榴石（超高壓礦物，主要在深源金剛石或者隕石沖擊坑中有零星發(fā)現(xiàn)）包體（許成等，2017），分析顯示該礦物具有高的三價(jià)鐵 Fe3+（Fe3+/全Fe～0.87），遠(yuǎn)高于目前金剛石內(nèi)發(fā)現(xiàn)的超硅石榴石（Fe3+/全Fe<0.4）。

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△?圖 2：TIMA拍攝的榴輝巖捕虜體中的超硅石榴石（Maj）：圖 (A) 為石榴石（Grt-II）中超硅石榴石包體的背散射圖；圖 (B) 顯示超硅石榴石包體的鐵和鋁含量明顯高于賦存礦物石榴石（引自許成等，2017）?

高溫高壓合成實(shí)驗(yàn)標(biāo)定其形成壓力為14GPa，起源于地幔過(guò)渡帶（>400公里）。該發(fā)現(xiàn)為碳酸巖巖漿起源于地幔過(guò)渡帶提供了直接的礦物學(xué)證據(jù)，同時(shí)異常富三價(jià) Fe 超硅石榴石說(shuō)明地幔過(guò)渡帶存在局部富氧成分，這與俯沖地殼物質(zhì)相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)人們認(rèn)識(shí)深部地幔的物質(zhì)組成和演化具有非常重要的意義。

上述成果中 TIMA 分析工作（圖1和圖2）是由捷克孟德?tīng)柎髮W(xué)的宋文磊博士與 Jind?ich Kynicky 博士和 TESCAN 掃描電鏡公司總部（捷克布爾諾）TIMA 應(yīng)用部門(mén)合作完成。

由于捕虜體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、礦物類(lèi)型多樣、顆粒繁多且大小不等（毫米至微米級(jí)），有時(shí)與寄主巖石和礦物在結(jié)構(gòu)和成分上差別并不顯著，因而普通光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、激光拉曼和電子探針等分析儀器對(duì)于尋找和識(shí)別這些包含在捕虜體中且非常稀少的來(lái)自地球深部的（高壓）礦物效果并不明顯，研究過(guò)程相當(dāng)耗時(shí)且僅限于對(duì)局部的觀(guān)察，極易遺漏重要信息。

全球著名掃描電鏡公司 TESCAN 的綜合礦物分析儀（TIMA，圖4）可以很好的解決以上問(wèn)題。

該儀器是利用掃描電鏡的巖石礦物自動(dòng)定量化分析系統(tǒng)，具有將電鏡和能譜高度集成的獨(dú)特技術(shù)，能進(jìn)行極高分辨率的 BSE 與 EDX 快速全譜成像和大范圍面掃描自動(dòng)拼接功能，可以完成對(duì)整個(gè)樣品的快速、準(zhǔn)確的多元素面掃描；其配備的礦物處理專(zhuān)業(yè)軟件可以輔助分析掃描結(jié)果，實(shí)現(xiàn)各種礦物相的快速鑒定、分布模式、含量測(cè)算以及自定義礦物尋找功能，避免相似結(jié)構(gòu)和成分的分析誤差，揭示樣品的整體形態(tài)、礦物含量、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和礦物共生組合特征。

對(duì)于以上研究樣品量很少的榴輝巖，通過(guò)其各礦物含量估算的有效全巖成分將提高變質(zhì)巖視剖面圖溫壓計(jì)的可靠性，同時(shí)還可以查明礦物相內(nèi)部和不同礦物相之間的顯微結(jié)構(gòu)關(guān)系以及對(duì)含量很少（如用于準(zhǔn)確定年的鋯石和獨(dú)居石）或未知礦物的辨別，從而獲取捕虜體的起源和演化的關(guān)鍵信息。

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△? 圖 4：TESCAN 綜合礦物分析儀（TIMA）

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上述科研成果表明，固體地球科學(xué)的研究越來(lái)越側(cè)重于地質(zhì)樣品的微觀(guān)結(jié)構(gòu)、精細(xì)礦物學(xué)和微區(qū)原位分析測(cè)試。TIMA 對(duì)礦物的結(jié)構(gòu)分析和定量解析達(dá)到微米的尺度，相對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

TIMA 可以對(duì)巖芯、巖屑、巖石、礦石、精礦、尾礦、浸出渣或冶煉產(chǎn)品等進(jìn)行快速定量礦物分析，能有效識(shí)別巖石類(lèi)型，測(cè)量礦物種類(lèi)和分布、顆粒大小、解離或鎖定各種參數(shù)。此外，還提供亮相搜索模塊，可以快速準(zhǔn)確鑒定出鉑族金屬、金銀礦和稀土元素。TIMA 已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、石油、礦業(yè)和冶金等領(lǐng)域。

目前，北京大學(xué)和中南大學(xué)今年已經(jīng)引進(jìn)了 TESCAN TIMA 綜合礦物分析儀，目前設(shè)備正在安裝調(diào)試中，期待 TIMA 用戶(hù)做出更多重要的研究成果！?