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)來自地幔過渡帶（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)工作是由捷克孟德爾大學(xué)宋文磊博士和Jind?ich Kynicky博士與TESCAN總部應(yīng)用部門（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)問題。

俗話說，上天不易，入地更難。人類對于地球內(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。科學(xué)家只能通過出露于地表的巖石或深部巖漿攜帶的捕虜體來推測地球的深部物質(zhì)組成。?

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

板塊構(gòu)造是地球區(qū)別于其它太陽系類地行星的主要特征，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，對地球上生命的起源具有重大意義，然而對現(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)來自地幔過渡帶（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)了極少量的厘米級榴輝巖捕虜體（許成等，2018）。

榴輝巖（由俯沖板塊在深俯沖過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?！袄洹钡纳罡_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，起源于地幔過渡帶（>400公里）。該發(fā)現(xiàn)為碳酸巖巖漿起源于地幔過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 超硅石榴石說明地幔過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）是由捷克孟德爾大學(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)用部門合作完成。

由于捕虜體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、礦物類型多樣、顆粒繁多且大小不等（毫米至微米級），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于尋找和識(shí)別這些包含在捕虜體中且非常稀少的來自地球深部的（高壓）礦物效果并不明顯，研究過程相當(dāng)耗時(shí)且僅限于對局部的觀察，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。

對于以上研究樣品量很少的榴輝巖，通過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)的研究越來越側(cè)重于地質(zhì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)、精細(xì)礦物學(xué)和微區(qū)原位分析測試。TIMA 對礦物的結(jié)構(gòu)分析和定量解析達(dá)到微米的尺度，相對于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡具有非常大的優(yōu)勢。

TIMA 可以對巖芯、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)別巖石類型，測量礦物種類和分布、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 用戶做出更多重要的研究成果！?