高温高压下水镁石在NaCl溶液中的脱水动力学研究

The dehydration of hydrous mineral in subduction zones is an important geological process, and the dehydration rate of hydrous mineral is of great scientific significance to comprehensively understand the formation mechanism of intermediate-focus earthquakes in oceanic subduction zones. The published studies on the dehydration kinetics of hydrous minerals mainly concentrated in the anhydrous conditions, so some scientific problems including the effects of fluid component and pressure on the dehydration rates of hydrous minerals and the dehydration mechanism remain unclear. We attempt to carry out an in-situ dehydration kinetics study of brucite in NaCl solution under high pressure and high temperature, thus obtaining the dehydration rate and dehydration mechanism of brucite in different concentrations of NaCl solution. Based on these kinetics parameters, we will establish the theoretical model among the pressure, the NaCl concentration and the dehydration rate under constant temperature condition, and that the effects of NaCl concentration and pressure will be properly evaluated. By comparing the differences of these effects at various temperatures, it will contribute to further understand the dehydration kinetics behavior of brucite existed within the deep environment of the Earth. We will compare the dehydration mechanism of brucite in NaCl solution with the results achieved in previous studies and a new understanding on the dehydration mechanism of brucite may be obtained.

俯冲带含水矿物的脱水是一种重要的地质作用，含水矿物的脱水速率对于全面认识大洋俯冲带中源地震的成因机制具有非常重要的科学意义。已有的含水矿物脱水动力学研究主要集中于无水条件，因此含水条件下的流体组分和压力作用对含水矿物脱水速率的影响，以及具体的脱水机制等科学问题还尚不清楚。本课题拟开展高温高压下水镁石在NaCl溶液中的脱水动力学实验研究，以获得水镁石在不同浓度NaCl溶液中的脱水速率和脱水机制参数。在此基础上，建立恒温条件下，压力、NaCl浓度和脱水速率之间的理论模型，正确评价NaCl浓度和压力对脱水速率产生的影响。通过比较不同温度下这些影响作用的差异，有助于进一步理解地球深部环境中水镁石的脱水动力学行为。将水镁石在NaCl溶液中的脱水机制与前人的结果进行对比，有可能获得对水镁石脱水作用机理的全新认识。

俯冲带中存在着大量的含水矿物，含水矿物的快速脱水作用导致岩石发生脆性破裂被认为是诱发中源地震的重要成因机制。水镁石是俯冲带一种典型的低温热液蚀变矿物，其在俯冲带环境中发生脱水时可能受到温度、压力以及NaCl水溶液等外部因素的影响。为进一步阐明这些因素对脱水动力学过程的影响关系，我们采用高温高压技术开展了水镁石的脱水动力学实验研究，这对于正确认识水镁石脱水和大洋俯冲带中源地震活动之间的关系具有重要的科学意义。我们首先采用水热金刚石压腔结合拉曼光谱技术进行了水镁石在纯水和含NaCl溶液中的脱水动力学研究。结果表明，在纯水条件下，当体系压力从819MPa增大至1282MPa时，水镁石的脱水速率从3.06×10-3s-1降至1.86×10-3s-1，反映水镁石的脱水速率随体系压力增大而减小。基于实验获得的脱水动力学数据，我们建立了水镁石脱水反应速率与温度和压力之间的定量关系式 lnk=-26.33+0.035×T-0.001×P，由此可以直接估算出在一定温压范围内的脱水速率。在含NaCl溶液条件下，我们建立了水镁石脱水速率与压力和NaCl浓度之间的定量关系式lnk=16.26-0.0059×P+0.049×CNaCl，表明压力对水镁石脱水过程具有抑制作用，而NaCl浓度对其则具有促进作用。依据Avrami动力学模型，我们得到水镁石脱水反应的n值为0.56～0.96，表明水镁石的脱水机制属于即时成核和扩散控制的生长作用。对于水镁石的高温热脱水动力学过程，实验结果表明，随着温度升高，水镁石的脱水过程明显加快。水镁石的热分解反应活化能为139kJ/mol，其热分解点温度为670K，此温度之前热分解机理为随机成核和随后生长控制；在此温度之后，热分解机理属于扩散控制。基于流体速率方程，实验得到水镁石脱水过程中的流体释放速率在4.4～10.7×10-7m3fluidm-3rocks-1，明显比地幔蛇纹岩的弛豫速率高2～4个数量级，如此快的流体释放速率应该足以引起岩石发生脆性破裂，可能会促使俯冲洋壳中发生地震活动。因此，我们认为水镁石的快速脱水作用可能是诱发俯冲带中源地震的另一个潜在重要成因。