上地幔条件下典型流体/熔体物理化学属性预测及其地质意义

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C-H-O流体和熔体被广泛认为在许多地质过程中(如地幔部分熔融、克拉通改造、火山活动、变质作用、成矿作用、热液活动和深部物质循环)发挥了至关重要的作用。为了更好理解这些流体-熔体在地质过程中所发挥的作用,有必要了解它们的物理化学属性、在地球内部的存在形式以及地质意义。熔体中的流体溶解度和熔体粘度分别作为流体和熔体的最重要的物理化学属性之一,对于许多地质过程,如岩浆的产生,运移,去气、结晶分异以及火山喷发产生重要的影响。流体/熔体包裹体作为地幔矿物中捕获的原始流、熔体成分,由于其自身的属性(如高模量系数和体系的封闭性),能够为在华北克拉通岩石圈地幔改造方面扮演重要角色的交代熔体的研究提供独一无二的样本。本论文通过理论和实验手段着重研究典型流体(H2O-CO2流体)/熔体的物理化学属性(如流体溶解度,熔体粘度)及其地质意义,开展了如下几个方面的研究工作:  (1)理论上预测H2O-CO2地质流体和熔体的物理化学属性(如溶解度、粘度)。  1)溶解度方面,本研究主要通过热力学手段,首先从流体在流体相-熔体相两相之间的平衡着手。由于状态方程是H2O-CO2流体在流体相熔体相之间相平衡预测的关键,本文中采用了一个具有可靠性的状态方程来精确模拟流体在流体相中的化学位。为了精确预测流体在熔体相中的化学位,本研究采用了流体-熔体相互作用理论。在该方法中,H2O-CO2流体与熔体相互作用参数被视为与温度和压力的常数,然而,这并不意味着流体在熔体相中的化学位与温度-压力无关。因此,本模型中采用与温度和压力有关的标准化学位。同时,流体在流体-熔体相之间的分配行为遵守质量平衡。所以,基于流体在流体-熔体相相平衡,本文成功建立一个覆盖宽广温压(973-2003 K,0.001-30 kbar)和熔体成分(从超基性、基性到酸性,从贫铝到富铝,从弱碱到强碱)范围精确预测熔体中H2O-CO2流体溶解度的通用型热力学模型,并对影响溶解度的因素(如温度、压力、成分、氧逸度)做了深入的探讨。本模型不仅能够用于预测流体在熔体中的饱和压力(即流体/熔体包裹体的最小捕获压力),而且还能用于H2O-CO2在流体-熔体相之间分馏的预测。这些应用对于理解许多地质过程(岩浆去气、运移、演化和火山喷发等)有着重要的意义。  2)熔体粘度方面,鉴于粘度是熔体体系温度、压力、成分、氧逸度的复杂函数,分析这些因素对粘度的影响对于粘度模型的建立具有重要的意义。尽管前人对熔体粘度有着广泛的研究,但是对于这些因素对粘度的影响还没有得出一致的结论。一般来说,控制熔体粘度的主要参数是温度和熔体成分(特别是H2O的含量)。此外,很多研究表明压力和氧逸度对粘度也有着重要的影响。然而,前人模型中没有一个能够综合考虑对粘度的影响因素。比如,一些模型考虑了温度和成分,但是忽视了压力和氧化还原状态的影响;另外一些考虑了温度和氧化状态,但是没有考虑压力和成分的影响。这些事实可能会妨碍模型在地质熔体体系中的应用,这可由这些模型预测值与实验值之间存在着较大误差表明。本文在吸取前人模型优势和克服前人模型不足的基础上,在Vogel-Fulc her-Tammann(VFT)方程基础上进行了方法上的改进,不仅考虑了温度和成分,也考虑压力和氧化还原状态对影响,建立了一个覆盖宽广温压(733-2523 K,0.001-130 kbar)和熔体成分范围(从超基性、基性到酸性,从无水到含水)的精确预测含铁熔体的通用型经验模型。本模型能用于熔体在熔体相与晶体相之间的转变温度(Tg)以及熔体脆性度(m)的预测。这些应用对于岩浆运移、结晶分异和火山喷发等地质过程有着重要意义。  (2)流体/熔体包裹体方面,本文对华北克拉通汉诺坝地区的斜方辉石为主的二辉岩捕掳体及其捕获的流体/熔体包裹体进行了系统性的岩石学和地球化学研究,并探讨了华北克拉通中地幔岩浆的形成、演化及其可能对华北克拉通破坏的意义。拉曼光谱和高温热台分别对流体包裹体密度以及共生的熔体包裹体均一温度的分析表明,包裹体可能捕获在尖晶石二辉橄榄岩的稳定区域,这也很可能是汉诺坝捕掳体形成的区域,同时证明了捕掳体的地幔来源,这也由捕掳体矿物中的高Ni和Cr含量证明。对捕掳体成因模式计算表明,地幔捕掳体可能是板块俯冲所释放的熔体与地幔橄榄岩相互作用的产物。此外,通过对熔体包裹体中成分研究表明熔体包裹体中的熔体很可能来自俯冲板块的部分熔融,其源区可能有俯冲变质沉积岩物质的贡献。这些熔体运移到地幔中,与地幔橄榄岩相互作用,诱发了地幔的部分熔融,对华北克拉通岩石圈的破坏可能起着重要的作用。
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