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2023年05月10日
中国科大在超临界流体组成研究方面取得重要进展

近日,地球和空间科学学院肖益林教授课题组通过超高压多相流体包裹体的三维成像建模研究,首次定量厘定了俯冲带深部的超临界流体的化学组成,并揭示了超临界流体在俯冲带碳、硫等物质循环过程中的重要作用。相关研究成果以《Supercritical fluid in deep subduction zones as revealed by multiphase fluid inclusions in an ultrahigh-pressure metamorphic vein》为题,发表在最新一期国际知名综合性科学期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》(PNAS)。这项研究对深入和系统理解自然界超临界流体的作用具有重要的意义。

流体是地球重要的组成部分(包括海洋、湖泊、河流水以及地球内部广泛存在的各种地质流体),同时也是地球不同圈层间物质和能量传输的重要“媒介”和“载体”。按其地球化学性质,可以进一步分为富水流体、含水熔体以及超临界流体。其中,超临界流体(Supercritical fluid)是一类形成于高温-高压环境下,具有相对低粘度、高活动性和超强元素迁移能力的流体。这种超常规物理化学性质使其在触发中-深源地震和火山作用、促进俯冲带元素迁移、物质循环和金属元素富集成矿,以及影响地球宜居性演化方面均发挥着重要作用。然而,目前从天然样品中识别出超临界流体活动仍存在极大的挑战,尤其是严重缺乏关键的、定量的地球化学指标。

图一a.绿辉石(Omphacite)中的柯石英(coesite)包裹体 b.绿辉石中呈负晶型的多相流体包裹体(显微照片)

肖益林教授团队选择经典的大陆超深俯冲带(大别山)中超高压变质脉体作为研究对象,在脉体中发现了大量与标志性超高压变质矿物柯石英共存的多相流体包裹体(图一)。包裹体中保存有多种子矿物,但总体组合较为一致,主要由石英(Quartz)、方解石(Calcite)、硬石膏(Anhydrite)以及可能的白云母(Muscovite)、透辉石(Diopside)、韭闪石(Pargasite)、石榴石(Garnet)、赤铁矿(Hematite)、重晶石(Barite)、阳起石(Actinolite)和硬绿泥石(Clinochlore)以及大量的水(H2O)组成。系统的岩相学、激光拉曼以及元素面扫等研究均表明绿辉石和石榴石中的多相流体包裹体是原生的超高压流体包裹体,较为完整地保存了俯冲带深部高压流体的化学成分。通过对这些包裹体的三维激光拉曼建模和成分定量计算,研究团队恢复了多相流体包裹体所记录的原始成脉流体成分。结果显示,该流体主要包含约22wt.%的SiO2、13wt.%的CaO和41wt.%的水,以及大量的碳和硫挥发性等元素(7wt.%SO3和6wt.%CO2)和其他金属元素。

研究表明,包裹体中保存的流体具有超临界性质(如迁移能力)和成分特征,对于深入了解自然界的超临界流体具有非常重要的参考价值。这些超临界流体能够高效地活化、迁移俯冲带板片中的碳和硫,并可能将其运移进入地幔楔乃至深部地幔,因此对地球表层-深部之间碳硫循环的效率和通量,以及地球宜居性演化等方面都会产生广泛而重要的影响。

图二多相流体包裹体的三维成像

论文第一作者为肖益林教授指导的博士研究生金德时,肖益林教授和谭东波特任副研究员为共同通讯作者;中国科学技术大学为第一完成单位,中科院地质与地球物理研究所为合作完成单位。该项研究工作得到科技部重点研发计划变革性技术关键科学问题专项“超临界地质流体的性质和效应”项目(2018YFA0702701)、中科院先导B项(XDB41000000)、国家自然科学基金(42230304,42073003)和安徽省自然资源科技项目(2022-K-12)的资助。

论文链接:www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2219083120


(地球和空间科学学院、科研部)


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