流體-巖石相互作用導(dǎo)致巖石圈性質(zhì)發(fā)生瞬時轉(zhuǎn)變

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發(fā)表時間：2020-05-22 15:31

流體-巖石相互作用導(dǎo)致巖石圈性質(zhì)發(fā)生瞬時轉(zhuǎn)變.JPG


流體-巖石相互作用是地球動力學(xué)過程的基本組成部分，地質(zhì)流體通過將化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)移以及大規(guī)模的構(gòu)造變形聯(lián)系起來，從根本上控制著地球巖石圈的物理化學(xué)性質(zhì)。巖石在流體存在的情況下會不可避免地發(fā)生流體-巖石相互作用，且這些相互作用驅(qū)動著巖石圈的成礦、固碳和流變變化，并與生命的出現(xiàn)有關(guān)。證據(jù)表明，流體-巖石相互作用發(fā)生于小至礦物晶體邊界和大至構(gòu)造板塊的空間尺度，也可能發(fā)生于長期造山旋回和板塊流體釋放之間的時間尺度上（圖1），總之流體-巖石相互作用發(fā)生于不同的時間長度和空間尺度。

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圖1 地質(zhì)作用的持續(xù)時間特征和尺度
在造山過程和俯沖板片流體釋放之間，流體-巖石相互作用的持續(xù)時間是不受約束的。

盡管流體-巖石相互作用對地殼的動態(tài)演化至關(guān)重要，但是由于缺乏合適的計時器，且傳統(tǒng)的放射成因測年技術(shù)提供了絕對年齡而不是持續(xù)時間，它們的不確定性太大，無法捕捉快速和短暫的地質(zhì)過程，所以區(qū)域流體-巖石相互作用的時間尺度基本上沒有受到精確的約束。此外，實驗室模擬區(qū)域流體-巖石相互作用過程仍然是一個難題。因此，為了精確的約束區(qū)域流體-巖石相互作用的持續(xù)時間，必須研究足夠大的自然系統(tǒng)。

因此，為了精確的約束區(qū)域流體-巖石相互作用的持續(xù)時間，挪威卑爾根大學(xué)地球科學(xué)系地質(zhì)學(xué)家A.Beinlich及其合作者對挪威北部蛇綠巖序列中一個異常暴露的古老熱液系統(tǒng)（地質(zhì)歷史時期的熱液系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)成巖）進行了研究（圖2）。


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圖2 蛇綠巖的仰沖與蝕變
a.蛇紋巖裂縫周圍約3 m寬的滑石蝕變邊緣的典型露頭圖像；b.描繪了蛇綠巖在變質(zhì)沉積物上的侵位、基底蛇綠巖逆沖下蝕變流體的聚集以及逆沖和流體通道沿線的滑石形成。構(gòu)造接觸面早期蝕變過程中的鋰同位素交換控制著蝕變流體儲層的鋰盈虧。溫度梯度顯示了蛇綠巖逆沖和蝕變期間和之后系統(tǒng)的熱演化。

研究者對該異常暴露的古老熱液系統(tǒng)進行了精細(xì)的觀測，并用它來建立了一個多元素對流-擴散-反應(yīng)傳輸?shù)哪Ｐ?/span>（圖3）。并且計算了流體驅(qū)動的反應(yīng)鋒的速度，發(fā)現(xiàn)它們可以以每年10?cm的速度傳播，相當(dāng)于最快的板塊運動和大洋中脊的擴展速率。研究發(fā)現(xiàn)在中地殼的低滲透性巖石中，瞬時的、反應(yīng)引起的滲透性增加，促進了流體驅(qū)動的反應(yīng)鋒傳播（圖4）。

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圖3 蛇紋巖蝕變過程中的礦物置換

a.反應(yīng)界面礦物分布圖；b.整個反應(yīng)界面處的塊狀巖石礦物豐度；c.反應(yīng)遷移模型適合于不同蝕變時間下的葉蛇紋石體積分?jǐn)?shù)的測量。


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圖4 露頭鋰同位素分布與流體儲層組成演化
a.蛇綠巖與沉積蝕變流體擴散同位素交換過程中露頭塊狀巖石鋰同位素分布與儲層流體δ7Li演化；b.二維流體碳濃度和流動矢量；c.流體6Li在二維中的濃度，表明礦物的置換滯后于流體6Li的前鋒。
該論文的結(jié)論是，大陸碰撞和俯沖帶中的大規(guī)模流體介質(zhì)導(dǎo)致的巖石圈性質(zhì)轉(zhuǎn)變，發(fā)生在有反應(yīng)流體存在的幾十年時間尺度上。研究者從地質(zhì)時空演化角度推斷，地殼深部巖石天然固碳、礦床形成以及地殼的短暫和長期的巖石物理變化是瞬間進行的。
該研究成果于2020年3月16日發(fā)表在地學(xué)頂級期刊《Nature Geoscience》上：
Beinlich,A., John, T., Vrijmoed, J.C. et al. Instantaneous rock transformations in the deep crust driven by reactive fluid flow. Nat. Geosci. 13, 307–311 (2020). https://doi.org/10.1038/s41561-020-0554-9。
該研究過程中使用到 TESCAN 公司的全自動綜合礦物分析系統(tǒng) TIMA-X。TIMA（Tescan Integrated Mineral Analyzer），TESCAN 綜合礦物分析系統(tǒng)是基于掃描電鏡的巖石礦物全自動化定量分析系統(tǒng)，具有將電鏡和能譜高度集成的獨特技術(shù)，能同時進行極高分辨率的背散射電子（BSE）與 X 射線能譜（EDX）快速成像，并配備專業(yè)的礦物處理軟件，輔助分析結(jié)果和生成報告。

巖石礦物分析是地質(zhì)工作者的主要工作內(nèi)容之一，是地質(zhì)勘探的重要組成部分，也是整個礦物質(zhì)分析的基礎(chǔ)工作。由于礦物類型多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要分析的顆粒繁多且大小不等（毫米至微米級），并且有時寄主巖石和礦物在結(jié)構(gòu)和成分上差別并不顯著，所以普通光學(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別這些礦物效果并不明顯，工作相當(dāng)耗時且僅限于對局部的觀察，且研究過程中極易遺漏重要信息。因此，TESCAN 公司為此研發(fā)了全自動綜合礦物分析系統(tǒng) TIMA（TESCAN Integrated Mineral Analyzer）。

TIMA-X 是最新一代產(chǎn)品，可以對巖石、礦石、巖屑、精礦、尾礦、浸出渣或冶煉產(chǎn)品等進行快速定量礦物分析，能有效識別巖石類型、礦物種類、測量礦物含量、分布、顆粒大小、解離或鎖定各種參數(shù)。

TIMA-X 還提供特定礦物和亮相搜索模塊，可以快速準(zhǔn)確尋找目標(biāo)礦物和金、鉑等貴金屬以及稀有金屬。TIMA-X 對礦物成分和結(jié)構(gòu)的定量解析達(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，已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、石油、礦業(yè)和冶金等領(lǐng)域。

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