热扩散驱动的元素分异和同位素分馏:一种不容忽视的硅酸盐成分分异机制
发布时间：2021-09-07 03:23
热扩散在地质过程中是否发挥重要作用一直存有争议。本文回顾了热扩散的研究历史和现状,重点总结了热扩散驱动的元素和同位素行为规律,并探讨了温度、硅酸盐组分、压力和氧逸度等因素对热扩散行为的影响。已有的研究表明,稳定热梯度下的硅酸盐热扩散效应类似于结晶分异或AFC过程,可以造成轻、重同位素分别在高温端和低温端富集,而主、微量元素的扩散方向则取决于两端化学势的高低和熔体中的电价平衡。从基性岩浆到酸性岩浆,熔体聚合度增大,黏度增加,热扩散速率明显降低,成网元素的热扩散效应减弱,变网元素则反之;水、氟、氯和硫化氢等挥发组分能增加熔体的非桥氧比例,降低熔体聚合度,因而能显著增强硅酸盐熔体中元素和同位素的热扩散效应。在此基础上,本文提出了当前硅酸盐体系热扩散研究中存在的五个亟需解决的问题,即:1)对不同硅酸盐体系的热扩散规律的研究还不够全面; 2)对微量元素的热扩散行为认识不足; 3)硅酸盐体系热扩散作用的影响因素及尺度还不够明确; 4)热扩散作用的地质与地球化学关键识别标志有待确立; 5)硅酸盐体系热扩散作用的理论模型有待建立。尽管硅酸盐体系热扩散的研究还存在诸多不足,但越来越多的证据表明,热扩散是...
【文章来源】：岩石学报. 2020,36(01)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
硅酸盐体系中粒子热扩散的扩散系数DT与粒子运动方向相关性示意图
目前，开展地球深部的热扩散模拟主要利用水热装置、活塞圆筒和大压机等高温高压设备进行(Lesher and Walker,1986;Huang et al.,2009;Ding et al.,2009;Richter et al.,2009b;Bindeman et al.,2013)，其中以活塞圆筒装置最为代表性和普遍性。图2给出了活塞圆筒装置上热扩散实验的样品组装方法。活塞圆筒装置样品仓中间的最高温度处为热峰，从热峰到上下两侧，温度呈二次函数规律性降低(Watson et al.,2002;夏莹等，2014)。通常将热峰两侧10℃以内的高温区称之为热点区。高温高压实验通常是在恒定温度下进行的，样品需放在热点区内，以保证样品的温度均一且避免明显的热扩散发生;而模拟热扩散作用的实验一般将样品仓的一端置于热峰上，样品管从这一端到另外一端温度逐渐减小，从而形成一个大的温度梯度(图2)。由于活塞圆筒压力盘厚度不一，所使用的样品组装结构也不尽相同，这导致每个实验室的活塞圆筒装置具有差异性的热结构，由此可产生不同的温度梯度。比如，Richter et al.(2008)将约9mm的样品置于1520℃和1350℃之间，产生了约19℃/mm的热梯度;Ding et al.(2009)将18mm样品的两端控制在950℃和～350℃的温度下，产生了约33℃/mm的热梯度;Rodríguez et al.(2015)将10mm样品两端分别置于1100℃和700℃温度下，产生了40℃/mm的热梯度。因此，在开展热扩散实验之前，必须对该活塞圆筒装置的热结构进行细致分析(夏莹等，2014)。实验室产生的不同尺度的热梯度可对应于不同的地质过程或者地质体的不同范围，这不仅与热梯度大小有关，也跟地质过程或地质体自身形状有关。Rodríguez et al.(2015)运用有限元方法计算模拟了活塞圆筒装置产生的大的热梯度与真实的岩浆房温度之间的对应关系。他们的模拟结果显示，实验室产生的热梯度对应于自然岩浆过程的空间尺度大小取决于岩浆房的体积和纵横比，也就是说，岩浆房直径越大、越是扁平，热梯度对应的空间尺度就越大。比如，对于一个在0.5GPa和冷、热端温度分别为700℃和1100℃条件下进行热扩散的10mm长的样品(热梯度为40℃/mm)，它可模拟直径10～20km、高2～10km的岩浆房边部长达1100m尺度的岩浆扩散行为;当该岩浆房直径增至30km，相应地，该热梯度对应的空间范围可增至3700m。而且，随着岩浆房的降温冷却，相应热梯度对应的空间范围将进一步扩大。因此，实验室模拟出的大的热梯度可以与真实地质过程进行类比，从而为热扩散实验结果的地质应用提供理论依据。
图6 硅酸盐体系中不同同位素热扩散分馏的趋势对于硅酸盐熔体体系中同位素的热扩散分馏，Huang et al.(2010)根据不同硅酸盐熔体中Fe、Mg和Ca同位素的热扩散分馏实验结果，推导出同位素的热扩散分馏强度与体系的化学成分和温度高低无关，与温度梯度有密切关系。即只要存在温度梯度，同位素的热扩散分馏就会发生。Bindeman et al.(2013)对前人和自己的实验结果进行分析，指出热扩散中同位素的相对质量差和同位素的分馏强度具有线性的关系，相对质量差越大的同位素分馏越明显。Li and Liu(2015)利用局部热力学平衡的方法推导出了一个普适性的同位素热扩散分馏的计算公式。他们认为，只要知道硅酸盐体系中轻重同位素的配分函数比与温度之间的关系，即可获得某一温度梯度下的同位素分馏大小;同时，他们进一步推导出，在大于800°C的高温条件下，同位素的热扩散分馏公式可以简化为:
【参考文献】：
期刊论文
[1]Crystal fractionation of granitic magma during its non-transport processes: A physics-based perspective[J]. CHEN Chen,DING Xing,LI Rui,ZHANG WeiQi,OUYANG DongJian,YANG Lei,SUN WeiDong. Science China（Earth Sciences）. 2018(02)
[2]活塞圆筒装置压力盘样品组装的温度测定和热结构分析[J]. 夏莹,丁兴,宋茂双,熊小林,邵同宾,李建峰,郝锡荦. 高压物理学报. 2014(03)
[3]高温下非传统稳定同位素分馏[J]. 黄方. 岩石学报. 2011(02)
[4]基性-超基性岩浆成岩和成矿过程中Soret效应的研究进展[J]. 朱丹,罗泰义,宋谢炎,徐义刚,陶琰,黄智龙. 矿物学报. 2007(Z1)
[5]水在硅酸盐熔体中的溶解度及研究意义[J]. 孙樯,谢鸿森,郭捷,丁东业,苏根利. 地学前缘. 2000(01)
[6]浙东大衢山花岗岩中淬冷包体及其成因机制[J]. 周新民,姚玉鹏,徐夕生. 岩石学报. 1992(03)
[7]微花岗岩类包体与岩浆的扩散作用和熔离作用——以诸广山桂东、上堡岩体为例[J]. 周金城,徐夕生. 地质论评. 1992(03)
本文编号：3388745
【文章来源】：岩石学报. 2020,36(01)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
硅酸盐体系中粒子热扩散的扩散系数DT与粒子运动方向相关性示意图
目前，开展地球深部的热扩散模拟主要利用水热装置、活塞圆筒和大压机等高温高压设备进行(Lesher and Walker,1986;Huang et al.,2009;Ding et al.,2009;Richter et al.,2009b;Bindeman et al.,2013)，其中以活塞圆筒装置最为代表性和普遍性。图2给出了活塞圆筒装置上热扩散实验的样品组装方法。活塞圆筒装置样品仓中间的最高温度处为热峰，从热峰到上下两侧，温度呈二次函数规律性降低(Watson et al.,2002;夏莹等，2014)。通常将热峰两侧10℃以内的高温区称之为热点区。高温高压实验通常是在恒定温度下进行的，样品需放在热点区内，以保证样品的温度均一且避免明显的热扩散发生;而模拟热扩散作用的实验一般将样品仓的一端置于热峰上，样品管从这一端到另外一端温度逐渐减小，从而形成一个大的温度梯度(图2)。由于活塞圆筒压力盘厚度不一，所使用的样品组装结构也不尽相同，这导致每个实验室的活塞圆筒装置具有差异性的热结构，由此可产生不同的温度梯度。比如，Richter et al.(2008)将约9mm的样品置于1520℃和1350℃之间，产生了约19℃/mm的热梯度;Ding et al.(2009)将18mm样品的两端控制在950℃和～350℃的温度下，产生了约33℃/mm的热梯度;Rodríguez et al.(2015)将10mm样品两端分别置于1100℃和700℃温度下，产生了40℃/mm的热梯度。因此，在开展热扩散实验之前，必须对该活塞圆筒装置的热结构进行细致分析(夏莹等，2014)。实验室产生的不同尺度的热梯度可对应于不同的地质过程或者地质体的不同范围，这不仅与热梯度大小有关，也跟地质过程或地质体自身形状有关。Rodríguez et al.(2015)运用有限元方法计算模拟了活塞圆筒装置产生的大的热梯度与真实的岩浆房温度之间的对应关系。他们的模拟结果显示，实验室产生的热梯度对应于自然岩浆过程的空间尺度大小取决于岩浆房的体积和纵横比，也就是说，岩浆房直径越大、越是扁平，热梯度对应的空间尺度就越大。比如，对于一个在0.5GPa和冷、热端温度分别为700℃和1100℃条件下进行热扩散的10mm长的样品(热梯度为40℃/mm)，它可模拟直径10～20km、高2～10km的岩浆房边部长达1100m尺度的岩浆扩散行为;当该岩浆房直径增至30km，相应地，该热梯度对应的空间范围可增至3700m。而且，随着岩浆房的降温冷却，相应热梯度对应的空间范围将进一步扩大。因此，实验室模拟出的大的热梯度可以与真实地质过程进行类比，从而为热扩散实验结果的地质应用提供理论依据。
图6 硅酸盐体系中不同同位素热扩散分馏的趋势对于硅酸盐熔体体系中同位素的热扩散分馏，Huang et al.(2010)根据不同硅酸盐熔体中Fe、Mg和Ca同位素的热扩散分馏实验结果，推导出同位素的热扩散分馏强度与体系的化学成分和温度高低无关，与温度梯度有密切关系。即只要存在温度梯度，同位素的热扩散分馏就会发生。Bindeman et al.(2013)对前人和自己的实验结果进行分析，指出热扩散中同位素的相对质量差和同位素的分馏强度具有线性的关系，相对质量差越大的同位素分馏越明显。Li and Liu(2015)利用局部热力学平衡的方法推导出了一个普适性的同位素热扩散分馏的计算公式。他们认为，只要知道硅酸盐体系中轻重同位素的配分函数比与温度之间的关系，即可获得某一温度梯度下的同位素分馏大小;同时，他们进一步推导出，在大于800°C的高温条件下，同位素的热扩散分馏公式可以简化为:
【参考文献】：
期刊论文
[1]Crystal fractionation of granitic magma during its non-transport processes: A physics-based perspective[J]. CHEN Chen,DING Xing,LI Rui,ZHANG WeiQi,OUYANG DongJian,YANG Lei,SUN WeiDong. Science China（Earth Sciences）. 2018(02)
[2]活塞圆筒装置压力盘样品组装的温度测定和热结构分析[J]. 夏莹,丁兴,宋茂双,熊小林,邵同宾,李建峰,郝锡荦. 高压物理学报. 2014(03)
[3]高温下非传统稳定同位素分馏[J]. 黄方. 岩石学报. 2011(02)
[4]基性-超基性岩浆成岩和成矿过程中Soret效应的研究进展[J]. 朱丹,罗泰义,宋谢炎,徐义刚,陶琰,黄智龙. 矿物学报. 2007(Z1)
[5]水在硅酸盐熔体中的溶解度及研究意义[J]. 孙樯,谢鸿森,郭捷,丁东业,苏根利. 地学前缘. 2000(01)
[6]浙东大衢山花岗岩中淬冷包体及其成因机制[J]. 周新民,姚玉鹏,徐夕生. 岩石学报. 1992(03)
[7]微花岗岩类包体与岩浆的扩散作用和熔离作用——以诸广山桂东、上堡岩体为例[J]. 周金城,徐夕生. 地质论评. 1992(03)
本文编号：3388745
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