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超基性岩体系深部流体与脱水反应的原位实验观测

批准号:
42102056
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
程南飞
学科分类:
岩石学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
程南飞

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
地球内部的流体对地球内部物质的性质和演化起着不可或缺的作用,可以催化甚至直接参与一些重要的变质反应,例如脱水和脱碳反应。在浅部低压下(例如,<10 kbar),这些流体的溶质主要是盐类(例如,碱金属氯化物)和气体(例如,CO2),但在深部高压下还可能涉及到硅酸盐。传统上,对变质流体和反应的实验研究主要是间接分析淬火后的产物,难以获得高温高压下的原位数据。本研究计划利用热液金刚石压腔和拉曼光谱仪原位观测超基性岩蚀变矿物,包括滑石、叶蛇纹石和水镁石参与的矿物-流体相互作用以及脱水反应,获得水溶组分类型和含量、反应边界和反应速率等信息。除了纯水,CO2和NaCl也会作为溶质加入到初始反应流体中。研究结果有望揭示典型流体对蚀变俯冲超基性岩脱水深度和反应动力学的影响,加深我们对深部流体性质及其对变质作用的认识,推动深部流体内洽性热力学数据库的建立。
英文摘要
Fluids play a significant role in regulating the properties and evolution of materials within Earth’s interior. For example, fluids could help increase reaction rates and may be even involved in some important metamorphic reactions such as dehydration and decarbonation reactions. The solutes are usually assumed to be salts (mainly alkali chlorides) and gases (mainly CO2) at relatively lower pressures (e.g. < c.10 kbar), but substantial amounts of host-rock oxide components (mainly silicates and aluminosilicates) are predicted to be dissolved in water at elevated pressure-temperature (P-T) conditions. Traditionally, the composition of high-P-T experimental fluids is indirectly measured from quenched vapors, and in-situ properties are difficult to be obtained. In this study, hydrothermal diamond-anvil cell and Raman spectroscopy will be used to investigate mineral-water interactions and dehydration reactions of some hydrothermally alternated ultramafic minerals, including talc, antigorite, and brucite. The goals are to determine the aqueous species and their concentrations, reaction boundaries, and reaction rates. In addition to pure water, NaCl and CO2 will be added separately into the fluids. The results will reveal the impacts of these typical deep fluids on the dehydration depth and reaction kinetics of hydrothermally alternated ultramafic rocks, improve our knowledge of deep fluids and their roles in dehydration reactions, and promote the establishment of internally consistent thermodynamic dataset for high-P-T aqueous fluids.
俯冲带流体在地球内部硅酸盐物质循环、深部碳循环及全球长期气候变化中具有关键作用。然而,其高温高压条件下的性质及其对脱水反应的影响仍缺乏系统研究。本项目基于热液金刚石压腔(HDAC)与激光拉曼光谱技术,结合分子动力学模拟,开展了原位高温高压实验研究与理论计算。.首先,针对HDAC实验中广泛使用的铼垫片,本研究通过一系列温压高达28.9 kbar、850 ℃的实验,结合拉曼光谱分析,揭示了铼垫片在热液实验中的三种固有效应:(1)200–700 ℃范围内出现强烈背景荧光,源于铼溶解生成低氧化态含水种型;(2)700 ℃以上检测到显著ReO₄⁻信号,降低流体pH值并干扰其他组分的拉曼解析;(3)高温下生成氧化性种型(如ReO₄⁻和CO₂),与氧逸度升高密切相关。基于上述发现,提出了四项优化建议,为HDAC实验设计提供了重要参考。.其次,针对俯冲带流体中是否存在碳-硅种型这一重要争议问题,本研究在不同氧逸度条件下系统地开展了原位高温高压实验。结果表明,在靠近C-CO₂缓冲剂的氧化条件下未检测到碳-硅种型的存在;而在还原条件下,CH₄流体中观察到的肩峰仅为CH₄的热峰,而非碳-硅种型的证据。这一发现明确否定了俯冲带流体中碳-硅物种的存在,为深部碳循环模型的完善提供了实验证据。.此外,基于分子动力学模拟,本研究构建了NaCl-H₂O体系的状态方程,覆盖1–30 kbar、573–1573 K的温压范围,并导出了适用于地壳和上地幔深度的水活度模型和电导率模型。这一成果填补了NaCl-H₂O体系现有高压模型的空白,为深部流体的研究提供了重要的热力学工具。.最后,本研究聚焦叶蛇纹石和滑石在~10 kbar压力附近的脱水反应,发现在富水体系中,传统认为的顽火辉石并未生成,而仅形成镁橄榄石,且流体中溶解了大量SiO₂。这一现象揭示了含水矿物在富水条件下溶解与脱水反应的耦合机制,为理解俯冲带流体行为及其对地幔楔交代和部分熔融的影响提供了新的视角。
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