反应熔体流动通道化,岩性会对其产生什么样

引言

板状结核出现在蛇绿岩和橄榄岩地块的许多地幔部分,通常形成包含在周围哈茨堡岩和莱兹哥里岩地幔岩序列中的细长体。这些晶状体被认为代表高渗透性通道,允许从部分熔融的地幔中快速提取熔体,与同位素不平衡一致。

硬质通道的存在有助于解释大洋中脊玄武岩开采的难题之一,也就是说,如果MOR在压力下平衡,则推断MOR在正辉石相中不饱和。

正辉石在地幔中含量丰富,熔体必须通过该地幔迁移。如果大部分迁移发生在没有辉石的辉石通道上,则可以维持化学不平衡。

通道的出现是由于正反馈反应,其中辉石溶解到熔体中,增加了局部渗透性。随后升高的熔体流动促进了该区域的进一步反应,最终导致反应渗透不稳定。

关于压裂、反应流和剪切应力驱动的熔体偏析在晶状体形成中的相对重要性,在各种构造环境中,自然界中渗流熔体的组成和联合通道容纳的总熔体通量是多种多样的,产生具有不同矿物学和结构关系的反应产物。

熔体迁移

在°C下比在°C下更容易发生通道化。在两种温度下,韦尔石中均形成通道,哈茨堡岩仅在°C时发生通道化,而钙质岩中没有形成反应性熔体通道。未添加玄武岩的具有最低的初始熔融分数,因此渗透率最低。

RII发展的必要条件是局部渗透性随着反应的进展而增加。所有反应层都比未反应的部分熔融岩石更具渗透性,初始熔点较低的渗质岩的渗透率增加最高,而哈茨堡石和钙质岩的渗透率增加较小。

富熔体通道明显超过在高熔体流动速度下在许多实验中形成的反应层,通道始终由橄榄石+熔体组成,所有的辉石溶解在熔融相中。哈尔茨堡矿通道中沉淀的橄榄石与起始原料中的橄榄石化学成分不同,橄榄石通道中的镁为83,而基质中的镁为87。

在开发的通道中有类似的镁趋势。此外,哈尔茨堡矿发育通道中的橄榄石比基质中的橄榄石具有更高的氧化镍含量

钠是所有熔体的良好示踪剂,而镱是储层熔体的独家示踪剂。镱仅明显存在于熔体储层、反应层和通道中,它在部分熔融岩石的基质中不存在。因此部分熔融岩石和通道之间的熔体成分存在较大的梯度。

对于哈茨堡石,通道中存在的橄榄石的体积估计是准确的,因为通道中的熔融分数没有显著变化,并且与反应层中的熔融分数相似,然而,在Wehrlite中,它可能会被高估,因为其通道形成缺乏橄榄石晶体的熔芯。

反应驱动的熔体偏析

产生RII的必要条件是局部渗透率随着反应的进展而增加。相对于未反应的部分熔融岩石,渗透率确实随着反应的持续而增加,影响渗透率的两个主要因素是晶粒尺寸和熔融分数,两者都随着反应时间的增加而增加。

RII通道仅在哈尔茨堡岩和韦尔莱特岩中形成,渗透率增加是实验时间范围内RII发展的必要条件,但不是充分条件。

一旦形成通道,部分熔融岩石的细观渗透性结构就会改变,使得第一个通道到达汇时立即发生快速熔体提取。大富铁熔体储层中存在的橄榄石表晶可用于跟踪通道中的熔体流动。

在经过熔体储层数百微米的通道中观察到其中一些大型表晶,这表明流动涉及固体颗粒的显著平流传输。由于通道中的熔体分数很高,这种流动很可能以岩浆悬浮液的形式发生,通过溶解辉石和在熔体沿压力梯度流动时平流橄榄石颗粒穿过部分熔融的岩石。

从储层通过通道的熔体流动,通道流动足够快,以至于存在于部分熔融岩石和通道中的熔体不会均匀化。该过程较大的浓度梯度,为流经通道的熔体与壁岩中存在的熔体之间的扩散相互作用创造了条件。

在发生通道化的过程中,被橄榄石熔体取代的岩石体积比没有施加压力梯度的橄榄石大5倍。反应产物量的这种差异可能是由两个因素引起的:随着通道的发展,部分熔融的岩石与来自储层的熔体之间的接触面积增加。

快速熔体流动缩短了扩散长度尺度,并增加了由于未反应熔体从储层流动而增加浓度梯度,这两个过程都会导致反应产物丰度的显著增加。

通过添加玄武岩或增加温度或通过增加压力梯度来增加岩石中的熔体分数可能有助于在莱氏唑石中形成RII。使用X射线CT图像的三维重建,很容易将钙矿岩石中熔体填充的脉的形态与手指状或管状特征区分开来。

岩石尺度上的这种形态在微观尺度上更为复杂,其中平面特征表现为熔体分数升高的薄区域,就像拉伸裂纹的预期一样。该特征是在高温下形成的,表明部分熔融的岩石断裂,并且楔块通过溶解反应形成为流过特征。

由于化学反应削弱了裂纹尖端的键,在小于抗拉强度的应力下,在较长时间内发生的亚临界裂纹扩展形成的断裂。储层通过矿脉排水导致源和汇之间的压力梯度迅速丧失,这一特征类似于通过RII排水汇所的特性。

脆性行为在从地幔中的部分熔融岩石中提取岩浆中可能很重要。HP-HT条件下的脆性行为目前仅受到实验的不良约束。

通道化和脉络会产生较大的浓度梯度,从而为流经通道的熔体与相邻壁岩之间的扩散相互作用创造条件。在联合通道上的场样带中也观察到大梯度,并从理论和建模推断存在。由通道化过程引起的这些梯度创造了促进扩散交换的条件,可能对全球规模的地球化学循环产生重要影响。

熔岩反应

反应层中间隙熔体的化学成分在岩性之间差异很大,具体取决于要溶解的辉石类型。树枝状晶体的存在可以明显看出熔体成分的淬火改性,这有助于熔体成分中的复杂梯度。

在采用的三种不同岩性中,反应层中熔融分数和晶粒尺寸存在细微差异。反应层中的熔融分数与岩石中辉石的类型密切相关。

在给定的时间和温度下,反应层中的熔体分数在韦尔石中最大,其次是哈茨堡石,由于辉石的存在和较低的辉石含量而变得复杂,钙质石在反应层中的熔点分数最低,辉石的模态丰度也会影响反应层中的熔体分数。

基于焓的估计没有考虑通过反应层或通道的通量,这可能会产生一种非平衡情况,其中反应产物的相对量可能受动力学控制,而不是可能的平衡状态。

反应层中的熔体量主要由部分熔融岩石和渗入碱玄武岩之间的溶解-沉淀反应产生,而不是由于不同部分熔融岩石的熔融温度差异,因为部分熔融岩石在P=MPa和T=°C。

反应层中的熔体部分与添加到部分熔融岩石中的熔体量没有系统差异,反应层中的熔体部分总是明显高于部分熔融岩石中的熔融部分。

RII通道

采用封闭系统,将反应熔体圆盘与由橄榄石和辉石组成的岩石接触,而不会施加压力梯度。熔体通过表面张力被吸入岩石中。确切的溶解-沉淀反应和反应产物非常复杂,取决于许多变量,包括熔体和岩石成分、压力、温度、氧逸度、水逸度和二氧化硅活性。

在浅上地幔P-T条件下,橄榄岩在玄武岩和碱玄武岩中的反应性溶解涉及辉石的溶解和橄榄石+熔体平面层的形成。熔岩反应的岩石学后果在很大程度上是预期的。

部分熔融岩石中辉石的模态丰度会影响熔岩反应过程中产生的熔体部分,因为邻辉石与橄榄石的比例从0.05增加到0.95。

石膏+水和碳酸盐+酸揭示了地幔岩性中HP-HT条件下形成的RII通道的许多相似之处。在所有系统中,RII通道通过岩石的渗透以源和汇之间的压差突然下降为标志,因为通道的渗透率远高于岩石基质的渗透率。

RII通道是分支的管状特征,其中流体分离物和反应产物浓缩在一起。这些通道随着时间的推移而变粗。与RII通道的圆柱形相反,部分熔融岩石的剪切变形产生平面富含熔体的带。蛇绿岩中可能的板状结合是通过反应熔体渗透和剪切变形之间的协同相互作用形成的。

与现有RII形成理论的关系

地质系统中RII的形成可以区分两种主要公式:一种是RII在溶解度梯度中发展和另一个RII从薄的,传播的反应前沿生长出来。尽管前者更普遍地适用于上升流,融化的地幔条件,如洋中脊。

系统的演化是根据两个非维参数来计算的,这两个参数量化了相对于平流速率的反应速率和平流速率相对于扩散速率。

作为熔体中扩散速度最慢的物质的扩散系数,通道出现的条件由这两个非维度量的值控制。改变晶粒尺寸会影响渗透率,从而影响熔体流动速度,以及有效反应速率。

Da-Pe空间量是有限的,用于计算地幔岩性Da和Pe的物理量之间的复杂相互关系。事情变得更加复杂,因为Da和Pe随着持续的反应而演变。目前的RII理论基于线性稳定性分析。

随着晶粒尺寸和熔体分数随着反应的进行而增加,渗透率和熔体流动速度增加,导致Pe增加,Da降低,辉石的消耗量降低R伊芙导致Da降低。

根据溶解和渗透率的演变速率,部分熔融的岩石可能会向较低的Da和较高的Pe演化,将变得复杂,因为Da和Pe在样本中是空间可变的。

乍一看,Da和Pa似乎是相对较差的通道形成的预测因子,因为Da和Pe与通道形成之间没有明显的相关性。一种可能性是,用于计算Da和Pe的所有参数的不确定性太大,无法获得有用的结果,R依赖性的热力学数据中的不确定性可以改变两个探索温度的结果,揭示目前隐藏的相关性。

这些局部化学不平衡程度导致晶粒界面尺度上的局部结构和图案形成,使SSA不稳定,可能导致非线性效应。是地幔和实验条件之间差异的来源,矿物学系统的行为可能比植根于流体动力学的Da和Pe捕获的方式更复杂。

结论

由于RII,在哈尔茨堡石和韦尔石的实验中形成的手指状,富含熔体的通道。

无论确切的矿物学如何,消耗辉石的橄榄石沉淀反应都会增加局部渗透性。在所有岩性中,在部分熔融岩石和反应熔体源之间的界面处形成了含Ol的富熔反应层。反应层以及通道中的熔体部分取决于岩石中存在的辉石的分数和类型。

当反应熔体渗入哈尔茨堡岩或韦尔石时,形成了富含熔体的通道,这些通道在岩石学上类似于自然界中的菱形通道。如果熔体从通道中完全提取,则留下了沉降的物体。

在RII开发过程中,熔体成分的巨大变化和结晶相丰度的显著增加是在短时间尺度和小长度尺度上产生的。这种梯度驱动通道中的熔体和壁岩中的熔体之间的缓慢扩散平衡。

熔体流经RII通道提高了反应速率,因为反应熔体和部分熔融岩石之间的接触面积增加,Da和Pe是通道形成的相对较差的预测因子。

参考文献

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