熱擴散在地質過程中是否發(fā)揮重要作用一直存有爭議。本文回顧了熱擴散的研究歷史和現(xiàn)狀,重點總結了熱擴散驅動的元素和同位素行為規(guī)律,并探討了溫度、硅酸鹽組分、壓力和氧逸度等因素對熱擴散行為的影響。已有的研究表明,穩(wěn)定熱梯度下的硅酸鹽熱擴散效應類似于結晶分異或AFC過程,可以造成輕、重同位素分別在高溫端和低溫端富集,而主、微量元素的擴散方向則取決于兩端化學勢的高低和熔體中的電價平衡。從基性巖漿到酸性巖漿,熔體聚合度增大,黏度增加,熱擴散速率明顯降低,成網元素的熱擴散效應減弱,變網元素則反之;水、氟、氯和硫化氫等揮發(fā)組分能增加熔體的非橋氧比例,降低熔體聚合度,因而能顯著增強硅酸鹽熔體中元素和同位素的熱擴散效應。在此基礎上,本文提出了當前硅酸鹽體系熱擴散研究中存在的五個亟需解決的問題,即:1)對不同硅酸鹽體系的熱擴散規(guī)律的研究還不夠全面; 2)對微量元素的熱擴散行為認識不足; 3)硅酸鹽體系熱擴散作用的影響因素及尺度還不夠明確; 4)熱擴散作用的地質與地球化學關鍵識別標志有待確立; 5)硅酸鹽體系熱擴散作用的理論模型有待建立。盡管硅酸鹽體系熱擴散的研究還存在諸多不足,但越來越多的證據(jù)表明,熱擴散是... 

【文章來源】：巖石學報. 2020,36(01)北大核心EISCICSCD

【文章頁數(shù)】：14 頁

【部分圖文】：

硅酸鹽體系中粒子熱擴散的擴散系數(shù)DT與粒子運動方向相關性示意圖

目前，開展地球深部的熱擴散模擬主要利用水熱裝置、活塞圓筒和大壓機等高溫高壓設備進行(Lesher and Walker,1986;Huang et al.,2009;Ding et al.,2009;Richter et al.,2009b;Bindeman et al.,2013)，其中以活塞圓筒裝置最為代表性和普遍性。圖2給出了活塞圓筒裝置上熱擴散實驗的樣品組裝方法�；钊麍A筒裝置樣品倉中間的最高溫度處為熱峰，從熱峰到上下兩側，溫度呈二次函數(shù)規(guī)律性降低(Watson et al.,2002;夏瑩等，2014)。通常將熱峰兩側10℃以內的高溫區(qū)稱之為熱點區(qū)。高溫高壓實驗通常是在恒定溫度下進行的，樣品需放在熱點區(qū)內，以保證樣品的溫度均一且避免明顯的熱擴散發(fā)生;而模擬熱擴散作用的實驗一般將樣品倉的一端置于熱峰上，樣品管從這一端到另外一端溫度逐漸減小，從而形成一個大的溫度梯度(圖2)。由于活塞圓筒壓力盤厚度不一，所使用的樣品組裝結構也不盡相同，這導致每個實驗室的活塞圓筒裝置具有差異性的熱結構，由此可產生不同的溫度梯度。比如，Richter et al.(2008)將約9mm的樣品置于1520℃和1350℃之間，產生了約19℃/mm的熱梯度;Ding et al.(2009)將18mm樣品的兩端控制在950℃和～350℃的溫度下，產生了約33℃/mm的熱梯度;Rodríguez et al.(2015)將10mm樣品兩端分別置于1100℃和700℃溫度下，產生了40℃/mm的熱梯度。因此，在開展熱擴散實驗之前，必須對該活塞圓筒裝置的熱結構進行細致分析(夏瑩等，2014)。實驗室產生的不同尺度的熱梯度可對應于不同的地質過程或者地質體的不同范圍，這不僅與熱梯度大小有關，也跟地質過程或地質體自身形狀有關。Rodríguez et al.(2015)運用有限元方法計算模擬了活塞圓筒裝置產生的大的熱梯度與真實的巖漿房溫度之間的對應關系。他們的模擬結果顯示，實驗室產生的熱梯度對應于自然巖漿過程的空間尺度大小取決于巖漿房的體積和縱橫比，也就是說，巖漿房直徑越大、越是扁平，熱梯度對應的空間尺度就越大。比如，對于一個在0.5GPa和冷、熱端溫度分別為700℃和1100℃條件下進行熱擴散的10mm長的樣品(熱梯度為40℃/mm)，它可模擬直徑10～20km、高2～10km的巖漿房邊部長達1100m尺度的巖漿擴散行為;當該巖漿房直徑增至30km，相應地，該熱梯度對應的空間范圍可增至3700m。而且，隨著巖漿房的降溫冷卻，相應熱梯度對應的空間范圍將進一步擴大。因此，實驗室模擬出的大的熱梯度可以與真實地質過程進行類比，從而為熱擴散實驗結果的地質應用提供理論依據(jù)。

圖6 硅酸鹽體系中不同同位素熱擴散分餾的趨勢對于硅酸鹽熔體體系中同位素的熱擴散分餾，Huang et al.(2010)根據(jù)不同硅酸鹽熔體中Fe、Mg和Ca同位素的熱擴散分餾實驗結果，推導出同位素的熱擴散分餾強度與體系的化學成分和溫度高低無關，與溫度梯度有密切關系。即只要存在溫度梯度，同位素的熱擴散分餾就會發(fā)生。Bindeman et al.(2013)對前人和自己的實驗結果進行分析，指出熱擴散中同位素的相對質量差和同位素的分餾強度具有線性的關系，相對質量差越大的同位素分餾越明顯。Li and Liu(2015)利用局部熱力學平衡的方法推導出了一個普適性的同位素熱擴散分餾的計算公式。他們認為，只要知道硅酸鹽體系中輕重同位素的配分函數(shù)比與溫度之間的關系，即可獲得某一溫度梯度下的同位素分餾大小;同時，他們進一步推導出，在大于800°C的高溫條件下，同位素的熱擴散分餾公式可以簡化為:

【參考文獻】：
期刊論文
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