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NG:反應性流體可驅動深部地殼巖石快速轉變
2020-06-03 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  流體與巖石的相互作用是地球動力學過程的基本組成部分,它不僅將物質、能量的傳遞與大規模構造變形相聯系,也控制著礦床形成、碳封存過程以及巖石圈流變特征變化(Jamtveit et al., 2000)。流體與巖石相互作用過程幾乎不受限于空間尺度,在礦物顆粒、巖石露頭和板塊等不同尺度上均可發生(Engvik et al., 2008)。 

  但在時間尺度上,由于缺少合適的定年方法,很難對區域尺度流體與巖石相互作用的持續時間進行有效的精確約束(Baxter and DePaolo, 2000)。放射性測年技術提供的是絕對年齡而不是持續時間,且其不確定性太大,無法捕獲快速而短暫的地質過程。而通過室內實驗獲取作用速率,再進行尺度升級的方法也十分困難。 

  挪威卑爾根大學A. Beinlich與柏林自由大學T. John等研究者為了量化區域尺度的流體-巖石相互作用的持續時間提出了新的研究方法(Beinlich et al., 2020)。他們針對挪威北部蛇綠巖進行了詳細的研究,依據流體驅動導致的蛇紋石化蝕變的地表露頭反應鋒面幾何形狀,獲取了反應性流體的運移條件的重要野外證據(圖1)。然后,作者建立了對流-擴散-反應耦合的動力學數值模型來模擬蝕變過程的礦物分布變化,并通過擬合實際野外數據來約束流體-巖石相互作用的持續時間。 

1 蛇綠巖的逆沖和蝕變。 a.蛇紋巖裂縫邊緣約3 m寬的滑石蝕變露頭;b.蝕變過程示意圖,蛇綠巖與下覆片巖之間普遍存在的碳酸鹽巖接觸帶表明了蝕變流體的起源于沉積物壓實而釋放出的含碳流體。沿蛇紋巖內的裂縫(長度為十到幾百米,并與逆沖基底相連)斷層泥中也存在滑石,表明裂縫起了流體導通作用(Beinlich et al., 2020)

  作者在研究中采用了一維反應溶質運移模型模擬垂直于斷裂的滲流途徑上由于含碳、硅、鋰流體對流與擴散導致的蛇紋巖被滑石巖所替代的過程(圖2 )。模型中使用已知的擴散系數、流體和巖石密度等參數,而通過改變流體流速對模型進行擬合校正,重現實際的反應鋒面的幾何形狀。同時,利用反應鋒面兩側巖石的Li同位素的擴散來約束流體的運移速度。通常,快速對流會導致反應鋒面擴展更快且鋒面更加尖銳。采用這個方法計算獲得的改造過程被限定在20年左右,即流體流速大約為0.13m/a。這是一個相當快的速度,比退變質實驗推測的速度快幾個數量級。在此流速條件下,基于Darcy定律可知在反應前沿擴展期間的介質滲透率約為10-14.5 m2,這比實驗測得的蛇紋巖和頁蛇紋石滲透率都要高得多(10-17m210-20m2)(Katayama et al., 2012)。 

  雖然數值模型是選取了一個典型的蛇紋石-滑石反應鋒面,而實際上這種鋒面在約70 km2的區域內廣泛存在,蝕變在裂縫通道兩側擴展的距離通常在幾厘米到幾十米之間變化。以數值模型獲取的流速計算,區域尺度的流體-巖石反應持續時間約為10-100年。而在地殼下部溫度更高的條件下,流體與巖石相互作用的時間尺度可能會更短。 

2 蛇紋石蝕變過程中的礦物變化。a.反應界面上的礦物分布;b.反應界面的礦物豐度變化。蛇紋石中的滑石是早期輝石的殘余。滑石中的蛇紋石以菱鎂礦的夾雜物形式存在;c.反應溶質運移模型中不同反應持續時間下測出的葉蛇紋石體積分數擬合結果(Beinlich et al., 2020)

  該研究結果表明,流體蝕變鋒面擴展速度至少與大規模構造過程速度(如洋中脊擴張、板塊運動和俯沖)相當(Stern, 2012)。因此,從地球動力學的角度來看,流體作用引發的巖石及其物性的變化可以快速進行。而這種快速的巖石轉變過程,會引起介質滲透率的增加,從而促進了地殼中低滲透率巖石的流體導通能力。作者得到主要結論認為當存在反應性流體時,大陸碰撞和俯沖帶中的大規模流體引起的巖石礦物轉變可快速發生(數十年的時間尺度上)。因此從地質學角度推斷,自然狀態下碳封存、礦床形成以及地殼的巖石物理變化可以快速發生。 

  反應運移數值模型是分析地球系統物理、化學和生物耦合過程必不可少的工具,構建恰當的模型可以較好地描述地質過程的時空演化,如預測地下污染物遷移行為、地殼物質通量以及變質作用與巖漿輸運等深部地球過程(Steefel et al., 2005)。多數模型研究是采用正演模擬預測地質過程,而本研究基于典型的野外證據采用反演模擬來限定流體流速,克服了模型參數的不確定性,這為地質過程時空演變定量研究提供了新的思路和方法。 

  【致謝:感謝巖石圈演化國家重點實驗室劉傳周研究員對本文提出的寶貴修改建議。】 

    

  主要參考文獻 

  Baxter E F, DePaolo D J. Field measurement of slow metamorphic reaction rates at temperatures of  500° to 600°C [J]. Science, 2000, 288(5470): 1411-1414.鏈接 

  Beinlich A, John T, Vrijmoed J C, et al. Instantaneous rock transformations in the deep crust driven by reactive fluid flow[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(4): 307-311.鏈接 

  Engvik A K, Putnis A, Gerald J D F, et al. Albitization of granitic rocks: the mechanism of replacement of oligoclase by albite[J]. The Canadian Mineralogist, 2008, 46(6): 1401-1415.鏈接 

  Jamtveit B, Austrheim H, Malthe-S?renssen A. Accelerated hydration of the Earth's deep crust induced by stress perturbations[J]. Nature, 2000, 408(6808): 75-78.鏈接 

  Katayama I, Terada T, Okazaki K, et al. Episodic tremor and slow slip potentially linked to permeability contrasts at the Moho[J]. Nature Geoscience, 2012, 5(10): 731-734.鏈接 

  Steefel C I, DePaolo D J, Lichtner P C. Reactive transport modeling: An essential tool and a new research approach for the Earth sciences[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2005, 240(3-4): 539-558.鏈接 

  Stern R J. Subduction zones[J]. Reviews of Geophysics, 2002, 40(4): 3-1-3-38.鏈接 

(撰稿:董艷輝/頁巖氣與工程室)

 
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