广州地化所在海底热液区橄榄岩蛇纹石化反应速率方面取得重要进展

  • 广州地化所 (中国科学院广州地球化学研究所)
  • 创建于 2017-11-13
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  海底热液区生物群落的发现是近年来海洋科学领域重要的进展之一。这些生物嗜热、嗜压、嗜酸(pH低至1-2)或嗜碱 (pH高达12),主要依靠热液区基底岩石与海水发生蛇纹石化反应产生的氢气(H2)和甲烷得以生存。海底热液区与地球形成早期环境类似,研究蛇纹石化反应有助于理解地球早期生命的起源与演化。反应速率是研究蛇纹石化的一个重要方面,影响蛇纹石化过程中氢气和甲烷的产量,也是地球物理模拟计算洋中脊处蛇纹石比例、蛇纹石化过程中产生的热量及流体对流等所必需的基本参数之一。但是,目前的实验研究主要以橄榄石为初始物,实验条件(例如,初始流体组成、水岩比以及厘定产物中蛇纹石比例的方法)差别较大,得到的蛇纹石化速率相差高达一个数量级,且缺乏以橄榄岩为初始物的实验。存在的问题主要有:蛇纹石化过程中橄榄石是否可以代表橄榄岩?橄榄石和橄榄岩的蛇纹石化速率是否相同?辉石和尖晶石的加入是否影响蛇纹石化速率? 

  中国科学院大学博士生黄瑞芳(培养单位:广州地球化学研究所)和国科大博士生导师、中科院广州地球化学研究所孙卫东研究员及国科大研究生导师、中科院广州地化所丁兴副研究员等分别以橄榄石和橄榄岩为初始物,进行一系列311 °C、3.0 kbar条件下的蛇纹石化实验。实验结果表明,橄榄岩的蛇纹石化速率远高于橄榄石 (图1a)。对于初始粒径为100-177 µm的橄榄石,反应时间为27天时蛇纹石化程度为5.3%。与之对比,同样粒径大小的橄榄岩,相同反应时间内蛇纹石化速率为28%。橄榄岩之所以蛇纹石化速率快,是由于辉石和尖晶石在反应过程中释放出铝和铬,铝和铬会大大提高蛇纹石化速率 (图1b)。 

  本研究得到以下启示:首先,橄榄石的蛇纹石化反应不同于橄榄岩,辉石和尖晶石的加入会大大提高蛇纹石化反应速率。地质过程中橄榄石周围常有富铝、铬的矿物(例如,辉石和角闪石等),蛇纹石化过程中这些矿物释放出铝和铬,会提高蛇纹石化速率。其次,铝和铬这些通常认为不活动的元素,在蛇纹石化过程中是活动的。这些元素也可能影响蛇纹石化过程中氢气和烷烃的形成,以及磁铁矿的形成

图1 (a)311 °C、3.0 kbar条件下,以橄榄石(Ol)和橄榄岩(Prt)为初始物时,蛇纹石化程度与反应时间的相关关系。同样条件下,橄榄岩的蛇纹石化速率高于橄榄石。(b)辉石、尖晶石、铝和铬对蛇纹石化反应速率的影响。所列数据对应的实验周期均为27天。横坐标为0、纵坐标为75表示仅以橄榄石为初始物的实验,图标为Ol + Spl表示以橄榄石和尖晶石(Spl)为初始物的实验,Spl-free prt则表示以橄榄石和辉石为初始物的实验。辉石、尖晶石、铝和铬的加入会提高橄榄石的蛇纹石化速率。
 

  该研究得到国家自然科学基金(41603060, 91328204),中国博士后科学基金(2015M570735, 2016T90805)及中国科学院战略性先导科技专项 (XDB06030100)的联合资助。成果近期在线发表于国际地学权威期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth (Huang R., M. Song, X. Ding, S. Zhu, W. Zhan, and W. Sun (2017), Influence of pyroxene and spinel on the kinetics of peridotite serpentinization, J. Geophys. Res. Solid Earth, 122, doi:10.1002/2017JB014231.) 

责任编辑:于洋