长石中H的扩散动力学行为的实验研究

H species in nominally anhydrous minerals (NAMs), which occurs as a minor or trace constituent in the crystal structure, has large effect on the physical and chemical properties of minerals/rocks and many geologic processes in the deep earth. The water content of NAMs has been used to infer the water activity of its magmatic environment. But the water content of NAMs may change due to H diffusion which results in a different value from the initial one when it grows. H diffusivity in NAMs plays an important role in understanding of H mobility in the Earth interior and evolution of water content. Therefore, it is essential to perform precise experimental measurements on H diffusivity in NAMs. As the most abundant minerals in the Earth’s crust, however, feldspars have been studied rarely so far with respect to H diffusion. Hence, in this project, systematic experimental studies on H diffusion in feldspars under high temperature will be performed. The acquired H chemical diffusivities can be used to constrain the capability of feldspars to retain its water content during ascent to the surface along with magma and thereby obtain accurately the deep information before volcanic eruption. Through Nernst-Einstein relation the acquired H self diffusivities can be used to calculate the contribution of water to the electrical conductivity of feldspars and thereby explore the influence of feldspars on the electrical conductivity of the Earth’s crust.

名义上无水矿物（NAMs）中以缺陷形式存在的微量结构水能够显著影响矿物和岩石的许多物理化学性质以及地球深部多种地质作用。其水含量常被用来推断火成环境的水活度，但矿物的水含量可能因扩散导致改变，样品中现存的水含量可能有别于矿物形成时的水含量。H在矿物中的扩散系数对于了解H在地球内部的迁移速率和矿物的水含量演化具有重要意义。因此，对NAMs中H的扩散系数开展准确的实验测定十分必要。长石是地壳中分布最广泛的矿物，但关于其H的扩散动力学的研究却十分缺乏。因此，本项目拟对长石开展系统的高温扩散实验研究，包括H的提取和H-D交换实验，以得到其扩散动力学行为。H的化学扩散系数可以对长石在被岩浆携带至地表的过程中可以保存水含量的能力进行制约，以便准确的获取火山岩喷发前的深部信息；借助于Nernst-Einstein方程，H的自扩散系数可以用于计算水对于长石电导率的贡献，从而探索长石对于地壳电导率的影响。

一、歪长石中H的扩散动力学. 申请人通过对新生代玄武岩中的含水（TypeⅡa OH）歪长石巨晶进行H的扩散行为的研究（900-1000˚C；H的提取，氩气和空气环境）发现，H在歪长石中的扩散行为是各向异性的，平行于（010）面的晶片测到的扩散速率要大于平行于（001）面的晶片测到的扩散速率约一个数量级，氧逸度对于H的扩散的影响不明显。其中，平行于（010）面测到的扩散速率接近于中长石中H的扩散速率。平行于（010）面和平行于（001）面的晶片测到的H的扩散活化能相似，约为280kJ/mol。依据本研究得到的H的扩散速率，得到了歪长石巨晶在随岩浆上升和喷发的过程中，其颗粒中心的浓度可以被保存下来的条件。.二、花岗斑岩熔体中钼和钨的扩散动力学. 为更好的了解Mo和W在花岗质熔体中的运移以及斑岩型矿床的形成机制，申请人在1Gpa，1000-1600℃下研究了Mo和W在水含量为0.04-5.1wt%的花岗质熔体中的扩散速率。实验采用了“扩散偶”和“扩散进入”两种方法。得到的Mo和W的扩散方程分别为： . DMo,anhy=10–1.47±0.73exp[–(387±25)/RT]，DW,anhy=10–1.28±1.05exp[–(396±35)/RT]，. DMo,2.7wt%H2O=10–5.37±0.52exp[–(211±18)/RT]，DMo,5.1wt%H2O=10–6.87±0.69exp[–(133±20)/RT]，. 其中D代表Mo和W的扩散系数(单位为cm2/s)，T代表温度(单位为K)。当考虑到水含量的影响，Mo在水含量小于5.1%的花岗质熔体的扩散速率为：. logDMo=-(1.94±1.58)-(0.87±0.36)w-[(19341±2784)-(2312±620)w]/T，w为水含量（wt% H2O）。. Mo和W的扩散动力学行为（低扩散速率，高扩散活化能，强水效应）指示Mo和W在熔体中是以六价阳离子的形式存在以及扩散的。其低的扩散速率指示Mo和W在出溶的热液流体中的浓度和在熔体中的浓度很可能达不到平衡。然而，基于Mo和W大的流体／熔体分配系数，即使没有平衡时的富集程度高，其仍然可以在热液流体中富集。Mo和W较慢的扩散速率是斑岩型Mo／W矿床形成的重要的速度制约因素。