俯冲带橄榄岩的蛇纹石化作用：高温高压实验模拟

Serpentinization is significant for chemical and physical properties of oceanic lithosphere, oxygen fugacity, element recycling in subduction zones, and the genesis of arc magmas. However, previous experimental work mainly took olivine as the starting material to represent peridotite, ignoring the influence of pyroxene and spinel. Particularly, temperatures and pressures are very low, ≤300 °C and ≤3 kbar, respectively. In this application, we will perform experiments at 200-550 °C and 3-30 kbar in cold-seal hydrothermal vessels and piston-cylinder apparatus to investigate the kinetics of peridotite serpentinization and magnetite formation. Serpentinization kinetics is an essential parameter for geophysical modeling the percentage of water and serpentine in subduction zones. To our knowledge, it is the first systematic study on the kinetics of peridotite serpentinization. Moreover, the effects of temperatures, pressures, water/rock ratios, initial fluid compositions and acidity on the kinetics of peridotite hydration will be explored. Comparisons between serpentinization kinetics and magnetite formation during olivine and peridotite serpentinization will be made, and the effect of pyroxene and spinel will be investigated to obtain the mechanism of serpentinization processes.

板块俯冲过程中，大洋板块和地幔楔橄榄岩发生蛇纹石化作用，对大洋岩石圈的物理和化学性质、俯冲带氧逸度、元素再循环以及岛弧岩浆的形成有重要作用。但是，关于蛇纹石化的实验研究，前人大多采用橄榄石为初始物，忽略了辉石和尖晶石的影响，实验的温度(≤300 °C)和压力(≤3 kbar)较低，应用于俯冲带有局限性。本次申请拟采用冷封式高压釜和活塞圆筒装置，研究200-550 °C、3-30 kbar时橄榄岩的蛇纹石化速率和磁铁矿的形成，探讨温度、压力、水岩比、流体组成及酸碱性对橄榄岩蛇纹石化速率的影响，为模拟计算俯冲带的水含量及蛇纹石的比例提供基本参数。通过对比橄榄石和橄榄岩的蛇纹石化速率和磁铁矿的形成，研究辉石和尖晶石对橄榄石蛇纹石化的影响，进一步揭示蛇纹石化的机理。

蛇纹石化是超基性岩(主要是橄榄岩和科马提岩)的一种中低温(≤500 °C)热液蚀变，主要产物是蛇纹石、(±)滑石、(±)绿泥石和(±)水镁石等。蛇纹石化广泛分布于地球上不同的构造环境中，包括洋底、洋中脊和俯冲带。蛇纹石化改变了大洋板块的物理和化学性质，可能对俯冲带元素再循环(Cs、Ba和Rb等)起着重要的作用。蛇纹石化速率是模拟计算俯冲带蛇纹石比例和水循环所必需的参数之一。前人关于蛇纹石化的实验研究，大多采用橄榄石作为初始物，得到的蛇纹石化速率相差高达3个数量级，蛇纹石化反应机制仍然不清楚。本项目利用冷封式高压釜和活塞圆筒实验装置研究橄榄岩的蛇纹石化速率，并比较300 °C、3.0 kbar条件下橄榄石和橄榄岩的蛇纹石化速率，结果显示橄榄岩的蛇纹石化速率比橄榄石快得多，这主要是因为辉石和尖晶石释放部分铝，铝加快了橄榄石的蛇纹石化速率，相关研究成果发表在国际刊物Journal of Geophysical Research: Solid Earth上。本项目对比300 °C、3.0 kbar条件下橄榄石和橄榄岩蛇纹石化过程中铁氧化物的形成，结果显示蛇纹石化早期阶段，橄榄石蛇纹石化形成的铁氧化物高于橄榄岩蛇纹石化产生的铁氧化物，辉石抑制了蛇纹石化过程中铁氧化物的形成，相关研究成果发表在Geoscience Frontiers上。此外，为了验证蛇纹石化过程中H2/CH4比值是否为生物和非生物烷烃的判别依据，本项目通过一系列300-500 °C、3.0 kbar条件下橄榄岩蛇纹石化实验，发现H2/CH4比值随着温度增加而升高，当温度高于350 °C时H2/CH4比值远低于40。本项目得出蛇纹石化过程中H2/CH4比值不是判断生物和非生物成因烷烃的判别依据这一结论，相关研究成果发表在国际刊物Scientific Reports上。