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。     

中地壳的地球化学动力学和矿石成因

笔者重点进行了大于300℃——在近临界区至超临界区条件下的硅酸盐矿物与水反应动力学实验。矿物(钠长石Ab、透辉石Di、阳起石Act和磁铁矿Mt)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,在跨越水临界点时出现反应速率的涨落。各种多金属氧化物硅酸盐与水反应时,各个元素溶解到溶液里的释放速率一般不一样,常称为一致溶解作用。但是,在近300℃变为一致溶解作用。实验发现在22MPa时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。确切地说,金属与氧之间的键的性质决定了它们(金属氧化物)与水之间反应速率。在一般情况下,Na-Obr,Ca-Obr,Mg-Obr,Al-Obr和Si-Obr的键桥(br),它们之间相对地由具有离子键性质逐步变为具有极性键的性质。由常温常压到亚临界区(300～374℃22MPa),再到大于临界点374℃、22MPa进入超临界区,水的性质随温度、压力变化。水由容易溶解离子键逐渐变为容易打破极性键。笔者还研究了黑钨矿、锡石(玄武岩、花岗闪长岩)与水在250～400℃条件下的反应动力学过程,得出了相同的结果。实验均发现在跨越水临界点时矿物(或岩石)与水反应的动力学涨落。这些实验结果可以用于说明中地壳上部的水/岩相互作用的特征。发生于中地壳的水、岩相互作用大多是在300～450℃和20～50MPa条件下进行的。各地区的地壳厚度不一,中地壳温度压力并不完全相同。模拟中地壳条件下水/岩相互作用实验,目的主要是研究矿物(或岩石)在300～450℃条件下反应动力学过程。已有热液矿床矿物流体包体数据表明:有一批矿床的主要矿石形成于300～500℃,低于NaCl H2O溶液临界线的条件。中地壳的流体处于由亚临界态跨越临界态,进入超临界流体太的演化过程。这种流体的性质变化会引起水/岩相互作用的反应动力学涨落和矿石大量沉淀。     

大陆中、下地壳电学特征实验研究

高温高压下地壳物质电导率的实验室测定是研究大陆中、下地壳高导层成因的重要方法之一。研究表明,水、石墨、部分熔融以及矿物脱水可能形成地高导层,在不同构造环境和深度下这些机制起着不同的作用。为解决中地壳高导层成因的水的存在是必不可少的条件,在地下壳、水、石墨、部分熔融以及矿物脱水,甚至持定的干的下地壳岩石都可解释大地电磁测量结果。     

大陆中、下地壳电学特征实验研究①

高温高压下地壳物质电导率的实验室测定是研究大陆中、下地壳高导层成因的重要方法之一。研究表明,水、石墨、部分熔融以及矿物脱水都可能形成地壳高导层,在不同构造环境和深度下这些机制起着不同的作用。为解释中地壳高导层,水的存在是必不可少的条件,在下地壳,水、石墨、部分熔融以及矿物脱水、甚至特定的干的下地壳岩石都可解释大地电磁测量结果。     

固体地壳的水热平衡问题

物质的形态、相态、性质、质量等种种运动形式(如相变、变形、转化、质量亏损等)无一不伴随着能量的转变。我们研究物质的运动,就要研究运动中能量的传送和转换,二者是统一体的两个侧面。固体地壳的运动虽然主要表现为块体的移动与变形,但其本质则是物质的迁移和能量的传递。80年代地壳动力学机制的研究,已经揭示出固体地壳运动学的本质是地热流的运动与转化。因此,     

水-岩交换作用对Sm-Nd法定年的影响

通常认为 ,在许多地质过程中ｗ (Ｓｍ ) /ｗ(Ｎｄ)的分异很小 ,ＳｍＮｄ体系可以保持封闭。但在有流体相存在的情况下 ,矿物和岩石ＳｍＮｄ同位素体系的封闭状态很容易被打破。热液蚀变和退化变质作用均可以使岩石矿物的ＳｍＮｄ法定年结果偏离真实成岩成矿年龄。Ｒｏｓｉｎｇ(1990 )从理论上研究流体交代对岩石ＳｍＮｄ同位素体系的影响。如果定义分异因子Ｆ =[ｗ流体 (Ｓｍ ) /ｗ流体 (Ｎｄ) ]/ [ｗ体系 (Ｓｍ ) /ｗ体系(Ｎｄ) ],在Ｓｍ和Ｎｄ从岩石进入流体的过程中 ,当水 /岩比接近零时 ,分异因子Ｆ达到Ｄ(Ｓｍ ) /Ｄ(Ｎｄ)的一个最大值…     

地球深部电导率的实验室约束

矿物岩石电导率实验研究对于认识地球内部的电导率分布和地球动力学具有重要的意义。本文于实验室中研究了一些典型地壳和地幔矿物、岩石的电导率,并将实验结果与野外电磁结果进行了对比。研究结果表明,含水矿物的脱水和存储于名义无水矿物中的水会显著提高岩石的电导率。含水矿物的脱水可能是导致地壳出现高导层的主要原因,而地幔的高导层则可能是由名义无水矿物中赋存的水所引起。实验室矿物、岩石电导率模型与野外大地电磁结果的对比,为研究地球内部的热状态和水含量的分布提供了重要依据。     

矿物-水反应的地球化学动力学研究进展

回顾了地球化学动力学这门新兴学科的产生与发展，评述了国内外矿物-水反应的地球化学动力学研究的新进展，介绍了矿物-水反应的溶解动力学及地球化学动力学模拟的新成果及应用领域。低温条件下硅酸盐和碳酸盐矿物与水的反应得到高度重视。硅酸盐矿物的溶解速率与溶液的pH值、离子强度、温度及有机酸的含量等密切相关。碳酸盐类矿物的溶解速率主要取决于温度、GO2分压、酸碱度及相关离子的活度等因素。氧化物、硫化物、及氟化物等的溶解沉淀的动力学研究开始得到关注。矿物-水反应的地球化学动力学模拟已成为一个很有前景的方向。     

大陆中部地壳应变局部化与应变弱化

大陆岩石圈流变学研究是构造地质学学科发展的必然,也是发展板块构造理论、探索大陆板块内部变形与动力学演化的核心问题。大陆中部地壳是大陆岩石圈中一个具有特殊性的圈层,其主要成分以花岗质岩石为代表,位于岩石脆-韧性转变域。在中部地壳层次上,岩石既具有脆性变形特点,又具有韧性变形属性,而且常常表现出多种流变强度。研究成果显示,中部地壳岩石流变具有许多特殊性：1）应变局部化是中部地壳流动最为典型表现形式;2）存在大陆地壳多震层：多震与强震,显示出中部地壳既弱又强的流变学属性;3）液/岩反应强烈,流体相直接影响着岩石的流变性;4）在许多地区存在有地球物理异常体（低速高导体）。大陆中部地壳应变局部化是板块相互作用过程中地壳层次上应变积累与集中的重要表现。在宏观尺度、中小型尺度和微观尺度上都有着重要的构造特点。地壳岩石的应变弱化,是诱发应变局部化的主要机制。多种形式的水致弱化（包括液压致裂、反应弱化、水解弱化等）与结构弱化（包括细粒化、晶格取向、成分分带性等）对于应变局部化具有重要的贡献。大陆地壳岩石流变学、中部地壳弱化与应变局部化研究,是未来岩石圈流变学研究的重要方向。

     

真空预压加固区硬壳层的水分运移解析解

本文根据非饱和土体的渗流理论,建立水分运移模型,研究真空预压在稳态下的水分运移机制,给出了孔隙水压力分布的控制方程及其解析解。根据工程实测数据验证解析解的结果,并对不同参数进行分析。结果表明：稳态下真空预压水分运移模型计算的结果和现场实测数据基本吻合。扩散通量Q和降饱和系数?对上层非饱和区域的形成位置、强度及厚度的影响较大。扩散通量Q越大,土体表层的基质吸力越大,孔隙水压力变化趋势就越大;降饱和系数?在0.3~1.0 kPa-1内对非饱和土体部分基本没有影响。     

古风化壳沉积型铝土矿物探异常模式及系列方案①

文章从本区地质成矿规律、物性特征等入手,通过对试验结果的对比分析,论述了古风化壳沉积型铝土矿找矿工作中物探方法的可行性和局限性,提出古风化壳沉积型铝土矿物探工作的系列方案和地球物理异常模式。     

下地壳含水性的演化 ——来自不同时代麻粒岩中长石水含量的证据

利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和电子探针(EMP)分析了早古生代的松树沟麻粒岩和桐柏麻粒岩地体以及古元古代的莒南麻粒岩包体(其寄主岩石为新生代玄武岩)中长石的水含量和化学成分。结果显示,麻粒岩中的长石均含有以OH和H2O形式存在的结构水;3个地点的长石水含量分别为465×10-6~733×10-6、210×10-6~993×10-6和717×10-6~1 239×10-6。对比前人报道的中生代(道县和汉诺坝包体)和古元古代(女山包体、汉诺坝地体)的麻粒岩研究结果,发现早古生代样品和古元古代样品中长石的水含量都比中生代样品明显的高,而早古生代和古元古代样品之间却没有差别,指示了中国东部下地壳在中生代之前更加富水。     

Stability and P–V–T equation of state of KAlSi3O8-hollandite determined by in situ X-ray observations and implications for dynamics of subducted continental crust material

In situ X-ray diffraction measurements of KAlSi₃O₈-hollandite (K-hollandite) were performed at pressures of 15–27 GPa and temperatures of 300–1,800 K using a Kawai-type apparatus. Unit-cell volumes obtained at various pressure and temperature conditions in a series of measurements were fitted to the high-temperature Birch-Murnaghan equation of state and a complete set of thermoelastic parameters was obtained with an assumed K′_300,0=4. The determined parameters are V _300,0=237.6(2) Å³, K _300,0=183(3) GPa, (?K _T,0/?T) _P =?0.033(2) GPa K^?1, a ₀=3.32(5)×10^?5 K^?1, and b ₀=1.09(1)×10^?8 K^?2, where a ₀ and b ₀ are coefficients describing the zero-pressure thermal expansion: α _T,0 = a ₀ + b ₀ T. We observed broadening and splitting of diffraction peaks of K-hollandite at pressures of 20–23 GPa and temperatures of 300–1,000 K. We attribute this to the phase transitions from hollandite to hollandite II that is an unquenchable high-pressure phase recently found. We determined the phase boundary to be P (GPa)=16.6 + 0.007 T (K). Using the equation of state parameters of K-hollandite determined in the present study, we calculated a density profile of a hypothetical continental crust (HCC), which consists only of K-hollandite, majorite garnet, and stishovite with 1:1:1 ratio in volume. Density of HCC is higher than the surrounding mantle by about 0.2 g cm^?3 in the mantle transition zone while this relation is reversed below 660-km depth and HCC becomes less dense than the surrounding mantle by about 0.15 g cm^?3 in the uppermost lower mantle. Thus the 660-km seismic discontinuity can be a barrier to prevent the transportation of subducted continental crust materials to the lower mantle and the subducted continental crust may reside at the bottom of the mantle transition zone.     

Diagenetic of the Mesozoic complex weathering crust reservoir rock in Fulin subsag,Jiyang Depression

The formation of weathering crust reservoirs and the analysis of their differences have become the current research focus of reservoir geology. The Mesozoic oil and gas exploration in the Fulin subsag of Zhanhua sag in the Jiyang Depression of Bohai Bay Basin has encountered its bottleneck. Only the weathering crust at top of the Cretaceous is currently penetrated by exploration wells and the weathering crust reservoir is characterized by complex lithology and high heterogeneity. In order to enhance exploration in the Mesozoic buried hill reservoir in the study area and even the Jiyang Depression,it's of great importance to figure out diagenetic evolution,reservoir space types and their combination relationships. The complex lithology of weathering crust reservoir rock of the Cretaceous Xiwa Formation in the Fulin subsag was studied by core and thin section observation combining with well logging data. The results show that the key lithologies of weathering crust include andesite and tuff,followed by dyke,cryptoexplosive breccia and glutenite. During the complex burial process,different tectonic units underwent the evolution of 'sag-uplift-uplift' or 'sag-uplift-sag',resulting in significant differences for diagenetic sequence and pore evolution of different reservoir rocks. The primary pore types and their genesis of igneous and clastic rocks are obviously different,but the present reservoir space is dominated by secondary pores,especially dissolution pores. The dissolved material includes porphyry,matrix and volcanic debris. The dominant fluid for dissolution is variable. In addition to the atmospheric fresh water rich in CO₂ during the uplifting and exposure,the organic acid discharged during the maturation of organic matter has a positive effect on improving reservoir quality. The formation of favorable weathering crust reservoir rock is controlled by lithology,burial evolution and diagenetic fluid. On the whole,the reservoir quality order of the Cretaceous Xiwa Formation in the Fulin subsag is as follow: Volcaniclastic rock,vesicular andesite,tuff,subvolcanic rock. Different weathering crust reservoir rocks in the study area underwent different diagenetic modification during the complex burial process.     

济阳坳陷富林洼陷中生界复杂岩性风化壳储集层成岩作用*

风化壳储集层成因及其差异性特征分析是当今储层地质学研究热点。渤海湾盆地济阳坳陷沾化凹陷富林洼陷中生界油气勘探遇到瓶颈,目前探井仅钻揭白垩系顶部风化壳,且风化壳储集层岩性复杂、非均质性极强,明确风化壳储集层成岩改造、储集空间类型和组合关系,对本区乃至济阳坳陷中生界潜山油气勘探至关重要。通过岩心和薄片观察,结合录井、测井等资料,对富林洼陷白垩系西洼组复杂岩性风化壳储集层开展研究。结果表明: 风化壳岩性主要为安山岩和凝灰岩,其次为脉岩、隐爆角砾岩和砂砾岩。由于不同构造单元在复杂埋藏过程中经历了“洼—隆—隆”或“洼—隆—洼”的演化过程,不同岩性储集层的成岩序列和孔隙演化差异明显。火成岩和碎屑岩原生孔隙类型和成因明显不同,但现今储集空间均以次生孔隙特别是溶蚀孔为主,被溶蚀物质包括斑晶、基质以及火山岩屑等。溶蚀作用的主导流体多变,继抬升暴露过程中富含CO₂的大气淡水之后,有机质成熟时排出的有机酸对储集层改善有积极作用。有利风化壳储集层的形成受到岩性、埋藏演化过程和成岩流体的共同控制。整体上,富林洼陷白垩系西洼组储集层质量由好到次的顺序为: 凝灰质砂砾岩,火山角砾岩,含残余气孔安山岩,凝灰岩,次火山岩;不同岩性风化壳储集层在复杂埋藏过程中,经历了不同的成岩改造。     

大别造山带石关地区变质岩风化壳中REY富集和分异研究

最新的找矿勘查在大别造山带变质岩风化壳中发现稀土元素（REY、REEs+Y）的富集,为揭示高纬度地区变质岩风化壳中REY风化富集规律提供了契机。本文以大别山地区石关变质岩风化壳剖面作为研究对象,通过岩相学、地球化学、XRD、V-SWIR、顺序提取实验等分析,探讨原生矿物-次生矿物转变、REY来源、迁移富集规律及分异机制。研究认为：石关风化壳的基岩为石英二长片麻岩,稀土元素总量（∑REY）范围为280×10-6~310×10-6,呈LREE相对富集的右倾式稀土配分型式,角闪石（∑REY=722×10-6~795×10-6）和榍石（∑REY=12635×10-6~13351×10-6）是基岩中主要的REY载体,也是风化壳内REY的主要来源,风化壳整体的稀土元素配分继承于基岩。风化壳剖面由下至上REY含量逐渐增高（∑REY=469×10-6~535×10-6）,对应的矿物组成上长石类矿物减少、石英和次生矿物（黏土矿物、铁锰氧化物等）增多,其中黏土矿物中伊利石含量逐渐减少,绿泥石、高岭石含量逐渐增多。顺序提取实验表明残余态是风化壳中REY的主要赋存状态（占比69％~88％）,越靠近风化壳上部,可被提取出的、活化的REY占比越高,活化的REY以离子交换、铁锰氧化物结合和有机质结合等方式被固定在风化壳中。(La/Yb)N指示离子吸附态、有机质结合态和铁锰氧化物态均显示HREY相对富集的稀土分异趋势。     

压力水作用下硬石膏岩膨胀性研究

针对隧道工程中硬石膏围岩在压力水作用下的膨胀现象,设计加工了多功能膨胀仪。使用该仪器及MTS815岩石力学测试系统,对不同水压条件下硬石膏岩的轴向膨胀应变及侧向膨胀应力进行了测试,对压力水作用后硬石膏岩的含水状态及力学特性进行了测试。结果表明：水压越大,硬石膏岩的最大轴向膨胀应变及最大侧向膨胀应力越大,膨胀起始时间越短;随水压的增大,硬石膏岩的吸水率增大,结晶水率逐渐增大并趋于吸水率,而自由水率逐渐减小并趋于0;硬石膏岩的弹性模量和峰值强度随水压的增大而增大。这些说明水压能影响其含水状态,增强硬石膏岩的膨胀性,促进其膨胀的激活,提高其力学性能。基于试验结果,建立了压力水作用下的硬石膏岩吸水状态方程,并改进了湿度场理论体系中的膨胀本构模型。