超临界地质流体的性质和效应北大核心CSCD

在地球深部(特别是俯冲带)的高温高压条件下,硅酸盐和水的相互溶解能力增强,可以形成成分介于常规硅酸盐熔体和富水流体之间的超临界地质流体。超临界流体的形成条件主要取决于岩石-H2O体系的临界曲线、湿固相线和第二临界端点的位置。超临界地质流体具有特殊的物理化学性质,能够在促成俯冲带物质循环、迁移和富集元素成矿、引发中深源地震、影响地表宜居性演化等方面发挥关键作用。通过高温高压实验、分子模拟计算、天然岩石和矿床样品等手段研究超临界地质流体的性质和效应仍存在巨大挑战,亟需变革性实验和计算技术突破。     

超临界地质流体的形成条件

在地球深部的富水环境下(如俯冲带和岩浆热液体系)可以形成超临界地质流体。本文在阐明矿物-H_2O体系(近似二元系)和多组分岩石-H_2O体系的相图和物相关系的基础上,探讨了超临界流体的形成条件。对于以固相为主的变质岩体系,超临界流体的形成条件主要取决于湿固相线终点(第二临界端点)的位置。现有的高温高压实验结果表明,常见岩石-H_2O体系的第二临界端点压力至少为4 GPa。对于岩浆热液体系,临界曲线是判断超临界流体(或称浆液过渡态流体)是否能够形成的重要标准,F和B等元素的存在可导致超临界流体的形成压力降至1 GPa以下。对天然岩石和矿床样品的研究也可以为超临界流体的形成条件提供重要制约。总的来说,从长英质岩石体系到镁铁质体系,形成超临界流体的温度和压力升高。关于超临界流体的形成条件目前仍存在很多争议,需要通过开发新的实验技术予以解决。     

俯冲带变质过程中的含碳流体

俯冲带含碳岩石通过俯冲过程的变质反应生成了含碳水流体、富硅酸盐的超临界流体和含碳熔体。不同类型流体的形成与岩石成分和岩石经历的温压条件相关。岩石中碳酸盐矿物脱碳反应的温压条件取决于岩石起初的流体成分:有水存在时,反应发生在低温条件下。在高压条件下,碳酸盐矿物在水或含盐水流体的溶解是生成含碳流体重要的机制,其导致的碳迁移作用可能超过脱碳变质反应的作用。高温条件下,含碳岩石的部分熔融可以生成含碳的熔体,这在热俯冲环境和俯冲带岩石底辟到上覆地幔的情况下是碳迁移重要载体。富硅酸盐的超临界流体可能是在第二临界端点上形成的超临界流体,目前在超高压岩石中观察到的非花岗质成分的多相固体包裹体被认为是这种流体结晶的产物,然而对其理解尚存在很多问题,需要进一步的实验研究。地表含碳岩石在俯冲带被带到深部,俯冲带地温特征的不同导致了不同类型含碳流体的形成,这些流体运移至上覆地幔引起岩石部分熔融产生含碳的岛弧岩浆,岩浆喷出到地表释放了其中的碳,这构成了俯冲带-岛弧系统的碳循环。     

自然界岩石样品中的超临界流体记录

超临界流体是有别于富水流体和含水熔体的一种低粘度、高迁移性和高元素携带能力的一类流体,在变质岩体系中,其形成的温压条件一般高于对应的H_2O-岩体系的第二临界端点。俯冲带岩石是自然界最有可能保存超临界流体活动记录的地方,而超临界流体的活动对于地球内部物质循环、俯冲带岩浆作用和俯冲带成矿等方面可以发挥巨大作用。目前对于天然岩石和矿床样品中超临界流体的识别仍处于经验推测阶段,缺乏定量的岩相学和地球化学指标。本文主要基于目前已有研究结果,介绍自然体系中超临界流体的地质特征,包括俯冲带超高压变质岩、高压-超高压脉体以及地幔楔岩石中的超临界流体记录,主要是一些多相包裹体及元素迁移变化的记录,最后讨论超临界流体的相分离与岛弧岩浆作用之间的关系。     

特约主题:超临界地质流体的性质和效应

正编者按语:超临界地质流体在地球深部高温高压条件下形成,成分介于硅酸盐熔体和富水流体之间,具有特殊的微观结构和超常规的物理化学性质,能够在促成俯冲带物质循环、迁移富集元素成矿、引发中深源地震、影响地表宜居性演化等方面发挥关键作用。超临界地质流体研究已经成为国际地球科学研究的重要前沿方向。国家重点研发计划变革性技术专项"超临界地质流体的性质和效应"项目已于2019年9月启动实施,执行期5年。本专辑旨在系统总结和梳理超临界地质流体的研究现状,并     

泥质岩变质脱水作用的高温高压实验研究

研究表明,大洋沉积物或陆壳岩石可以发生俯冲作用进入俯冲带深部[1-3].该过程中岩石的含水矿物发生了变质脱水作用和相转变,所产生的流体是俯冲带流体的重要来源[4]并对俯冲带岩浆产物的地球化学特征有标志性的影响.为了深入揭示陆壳物质在俯冲带温度-压力条件下的变质脱水作用和该过程中发生的微量元素变化,我们开展了泥质岩变质脱水作用的高温高压实验研究.     

大陆俯冲带的深部流体及变质化学地球动力学 ——以苏鲁超高压变质带为例

通过苏鲁超高压变质带的岩石学、矿物化学、地球化学和年代学研究,在大陆俯冲带深部流体与变质化学地球动力学方面取得了重要的创新性成果。研究证明大陆俯冲带的深部流体是高氧逸度、富硅酸盐的超临界流体,揭示出超高压变质极端条件下的流体－矿物(岩石)相互作用可以导致不活动元素发生溶解和迁移,可以导致金红石的Nb/Ta之间发生强烈的分异,提出俯冲到地幔深处的超高压榴辉岩是地球内部“隐藏”的超球粒陨石Nb/Ta比值的物质源区,与低球粒陨石Nb/Ta比值的物质源区大陆地壳和亏损地幔在化学成分上形成互补。     

俯冲带超临界流体的元素迁移:实验研究进展和存在问题

超临界地质流体是富溶质的浓稠流体,它们既有含水熔体的组成和结构,又有接近富水流体的密度和粘度,因而具有超强的元素溶解和迁移能力。目前从俯冲板片脱出并引发地幔楔熔融和弧岩浆活动的流体性质还模糊不清,阐明板片流体的性质及其对元素迁移的关键控制因素,特别是对超临界流体研究程度的提高,可能为俯冲带元素迁移、物质循环和成矿等过程和机制的理解提供新的认识和视角。本文回顾和剖析俯冲带流体和超临界流体的形成以及它们对元素(特别是难溶元素)的迁移能力和关键控制因素的实验研究现状,提出亟待解决的重要科学问题。     

超临界地质流体的物性

超临界态流体具有接近液体的密度、高于液体的扩散系数和低于液体的粘度等不寻常特性。在地球内部,伴随板块俯冲带入的水等流体进入超临界态,并与壳幔物质混合及相互作用会形成对地球内部结构演化、元素和能量运移有重要影响的流体,即超临界地质流体。然而,目前对于超临界地质流体的性质、作用的认识还极其有限,准确测定超临界流体的物理性质更是严峻挑战。金刚石对顶砧装置(DAC)的优势就是适合极端条件下原位物性探测,这对于超临界地质流体研究是不可或缺的。本文基于金刚石对顶砧装置原位加温的技术特点,对超临界地质流体物性测量的有关问题进行了讨论,并扼要回顾了超临界流体物性研究的进展。     

俯冲带中水流体的化学性质研究进展

俯冲带中的水在壳幔演化和物质交换中起重要作用。本文就俯冲带中水的物理化学性质、溶液中的离子缔合、混溶、主量元素与微量元素组成等方面进行了阐述。重点剖析:1)超临界态下温度压力条件的改变导致水微观结构与性质的变化,扩散系数、粘度等性质随之改变,进而对水岩反应产生影响;2)富水流体中离子缔合影响着金属配合物数量,很大程度制约流体中矿物的溶解行为;3)低Cl流体中微量元素配分模式与岛弧玄武岩类似,意味着富水贫氯碱性硅酸盐成分的流体在地幔楔元素运移中起关键作用。并展望了俯冲带中流体化学性质研究的新手段。     

地球内部熔/流体的分子模拟:进展与展望

目前对超临界地质流体的形成条件、成分、结构和物理化学性质的认识还不是特别清晰,分子模拟作为一种方兴未艾的理论研究手段,正在被广泛应用于地球科学领域。本文简述了目前采用分子模拟研究硅酸盐熔体、含水硅酸盐熔体、富水流体以及超临界地质流体所取得的主要成果,侧重讨论分子模拟方法在其中的应用,为超临界地质流体的计算模拟研究提供帮助,并展望了超临界地质流体分子模拟可能遇到的挑战和发展趋势。已有研究结果表明,不同分子模拟方法各有优缺点,相对于精度较低的经典分子动力学方法而言,采用一般泛函的第一性原理方法加上色散校正之后,可以满足目前对超临界地质流体研究的精度需要。另外,机器学习和第一性原理方法结合,以及建立相关热力学模型将是推进与超临界地质流体相关研究的有效途径。     

临界区流体与矿物和岩石在地球内部极端条件下的反应

极端条件下水热化学反应是一个新的科学问题。借助于高温超高压原位直接测量方法、各种谱学方法和同步辐射光源技术研究地球内部流体物质相互作用,可以获得反应过程的产物的分子-原子尺度信息,这些信息可以提供认识极端条件下水和矿物(岩石)反应动力学的新实验途径。地球内部的流体性质随所处高温高压条件发生变化。水的密度、介电常数等物理参数随温度压力变化而改变,在临界态会出现突变。水的性质的剧变会影响水与岩石(矿物)相互作用。文中报道了在极端条件下(20～435℃和23～35MPa)实验测量矿物(钠长石、辉石、石英和阳起石等)和岩石(玄武岩、正长岩)在水溶液里的溶解反应速率的研究结果,发现矿物里各种不同类型金属离子与水反应的速率不同,随温度变化而改变。在升温过程中,进入临界态时,矿物(岩石)与水反应出现一次反应速率的涨落。在恒压升温过程中(临界压力,或略高于临界压力),硅酸盐矿物溶解速率会逐步升高,如硅近临界区(300℃)抵达最大值,然后随升温溶解反应速率减低。地球内部的流体由深处上升到浅处,会从超临界区域进入近临界的气与液的两相不混溶区域。含金属流体里的金属会在气相与液相分离时出现再分配。实验表明:金属Au、Cu、Sn、W、Zn会进入气相,气体可以迁移金属。事实说明:地球内部流体结构和性质从深到浅在不断变化,在跨越临界区时的水的性质异常变化会导致水与矿物(岩石)反应动力学涨落,并且促使金属在临界区出现沉淀和在气液相分离过程中进行再分配及迁移。     

俯冲带的流体地质作用

俯冲带是地球上流体活动最活跃的地区之一，也是流体由表层进入深部岩石圈的主要通道。流体活动对岩石成分、成岩作用、构造变形、变质作用、部分熔融和岩浆－火山作用，以及海洋生物－化学环境都有重要的控制和影响。本文回顾和总结了俯冲带流体地质作用研究的现状和进展，对古俯冲带流体地质作用的若干问题进行了探讨。     

地球深部流体中的有机质与金刚石生长北大核心CSCD

金刚石代表了地球深部微量的碳存在,其成因对于理解行星演化的动力学机制、挥发分循环以及氧化还原状态演变等具有重要意义。在俯冲带环境,金刚石的形成和挥发分的循环密切相关。地球内部的碳通量主要受变质脱碳作用和碳酸盐溶解作用形成的相对氧化的水质流体的调节和控制。在深部C-H-O流体中,碳由随流体迁移到最终饱和形成金刚石的过程主要受碳在流体中溶解度的控制,而后者则受高温高压条件、pH值、氧化还原环境、溶质结构和岩石中缓冲矿物组合等多种因素的影响。     

硅酸盐熔体中的水

水是地球岩浆中的一种主要挥发分。水的存在导致岩石的熔融温度降低,其根本原因在于水易溶于硅酸盐熔体。本文总结了在地球岩石圈温压条件下,水在硅酸盐熔体中的赋存形式、溶解度与水对熔体物理性质的影响。熔体中溶解的水以H_2O分子和OH形式存在。水在熔体中的溶解度随压力的升高而增大。当温压条件位于含水硅酸盐体系的临界曲线之上时,甚至可能形成成分介于硅酸盐熔体和富水流体之间的超临界流体。水使熔体的密度和黏度降低,更易于脱离源区向上运移。水使元素扩散加快,有利于晶体和气泡的生长。水导致熔体的电导率升高,使部分熔融造成的电导率异常更加显著。水对硅酸盐熔体迁移性质的影响以及水的溶解行为都与水的种型分异反应密切相关。在研究与熔融有关的地质过程时必须充分考虑水的作用。     

关于翡翠研究中几个重要问题的思考

随着与翡翠伴生或共生的过渡品种的不断出现,翡翠成因研究和人工合成技术开发面临着新的挑战和契机.首先,现行的行业性翡翠命名标准已显得过于笼统,难以区分传统观念中的翡翠及其过渡种属,妨碍了市场的良性发展.此外,越来越多的研究表明,在高压俯冲带内,传统观念中的翡翠及其伴生岩石,如钠铬辉石岩(玉)、绿辉石岩(玉)、钙铝榴辉岩等一些高压岩石之间存在时间和空间上的关联性.笔者认为俯冲带中形成的深部熔体与超基性岩之间的交代变质是导致岩石分带和岩性多样化的根本原因,提出了俯冲带熔体交代成因说,认为俯冲带、深部流体和超基性岩体是形成翡翠及其过渡品种的3个必要条件,并因此指出在人工合成过程中引入流体相很可能是降低实验条件的苛刻程度、从而合成出真正具有商业意义的翡翠的途径.     

超高压变质矿物中的多相固体包裹体研究进展

大陆碰撞过程中熔/流体的组成和演化是研究大陆深俯冲动力学的重要内容,而超高压岩石记录了大陆俯冲和折返过程中的熔/流体-岩石相互作用,因而是研究大陆碰撞过程中熔/流体组成和演化的天然实验室。大陆俯冲带高压/超高压变质矿物中多相固体包裹体作为熔/流体活动的直接记录,为我们提供了揭示超高压变质过程中熔/流体演化的重要制约。近年来,围绕超高压岩石中多相固体包裹体的形成时间、演化过程及其所反映的俯冲带超高压变质熔/流体的组成和性质,进行了大量的研究工作。超高压岩石中多相固体包裹体的发现,为理解峰期超高压变质流体的组成和演化提供了重要制约,同时也为研究俯冲板片-地幔楔界面的熔/流体交代作用提供了新的途径。本文从多相固体包裹体形成机制、结构形态特征、矿物化学成分及其地质地球化学意义等方面,对于超高压变质岩中多相固体包裹体的研究现状和存在的问题进行系统地总结和探讨,以期促进多相固体包裹体的岩石学和地球化学研究。     

中地壳温度压力条件下的水-岩作用化学动力学实验

为模拟中地壳条件下水.岩相互作用,本文作者重点做了大于300℃,在水的近临界区至超临界区条件下的硅酸盐矿物与水反应的化学动力学实验。矿物(钠长石(Ab)、透辉石(Di)、阳起石(Act))的溶解反应动力学实验是使用流体通过叠层反应器的开放体系在25℃～400℃和22MPa下完成的。实验发现矿物在300至400℃范围内,在跨越水临界点时出现反应速率的涨落。多金属氧化物硅酸盐与水反应时的各个元素溶解到溶液里的释放速率一般不一样。硅酸盐矿物的最大溶解反应速率多是在300℃,如,硅的最大释放速率是在300℃。其余元素如Na、K、Mg、Ca、Fe、Al等释放速率在<300℃、22MPa时都高于硅的释放速率,在>300℃时硅的释放速率要高于其它元素的释放速率。我们还完成了玄武岩与水在25℃～400℃条件下的反应动力学实验。实验发现,硅的最大释放反应速率也多是在300℃。中地壳的流体处于由亚临界态进入超临界流体的演化过程,这时流体的性质会有剧烈变化。这一变化会引起水/岩相互作用的反应动力学涨落。流体性质的突变和水岩相互作用涨落会导致中地壳岩层的许多性质变化,硅酸盐矿物格架的解体,岩石被淋失,岩层的崩塌。     

俯冲带壳-幔相互作用的高温高压实验:对地幔不均一性成因的启示

使用活塞-圆筒式高温高压装置进行一系列榴辉岩部分熔融熔体与橄榄岩反应实验,可以为深入了解俯冲带壳-幔相互作用的影响因素及地幔不均一性的成因提供重要信息.实验使用反应偶的方法,并在0.8~3.0 GPa和1 200~1 425℃条件下进行.实验结果表明,榴辉岩部分熔融熔体-橄榄岩反应的动力学和结果受控于熔体主量元素成分、熔体中的H₂O、温度、压力和橄榄岩的物理状态等因素.大陆俯冲带地幔岩石中斜方辉石的富集是再循环陆壳熔体与上覆地幔反应的结果,地幔岩石中斜方辉石岩脉的形成与含水熔体交代有关,地幔岩石中的石榴辉石岩和石榴石岩可能形成于高压、低温条件下的熔体-橄榄岩反应.      

论矿物中的临界包裹体及超临界流体的成矿地质作用

临界包裹体是成矿流体在临界或超临界条件下形成的一种特殊包裹体。它比一般的流体包裹体含有更多更为特定的物理化学信息。本文讨论了临界包裹体的成因、分类及所含物理化学信息的意义。作者研究了某些矿床中的临界包裹体,发现它与成矿关系密切,并提出了一个新的成矿假设——超临界流体成矿地质作用。文中列举了这种成矿作用在某些金矿、大冶式铁矿和斑岩铜矿床中种种表现。