中地壳的水和水岩相互作用实验及其地球物理涵义   总被引：2，自引：0，他引：2       下载免费PDF全文

张荣华  张雪彤  胡书敏 《地球物理学报》2010,53(9):2244-2256

本文重点报道了高温高压下流体与流体-岩石相互作用实验结果,提供了中地壳条件下流体性质和水岩反应速率数据.这些数据有助于理解中地壳的一些地球物理现象.作者进行了25℃~435℃和22~39 MPa条件下水-岩相互作用反应动力学实验.同时,研究水在近临界区至超临界区的性质.一般地说,中地壳大致位于10(15)至25 km的深度范围.各地的地壳厚度不同,但是中地壳高导-低速层的深度范围十分相似.中地壳的顶界温度处于300℃,底界大致为450℃范围,压力高达200 MPa以上.流体-岩石相互作用实验表明:硅酸盐矿物和岩石的硅最大溶解速率出现在300℃~400℃.此时,硅酸盐矿物格架解体.通常,地壳里普遍存在水、流体.地壳构造活动导致断裂空隙、减压、流体流动.这时,有可能导致中地壳处于300℃~450℃流体的压力减低,由超临界区进入临界态、亚临界态.这会引发强烈流动的水与岩石相互作用.溶解反应导致岩层的硅淋失,硅的强烈淋失又会导致硅酸盐矿物格架解体,岩石崩塌.同时,进一步促进流体的流动.实验表明300℃~400℃下的强烈水岩相互作用促进了岩石破坏,并有可能影响岩层的地球物理性质,如高导层出现.另外,实验和理论研究表明处于300℃~400℃流体具有高电导率性质.这些水岩相互作用会使中地壳出现高导-低速层.  相似文献   

用于厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)研究的海气耦合模式综述：中间型和混合型模式     

张荣华 《海洋与湖沼》2024,55(1):1-23

厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)是地球气候系统中最强的年际变率信号, 起源于热带太平洋海气相互作用过程, 并对全球的天气和气候等产生显著的影响。过去几十年来, 广泛、深入而细致的海气相互作用研究致力于发展和改进海气耦合模式以用于ENSO模拟和预测, 各种类型的海气耦合模式应运而生。经过半个多世纪的努力, ENSO数值模式及其应用已经取得了巨大进展, 包括已发展了一些高度理想化的概念(concept)模型来解释ENSO准周期性循环(包括正负反馈机制等); 同时也已发展了几类复杂程度不同的海气耦合模式并用于对ENSO的真实模拟和实时预测等研究, 尤其是已能提前6个月或更长时间对ENSO事件的发生和发展等进行有效的实时预测。其中最为复杂的模式是基于原始方程组的大气环流模式(Atmospheric General Circulation Models, AGCMs)与海洋环流模式(Oceanic General Circulation Models, OGCMs)等所组成的环流型耦合模式(Coupled General Circulation Models, CGCMs), 这类模式变量取为完全变量的形式(如总的海表温度场, 其可以分解为气候态部分和年际异常部分), 还考虑了尽可能详尽的物理过程及其参数化方案。中间型耦合模式(Intermediate Coupled Models, ICMs)是一类介于高度理想化概念模型与复杂的环流型耦合模式之间的简化模式, 其对应的控制方程组采用距平形式, 直接取大气和海洋年际异常场作为预报变量(如海表温度年际异常), 而相应的气候平均态部分则由对应的观测资料来给定; 大气与海洋模式间的耦合采用异常耦合(anomaly coupling)。混合型耦合模式(Hybrid Coupled Models, HCMs)是另一类简化的海气耦合模式, 其中海洋或大气模式有一个分量模式采用了简化的距平类模式(类似于ICMs),而另一个分量模式则采用环流型模式(General Circulation Models, GCMs); 如可采用统计的大气风应力年际异常模式与OGCM间的耦合而构建一种HCM_OGCM,也可采用简化的海洋距平类模式(如ICM中的海洋分量模式)与AGCM间的耦合而构建另一种HCM^AGCM。历史上, ICMs、HCMs和CGCMs等这几类耦合模式都在ENSO理论体系的发展、数值模拟和实时预测等方面都起到了重要作用。本文主要回顾作者与合作者所研发的ICMs和HCMs的构建、特点和应用例子等。  相似文献   

热带太平洋平均环流数值模拟   总被引：2，自引：2，他引：2  

张荣华 《海洋学报》1995,17(6):28-38

用中国科学院大气物理研究所发展的高分辨率自由表面热带太平洋环流模式(区域为南北纬30°,经纬圈方向水平分辨率分别为1°和2°,垂直方向分为不等距14层),在观测到的海表面风应力和热量及淡水通量驱动下,对热带太平洋平均环流进行了数值模拟.结果表明,模式成功地模拟了海面起伏中赤道槽、赤道脊、北赤道逆流槽及中小尺度涡旋(如棉兰老涡)系统等分布;与这些槽脊分布相对应的北赤道流,南赤道流和北赤道逆流等热带流系;对气候有重大影响的海表温度分布;次表层温跃层结构和赤道潜流等.文中特别讨论了海面起伏与模式其他变量场间的关系及其应用.  相似文献   

实验研究岩石圈深部流体及相关科学问题   总被引：1，自引：0，他引：1  

张荣华  胡书敏  王军  张雪彤 《地球学报》2004,25(1):17-24

实验研究地球岩石圈深部流体和对地球深部流体的观测发现,水溶液在跨越临界态时有许多特殊性质。使用水热金刚石压钻在200～800MPa,300～700℃条件下,可观测到：NaCl-H2O溶液两相不混溶相区的结构和近临界态现象。测量高温高压下NaCl溶液的电导率,在近临界和跨越临界态时发现最大电导率值。在对大洋中脊热水观测中可发现大多数喷口是在2200m深。喷口正在近临界态条件下喷出含矿流体。这些临界态研究对于重新分析岩石圈的地球物理测量结果和对认识大陆岩石圈内流体性质有很大意义。  相似文献   

从平衡-封闭-静态转向非平衡-开放-动力学研究-热液矿床成因的若干新概念概述     

张荣华  胡书敏  张雪彤 《地质学报》2016,90(9):2437-2453

热液金属矿床成因研究过程中,观测与实验始终是密切结合的。上世纪70年代,平衡热力学的实验数据的快速积累,使人们用热力学理论计算可以预测和反演矿石和岩石的成因。但是,没有矿物-水溶液的反应速率数据,又没有与流体力学的结合,搞清楚矿石成因是困难的。七、八十年代,开始研究矿物与水溶液的反应动力学实验。科学家们开始瞄准了从平衡-封闭-静态转向非平衡-开放-动力学研究的这个大方向。1992年我们建立地球化学动力学开放研究实验室。研究高温高压矿物与水反应速率,发现固液的开放体系的自组织现象。实验发现温度影响矿物的各个元素反应速率改变,发现在跨越水临界态时矿物与水反应速率涨落、在近临界的气-液两相不混溶区一些金属进入气相、超临界流体的氧化作用及特别的溶剂性能影响矿物溶解性质。实验证实:临界态区流体与矿石成因有关。水岩相互作用的反应动力学实验温度从低温到550度,揭示矿石的金属来源、迁移、金属与蚀变分带机制。一大批大于300度的矿物与水反应动力学实验在国际界是少有报道的。九十年代,超高压的科学发展,与同步辐射光源的技术进步的结合,使固体地球科学又迈向了地球深内部。我们发展了高温高压流体性质的原位直测(测量850℃水溶液)红外谱,发现深部流体的新性质:气液两相流体的新结构,在临界温度区(300~400℃),水分子氢键网络的破坏受压力影响不大(23MPa~3GPa),同时,出现水的高电导率。研发新仪器为开放-流动-非平衡的反应动力学实验与极端条件下物质性质的直接观测结合,在科学前沿领域开辟了创新道路。  相似文献   

上地幔超高压流体的金刚石压砧实验研究     

胡书敏  张荣华  张雪彤 《地质学报》2006,80(10):1588-1597

地球深部流体主要是NaCl-H2O溶液,越到地球深部,它赋存的温度、压力越高,性质状态也不断变化,反之,亦然。当NaCl-H2O流体进入和脱离(上升过程)超临界状态时,其性质会发生截然不同的变化,影响着各种地质过程。使用金刚石压砧在高温高压下原位观测流体的实验,用谱学方法,结合同步辐射光源技术,成为定量化研究地球深部高温超高压流体的有效方法。作者使用同步辐射光源的红外谱研究了10GPa下的NaCl-H2O溶液;在地球化学动力学实验室研究了3GPa,650℃下的NaCl-H2O溶液红外谱,此测量方法可以提供温度压力和体积等数据,能研究其状态。NaCl-H2O溶液红外谱表明水分子主要振动谱受压力和温度影响是不同的。压力增加促使水分子主要振动谱向低波数变化。但是温度增加的效应相反。常温高压下水被压缩,结晶向紧密堆积变化。高温高压下的水有气、液、固和超临界流体各相。水分子间的氢键在近临界态开始减弱,氢键网络被破坏。  相似文献   

中地壳的地球化学动力学和矿石成因   总被引：5，自引：0，他引：5  

张荣华  胡书敏  张雪彤 《地球学报》2006,27(5):460-470

笔者重点进行了大于300℃——在近临界区至超临界区条件下的硅酸盐矿物与水反应动力学实验。矿物(钠长石Ab、透辉石Di、阳起石Act和磁铁矿Mt)的溶解反应动力学实验是使用流体通过叠层反应器的开放体系在25～400℃和22MPa下完成的。实验发现矿物在300℃至400℃范围,在跨越水临界点时出现反应速率的涨落。各种多金属氧化物硅酸盐与水反应时,各个元素溶解到溶液里的释放速率一般不一样,常称为一致溶解作用。但是,在近300℃变为一致溶解作用。实验发现在22MPa时硅酸盐矿物的最大溶解反应速率多是在300℃,如硅的最大释放速率是在300℃。其余元素如Na、K、Mg、Ca、Fe、Al等释放速率在<300℃22MPa时都高于硅的释放速率,在>300℃时硅的释放速率要高于其它元素的释放速率。确切地说,金属与氧之间的键的性质决定了它们(金属氧化物)与水之间反应速率。在一般情况下,Na-Obr,Ca-Obr,Mg-Obr,Al-Obr和Si-Obr的键桥(br),它们之间相对地由具有离子键性质逐步变为具有极性键的性质。由常温常压到亚临界区(300～374℃22MPa),再到大于临界点374℃、22MPa进入超临界区,水的性质随温度、压力变化。水由容易溶解离子键逐渐变为容易打破极性键。笔者还研究了黑钨矿、锡石(玄武岩、花岗闪长岩)与水在250～400℃条件下的反应动力学过程,得出了相同的结果。实验均发现在跨越水临界点时矿物(或岩石)与水反应的动力学涨落。这些实验结果可以用于说明中地壳上部的水/岩相互作用的特征。发生于中地壳的水、岩相互作用大多是在300～450℃和20～50MPa条件下进行的。各地区的地壳厚度不一,中地壳温度压力并不完全相同。模拟中地壳条件下水/岩相互作用实验,目的主要是研究矿物(或岩石)在300～450℃条件下反应动力学过程。已有热液矿床矿物流体包体数据表明:有一批矿床的主要矿石形成于300～500℃,低于NaCl H2O溶液临界线的条件。中地壳的流体处于由亚临界态跨越临界态,进入超临界流体太的演化过程。这种流体的性质变化会引起水/岩相互作用的反应动力学涨落和矿石大量沉淀。  相似文献   

深部成矿流体活动的观测实验研究     

胡书敏  张荣华  张雪彤  许爱忠 《矿物学报》2007,27(Z1):220-221

中下地壳和更深部的金属流体的汇集流动(Influx),形成大规模的金属成矿作用.这一流体活动与大规模岩浆活动相伴随.目前的巨大的成矿带跨越了几个省份,显示出地球深部过程的控制因素.来自地幔的流体如何进入地壳?关于深部金属来源,迁移和堆积过程是我们长期关心的深部成矿机制问题,也是深部成矿过程的关键科学问题.  相似文献   

长江中下游某些火山岩铁矿微量元素的地球化学     

张荣华  刘隆隆  陆成庆 《地球学报》1979,1(1):83-103

<正> 一、地质概况 长江中下游发育一些中生代陆相火山岩断陷盆地。其中庐枞、宁芜和繁昌等盆地内均发现有铁矿。在铁矿体及蚀变围岩内多种微量元素,均具有明显的垂直分带现象。这种分带规律既说明了成矿条件的特点,又显示了找矿标志的意义。 庐枞盆地的罗河铁矿作为一个大型隐伏铁矿床,它的蚀变和金属原生分带,在玢岩铁矿床中更有典型意义。该盆地内的钾玄岩—粗安岩—粗面岩组合,可划分三个旋回,由早至晚,称为砖桥组、双庙组和浮山组。其中第一旋回是含矿旋回。罗河铁矿与成矿有关的是粗安岩和粗安质凝灰岩。  相似文献   

地球内部含矿流体NaCl-H_2O体系的实验观测   总被引：1，自引：0，他引：1       下载免费PDF全文

张荣华  胡书敏 《地质学报》1999,73(1)

NaCl-H_2O二元系是与矿石共生的溶液主要成分。使用水热金刚石窗口反应腔观察饱和溶液NaCl-H_2O是一种研究含矿流体新方法。实验观测的NaCl-H_2O溶液盐度为32％～55％,温度为25～850℃,压力为latm(=101325Pa)至lGPa。在该温度-压力范围内可以看到超临界单一相,接近临界态的两相(L、V)和两相(L+V)不混溶区。并观察到35％盐度NaCl-H_2O溶液二相不混溶区的温度范围是253～720℃,50％盐度溶液二相不混溶区的温度范围是400～817℃。在二相不混溶区的高温部分内,相性质极不稳定。当升温路线与临界线十分贴近时,可观察到一种“临界现象”。实验观察到L-V两相界面几乎不停顿地“爆破”,界面分不清,即L和V不停地转变着。并且,NaCl-H_2O溶液分离成为气相和液相两相时能看到每个蒸气泡周围带电荷,这些蒸气泡由静电引力拉在一起,形成一种特殊的溶液结构。另外,观察不同盐度的NaCl-H_2O临界态的目的在于认识与矿石共存的流体性质、含矿流体来源和超临界流体的成矿意义。把矿床内的矿物流体包体的盐度数据与用金刚石窗口观察的高温压下NaCl-H_2O二元系变化结果相对照,再进行矿石形成条件的热力学分析,可以深入认识矿石形成条件。  相似文献