超临界地质流体研究进展简介

编者按

中国科学技术大学倪怀玮教授在《中国科学：地球科学》发表动态栏目文章，简要介绍超临界地质流体近年来的研究进展.

引言

在地球深部过程前沿研究中, 超临界地质流体的作用受到越来越多的关注. 超临界地质流体(以下简称超临界流体)形成于地球深部高温高压条件下, 是岩石组分(硅酸盐±碳酸盐±硫酸盐)与水之间达到完全混溶而形成的一种特殊性质流体. 超临界流体的成分变化可以很大, 但是以介于含水熔体与富水溶液之间的中间成分流体最具特征性. 在伟晶岩矿床研究中, 超临界流体也被称为浆液过渡态流体(即岩浆与热液之间具有过渡性质). 超临界流体兼具低的黏度和非常强的元素溶解能力, 使其有潜力在地球深部物质传输过程中发挥重要作用. 近年来, 国内外学者在超临界流体天然样品、实验和计算研究技术方法革新的基础上, 取得了多项研究进展和科学发现. 

超临界流体的组成、性质和结构

超高压变质脉体和伟晶岩中保存的多相流体包裹体很可能代表了超临界流体的微观记录, 但要准确恢复其化学组成并不容易. 在这方面, Ferrando等(2019)、Chen等(2022)和Jin等(2023)作了很好的探索. Ferrando等(2019)利用显微拉曼光谱估算了苏鲁造山带石英岩中多相流体包裹体的化学组成(表1), 通过LA-ICP-MS分析发现流体富集大离子亲石元素、UTh-Sr以及稀土元素. Chen等(2022)用拉曼光谱估算了大别造山带碧溪岭脉体中含石英-方解石-硬石膏的多相流体包裹体的平均化学组成. Jin等(2023)进一步开发了多相流体包裹体拉曼光谱三维重建和成分定量计算方法, 更准确地约束了大别造山带成脉流体的平均化学组成(表1). 苏鲁和大别造山带超临界流体中含有相似的SiO₂、MgO和CaO含量, 也都含有较多的硫和碳; 但苏鲁造山带流体中含有更多的Al₂O₃、FeO_t和碱金属元素, 而大别造山带流体中的水含量显著更高. 这些多相包裹体成分分析工作为超临界流体的实验和计算研究提供了重要依据.

超临界流体具有非常强的元素迁移能力, 是俯冲带深部以及岩浆-热液体系中物质传输的重要载体. 高场强元素是典型的富水流体不运移元素, 但可以被超临界流体迁移. Chen等(2018, 2021)通过实验测量发现, 含SiO₂或碱性长石等溶质组分的超临界流体可以溶解约1wt%的TiO₂和0.64wt%的ZrO₂, 而且具有较高的Nb/Ta比值. 俯冲板片释放出的超临界流体具有的这些地球化学特征可通过交代作用被地幔楔继承, 并在跨墨西哥火山带、印度尼西亚巽他弧等处的玄武岩哥火山带、印度尼西亚巽他弧等处的玄武岩带、印度尼西亚巽他弧等处的玄武岩(地幔楔的熔融产物)中得到体现(Chen等, 2018).

 为了准确理解超临界流体物理化学性质的变化规律, 需要通过分子动力学计算来认识其微观结构. Sun等(2023)对含SiO₂、钠长石等溶质组分的超临界流体开展了第一性原理计算研究, 发现当水加入硅酸盐熔体中时, 熔体中Q⁴种型(4个O均为桥氧的硅氧四面体或铝氧四面体)的占比迅速下降. 超临界流体中含有大量容易流动的含H单体(Q⁰)、二聚体(Q¹)等结构单元(图1), 这是导致其具有低黏度的根本原因. 低黏度使得携带大量硅酸盐溶质和微量元素的超临界流体可以像富水流体一样快速运移.

超临界流体的形成与演化

形成超临界流体需要富水条件, 例如伟晶岩岩浆体系、俯冲带深部超高压变质体系等环境. 深俯冲板片岩石在俯冲过程中发生变质脱水, 当其P-T轨迹与它的湿固相线(也称水饱和固相线)相交时, 岩石发生部分熔融. 湿固相线的终点称为第二临界端点, 其上方的V形区为超临界流体P-T稳定域(图2). 当俯冲岩石P-T轨迹绕过湿固相线时, 可以形成超临界流体. 因此, 对于超高压变质体系来说, 形成超临界流体的温压条件主要取决于第二临界端点的位置. Wang等(2020)进行了含水条件下的地幔橄榄岩熔融实验, 从实验淬火产物的结构和成分推断3GPa的熔融温度约为975℃, 而且第二临界端点的压力在3~4GPa之间. 然而, 区分高压含水实验淬火产物中是富水流体还是含水硅酸盐熔体仍然存在较大的不确定性. Guo等(2022)开发了通过原位监测电导率突变来约束岩石湿固相线和第二临界端点的方法, 并将其成功应用于钠长石-水体系; 发现在1.4~1.7GPa的电导率突变幅度显著小于0.35~1.0GPa时的值, 指示已逼近该体系的第二临界端点.

 超临界流体只能在特定的物理化学条件下保持稳定. 当温度和压力降低时, 超临界流体会进入混溶隙, 分解成富水流体和含水硅酸盐熔体, 但这一过程具体如何发生尚不清楚. Wang等(2021)利用水热金刚石压腔原位观测超临界流体降温分解过程, 发现了熔体网络的形成和坍塌现象(图3), 指出超临界流体可以通过旋节分解的机制高效发生相分离, 不一定需要经过成核-生长过程. 这项工作揭示了一种新的超临界流体演化机制, 为认识多种岩石学和流体包裹体观察事实提供了实验依据. Taniuchi等(2020)认为, 俯冲板片释放的超临界流体发生相分离, 也是产生长英质岩浆乃至造成大陆生长的一种重要机制.

图1 第一性原理计算得到的超临界流体(含50wt% H₂O)微观结构(修改自Sun等, 2023)

图2 钠长石-水体系相图与超临界流体稳定域

圆点代表电导率突变指示的湿固相线温度, 星号为第二临界端点. 修改自Guo等, 2022

超临界流体活动的效应

超临界流体具有极强的元素迁移能力, 特别是可以将大量的硫、碳等挥发性元素(李万财和倪怀玮, 2020; Jin等, 2023)和富水流体难以活动的高场强元素(Chen等, 2018, 2021)从俯冲板片一侧运移至地幔楔一侧, 从而导致它们的地球化学组成发生显著变化.

超临界流体的地球化学特征可反映在经历其交代作用的变质岩石中. Xiong等(2021)对西阿尔卑斯造山带白片岩中的硬玉石英岩开展了系统的地球化学研究, 发现白片岩释放的超临界流体具有富集Si-Al-Mg、高δ⁵⁶Fe、低δ¹⁸O的特征. Chen等(2022)对大别山碧溪岭超高压榴辉岩和脉体的研究发现, 受到超临界流体交代的岩石继承其富集高场强元素和高Nb/Ta特征, 但由于金红石/超临界流体的Nb分配系数较小(Chen等, 2018), 从超临界流体中结晶出的金红石反而具有较低的Nb/Ta.

超临界流体的交代作用在火山岩中也有体现. Taniuchi等(2021)解析了南千岛群岛利尻火山两种不同碱性玄武质熔岩的成因, 指出具有较低Na/K比值的Nozuka岩浆的地幔源区经历了超临界流体的交代, 而Na/K比值较高的Horyosawa岩浆的地幔源区层位较浅, 经历了超临界流体分离出的富水流体的交代. 此外, 其他一些基性和超基性岩的地球化学研究也识别出了超临界流体对其地幔源区的交代作用, 例如在西南太平洋阿弗尔海槽和Kermadec岛弧(Gill等, 2020)、伊朗Urumieh-Dokhtar火山弧(Lustrino等, 2021)等处.

超临界流体很可能对伟晶岩的形成和金属元素富集成矿起到了关键作用(Thomas等, 2019). F、B和Na等元素促进硅酸盐组分和水的相互溶解, 导致在地壳压力下也可以形成超临界流体. 含水的长英质岩浆体系在演化过程中往往会产生这种富集金属元素的超临界流体, 并被保存和记录为伟晶岩矿物中的富水熔体包裹体.

图 3 超临界流体旋节分解形成熔体网络

熔体网络由弹性应力支撑, 后在表面张力作用下坍塌为熔体球. 修改自Wang等, 2021

超临界流体研究展望

尽管超临界地质流体研究近期取得了显著进展, 但还需要在以下几方面继续深入推进: (1) 更广泛地调查世界上不同区域、不同种类多相流体包裹体的成分, 开发高温高压原位均一化和成分测量方法, 更加全面准确地掌握超临界流体的化学组成; (2) 开发测定超临界流体体积性质和电导率的实验方法, 明确超临界流体与中深源地震、电导率异常之间的关系; (3) 完善超临界流体多尺度分子模拟计算方法, 构建具有准确预测能力的热力学模型; (4) 全面确定超临界流体对不同元素的迁移能力以及同位素分馏行为, 加强对伟晶岩体系超临界流体的研究; (5) 更准确地约束玄武岩和橄榄岩等重要岩石体系的湿固相线和第二临界端点, 查明超临界流体形成条件和稳定域; (6) 开展超临界流体交代实验以及受交代岩石的熔融实验, 结合天然岩石样品地球化学研究, 揭示超临界流体活动的岩石地球化学效应.

致谢

郑永飞主编约稿并提出建设性意见, 熊小林、陈仁旭和陈伊翔提出宝贵建议, 孙义程和王沁霞在图件绘制方面提供帮助, 两位匿名评审人给出细致的审稿意见, 在此一并致谢.

参考文献

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出版信息

中文版: 倪怀玮. 2023. 超临界地质流体研究进展简介. 中国科学: 地球科学, 53(10): 2430–2433

英文版: Ni H W. 2023. Introduction to advances in the study of supercritical geofluids. Science China Earth Sciences, 66(10): 2391–2394, https://doi.org/10.1007/s11430-023-1176-6