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应用案例 | 流体-岩石相互作用导致岩石圈性质发生瞬时转变

5月/22/2020
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        流体-岩石相互作用是地球动力学过程的基本组成部分，地质流体通过将化学反应、物质转移、能量转移以及大规模的构造变形联系起来，从根本上控制着地球岩石圈的物理化学性质。岩石在流体存在的情况下会不可避免地发生流体-岩石相互作用，且这些相互作用驱动着岩石圈的成矿、固碳和流变变化，并与生命的出现有关。
        证据表明，流体-岩石相互作用发生于小至矿物晶体边界和大至构造板块的空间尺度，也可能发生于长期造山旋回和板块流体释放之间的时间尺度上（图1），总之流体-岩石相互作用发生于不同的时间长度和空间尺度。
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图1 地质作用的持续时间特征和尺度在造山过程和俯冲板片流体释放之间，流体-岩石相互作用的持续时间是不受约束的。
 

        尽管流体-岩石相互作用对地壳的动态演化至关重要，但是由于缺乏合适的计时器，且传统的放射成因测年技术提供了绝对年龄而不是持续时间，它们的不确定性太大，无法捕捉快速和短暂的地质过程，所以区域流体-岩石相互作用的时间尺度基本上没有受到精确的约束。此外，实验室模拟区域流体-岩石相互作用过程仍然是一个难题。因此，为了精确的约束区域流体-岩石相互作用的持续时间，必须研究足够大的自然系统。

        因此，为了精确的约束区域流体-岩石相互作用的持续时间，挪威卑尔根大学地球科学系地质学家A.Beinlich及其合作者对挪威北部蛇绿岩序列中一个异常暴露的古老热液系统（地质历史时期的热液系统，现在已经成岩）进行了研究（图2）。

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图2 蛇绿岩的仰冲与蚀变

a.蛇纹岩裂缝周围约3 m宽的滑石蚀变边缘的典型露头图像；
b.描绘了蛇绿岩在变质沉积物上的侵位、基底蛇绿岩逆冲下蚀变流体的聚集以及逆冲和流体通道沿线的滑石形成。构造接触面早期蚀变过程中的锂同位素交换控制着蚀变流体储层的锂盈亏。温度梯度显示了蛇绿岩逆冲和蚀变期间和之后系统的热演化。
 

        研究者对该异常暴露的古老热液系统进行了精细的观测，并用它来建立了一个多元素对流-扩散-反应传输的模型（图3）。并且计算了流体驱动的反应锋的速度，发现它们可以以每年10 cm的速度传播，相当于最快的板块运动和大洋中脊的扩展速率。研究发现在中地壳的低渗透性岩石中，瞬时的、反应引起的渗透性增加，促进了流体驱动的反应锋传播（图4）。 
 

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图3 蛇纹岩蚀变过程中的矿物置换
a.反应界面矿物分布图；b.整个反应界面处的块状岩石矿物丰度；c.反应迁移模型适合于不同蚀变时间下的叶蛇纹石体积分数的测量。
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图4 露头锂同位素分布与流体储层组成演化
a.蛇绿岩与沉积蚀变流体扩散同位素交换过程中露头块状岩石锂同位素分布与储层流体δ7Li演化；b.二维流体碳浓度和流动矢量；c.流体6Li在二维中的浓度，表明矿物的置换滞后于流体6Li的前锋。 
 
        该论文的结论是，大陆碰撞和俯冲带中的大规模流体介质导致的岩石圈性质转变，发生在有反应流体存在的几十年时间尺度上。研究者从地质时空演化角度推断，地壳深部岩石天然固碳、矿床形成以及地壳的短暂和长期的岩石物理变化是瞬间进行的。
该研究成果于2020年3月16日发表在地学顶级期刊《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。
 
        该研究过程中使用到 TESCAN 公司的全自动综合矿物分析系统 TIMA-X。TIMA（Tescan Integrated Mineral Analyzer），TESCAN 综合矿物分析系统是基于扫描电镜的岩石矿物全自动化定量分析系统，具有将电镜和能谱高度集成的独特技术，能同时进行极高分辨率的背散射电子（BSE）与 X 射线能谱（EDX）快速成像，并配备专业的矿物处理软件，辅助分析结果和生成报告。

        岩石矿物分析是地质工作者的主要工作内容之一，是地质勘探的重要组成部分，也是整个矿物质分析的基础工作。由于矿物类型多、结构复杂，需要分析的颗粒繁多且大小不等（毫米至微米级），并且有时寄主岩石和矿物在结构和成分上差别并不显著，所以普通光学显微镜、扫描电镜、激光拉曼和电子探针等分析仪器对于寻找和识别这些矿物效果并不明显，工作相当耗时且仅限于对局部的观察，且研究过程中极易遗漏重要信息。因此，TESCAN 公司为此研发了全自动综合矿物分析系统 TIMA（TESCAN Integrated Mineral Analyzer）。

        TIMA-X 是最新一代产品，可以对岩石、矿石、岩屑、精矿、尾矿、浸出渣或冶炼产品等进行快速定量矿物分析，能有效识别岩石类型、矿物种类、测量矿物含量、分布、颗粒大小、解离或锁定各种参数。

        TIMA-X 还提供特定矿物和亮相搜索模块，可以快速准确寻找目标矿物和金、铂等贵金属以及稀有金属。TIMA-X 对矿物成分和结构的定量解析达到微米的尺度，相对于传统光学显微镜和扫描电镜具有非常大的优势，已广泛应用于地质、石油、矿业和冶金等领域。
 

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        论文详情，请见 https://www.nature.com/articles/s41561-020-0554-9。