俯冲带变质锆石晶畴结构和结构水赋存状态的高分辨电子显微学原位分析和研究

以多学科交叉研究的理论和方法，以现代高分辨电子显微学、分子光谱学测试技术和模拟计算相结合的研究手段，在原子分辨尺度上原位分析和研究我国大别山和西部典型地区俯冲带超高压变质锆石微结构和超微构造特征及其变化规律，查明锆石内部晶畴结构的性质、畴界面和界面过渡带的结构、不同性质的微裂隙、缺陷构造、与主矿物之间的关系、边界状态和形成机制，研究它们在相变动力学和构造动力学中的作用和意义。查明锆石中结构水的赋存状态、变质演化规律，与晶畴结构、晶体缺陷、位错亚构造之间的相关性，及其在岩石的形成和构造演化过程中的作用与意义。研究在构造动力作用下原子或原子团的位移方式以及部分原子发生交代作用的规律,了解大陆板块深俯冲机制和地球动力学过程,提供超高压变质岩形成和演化过程中的变质反应动力学和构造动力学的微观证据，对超高压变质岩形成和演化的环境条件(温度、压力和介质组分等)给出更加明确和严格的约束和限制。

本项目按照基金申请书以及计划书中的计划执行。以多学科交叉研究的理论和方法，用现代高分辨透射电子显微学(HRTEM)及选区电子衍射(SAED)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、能量散射X-射线谱(EDS)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)和激光拉曼光谱(RAMAN)等测试技术和电子显微学理论模拟计算以及第一性原理计算等凝聚态物质微结构研究相结合的分析手段, 研究了中国大别山和瑞士阿尔卑斯山等部分典型地区俯冲带超高压变质锆石的超微结构特征、变质矿物包裹体及其超微构造缺陷等的赋存状态及其变化规律等，获得了一系列重要的数据，对于理解相关矿物相的结构变化和成因机制提供了微观信息和依据。(1) 研究了名义上无水矿物(NAMs)变质锆石(ZrSiO4)及其寄主矿物中结构水(OH/H2O)的赋存状态、成因机制及其与构造缺陷之间的关系, 分析了H在变质锆石中的赋存方式及其对结构稳定性的影响以及不同条件下 (温度、压力、介质等) 变质锆石结构中氢的并入机理。 这些NAMs中的结构水对超高压变质流体的形成及演化起到了重要作用; (2) 用第一性原理模拟计算与FTIR实验研究相结合的方法，研究了NAMs锆石晶体结构中H的可能掺杂替代的形式以及结构水(OH–)的形成机理。探讨了不同高压下, H或其它原子以不同方式进入锆石晶体结构中的结构性质以及稳定性。分析了NAMs变质锆石的晶体结构与化学组成的变化对H的赋存方式、含量及分布状态的影响, 了解该类矿物晶格内H的结合机理。为解释其结构水(OH/H2O)产生各种吸收峰的特征红外光谱奠定了理论基础; (3) 在变质锆石及其寄主矿物中观察到了纳米级水分子团包体 (< 100 nm)，该类NAMs 结构中的流体和 “水分子团” 形式H2O的存在, 可促进矿物发生退变质作用，加速了岩石的塑性变形和退变质作用的进程，研究了它们与复杂的缺陷构造之间关系。它们在超高压岩石的变形以及退变质作用过程中起到了重要的作用; (4) 观察分析了锆石内部晶畴结构的性质、微纳米裂隙、缺陷构造与主矿物之间的关系等。深入认识和理解锆石中结构水的赋存状态及变质演化规律, 与晶畴结构及晶体缺陷构造之间的相关性，及其在岩石的形成、折返和构造演化过程中的作用与意义。更多的研究数据还需要后续一段时间进一步分析凝练和总结发表。