地化所在地壳流体的储存和迁移的研究中取得新进展

地球内部的流体在地质构造、岩浆演化、油气成藏、火山地震活动、矿床形成等方面发挥着重要作用。野外地球物理探测到的异常（低地震波速和高电导率）已表明，中、下地壳广泛地存在着富水流体。在地壳的高温和高压环境下如何保持高孔隙流体的连通性，以及流体如何在地质时间中长期稳定存在而不被退变质反应消耗生成含水矿物，一直是悬而未决的重要科学问题。

最近的研究发现，α−β石英不仅会引起许多物理性质的变化（弹性波速、机械强度、热导等），而且会导致大量的微裂隙产生。因此，石英相变被认为是地震波速不连续性和流体储存的重要机制，然而目前却缺乏相关的实验证据。

图1 α−β石英相变时电导率的变化以及颗粒内部微裂隙的X射线三维成像

近期，中国科学院地球化学研究所代立东课题组的胡海英研究员，联合南方科技大学的韩松柏教授、朱金龙研究员以及其课题组相关科研人员，利用X射线三维成像计算、扫描电镜等分析技术，在高温高压条件下系统地研究了石英宏观物理性质与微观结构以及它们之间的关联性。我们首次发现了α−β石英相变导致了石英电学性质的明显变化，并且在相变点温度附近石英中的微裂隙从孤立形态转变为相互联通，确定了微观结构的变化引起了宏观电学性质的改变。此外，在地壳环境中石英在富水流体中的溶解度要远低于其他成岩矿物（如长石）。因此，α−β石英相变是中、下地壳物理性质不连续性变化的主要原因，同时也为不连续性界面下存在的流体提供了重要储存空间，而不连续界面之上的α石英则是阻止流体向上迁移的密封盖。

图2 α−β石英相变控制着中、下地壳流体储存与迁移的模型图

这一发现为中、下地壳流体的储存和运移障碍提供了重要的实验证据，为流体在地球深部的动力学提供了新的见解，对进一步研究与流体相关的成岩成矿、物质迁移、聚集和赋存空间具有重要的意义。

以上研究成果发表在地球科学国际权威期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth上，该成果得到了国家自然科学基金(42274137和42072055)等项目资助。

论文信息：Haiying Hu, Chuanyu Yin, Lidong Dai*, Jinhua Lai, Yiqi Chen, Pengfei Wang, Jinlong Zhu, Songbai Han (2024). The Role of α−β Quartz Transition in Fluid Storage in Crust from the Evidence of Electrical Conductivity.  Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129,e2024JB029140. 

链接： http://dx.doi.org/10.1029/2024JB029140

近期课题组已发表的相关论文：

1. Hu Haiying,Dai Lidong*,Sun Wenqing,Wang Mengqi and Jing Chengxin. Constraints on fluids in the continental crust from the laboratory-based electrical conductivity of plagioclase. Gondwana Research,2022,107: 1‒12.

2. Jing Chenxin,Hu Haiying*,Dai Lidong,Sun Wenqing,Wang Mengqi and Hu Ziming. Recycled carbonates elevate the electrical conductivity of deeply subducting eclogite in the Earth’s interior. Communications Earth & Environment,2023,4: 276,doi: https://doi.org/10.1038/s43247-023-00936-w.

3. Hong Meiling,Dai Lidong*,Hu Haiying*,Yang Linfei and Zhang Xinyu. Pressure-induced structural phase transitions in natural kaolinite investigated by Raman spectroscopy and electrical conductivity. American Mineralogist,2022,107: 385–394.

4. Hu Ziming,Dai Lidong*,Hu Haiying*,Sun Wenqing,Wang Mengqi,Jing Chenxin,Yin Chuanyu,Luo Song and Lai Jinhua. Influence of anisotropy on the electrical conductivity of apatite at high temperatures and high pressures. American Mineralogist,2024,109: 814–826.

5. Wang Mengqi,Dai Lidong*,Hu Haiying*,Hu Ziming,Jing Chenxin,Yin Chuanyu,Luo Song and Lai Jinhua. Electrical conductivity of anhydrous and hydrous gabbroic melt under high temperature and high pressure: Implications for the high conductivity anomalies in the region of mid‒ocean ridge. Solid Earth,2023,14: 847–858.

6. Zhang Xinyu,Dai Lidong*,Hu Haiying,Hong Meiling and Li Chuang. Constraints on the spin-state transition of siderite from laboratory-based Raman spectroscopy and electrical conductivity under high temperature and high pressure. Geoscience Frontiers,2024,15: 101918,doi: https://doi.org/10.1016/j.gsf.2024.101918.

（胡海英  供稿）