High-magnitude stresses induced by mineral-hydration reactions
High-magnitude stresses induced by mineral-hydration reactions
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矿物水合反应引起的高强度应力
作者：
Plümper O
流体-岩石相互作用在地球岩石圈和环境地下系统中起着至关重要的作用。在没有化学物质输运的情况下，矿物水化反应将伴随着固体体积的增加，这可能会引起不同的应力和相关的反应引起的变形过程，例如膨胀压裂以增加流体渗透率。然而，在自然系统中表现出来的压力的大小仍然没有得到很好的限制。我们使用光学和电子显微镜显示，自然界中最简单的水化反应之一[MgO + H2O = Mg(OH)2]可以诱导几百兆帕斯卡的应力，局部应力高达1.5 GPa。研究表明，这些应力不仅会导致断裂，还会引起塑性变形，其位错密度（1015m−2）超过典型构造变形岩石的位错密度。如果这些反应引起的应力可以在更大的长度尺度上传递，它们可能会影响反应区域的体应力状态。此外，构造损伤可能是导致灾难性岩石破坏的第一步，从而引发地壳地震活动。
Fluid-rock interactions play a critical role in Earth’s lithosphere and environmental subsurface systems. In the absence of chemical mass transport, mineral-hydration reactions would be accompanied by a solid-volume increase that may induce differential stresses and associated reaction-induced deformation processes, such as dilatant fracturing to increase fluid permeability. However, the magnitudes of stresses that manifest in natural systems remain poorly constrained. We used optical and electron microscopy to show that one of the simplest hydration reactions in nature [MgO + H2O = Mg(OH)2] can induce stresses of several hundred megapascals, with local stresses of as much as ∼1.5 GPa. We demonstrate that these stresses not only cause fracturing but also induce plastic deformation with dislocation densities (1015m−2) exceeding those typical of tectonically deformed rocks. If these reaction-induced stresses can be transmitted across larger length scales, they may influence the bulk stress state of reacting regions. Moreover, the structural damage induced may be the first step toward catastrophic rock failure, triggering crustal seismicity.
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