文丨神奇的瑪利亞

編輯丨神奇的瑪利亞

前言

在地球相當深的地方形成的地幔岩石中的礦物，當岩石通過侵蝕過程或沿斷層隆起的過程被帶到較淺的深度時，通常是不穩定的。這些礦物質會溶解在加熱的地下水中，新的礦物質會結晶以取代它們。

隨著時間的推移，岩石隨著位移的增加而逐漸變弱，其滑動行為從能夠產生地震轉變為傾向於抑制地震的穩定滑動。強度降低的量由礦物在不同溫度和流體化學條件下的溶解速率控制。

橄欖岩剪切弱化

在一系列溫度壓力條件下與水接觸的原生超鎂鐵岩將發生水化反應，形成蛇紋石和其他富鎂次生礦物。橄欖石溶解的動力學和蛇紋石化反應長期以來一直是研究的焦點。現在，人們越來越關注斜方輝石的水合作用和含橄欖岩的蛇紋石化動力學。

在橄欖石和純橄欖石燒結聚集體的流通實驗期間測量了滲透率，時間為溫度在160°C和190°C之間。在260°C和30MPa有效壓力下，純橄欖岩、方斜輝石和輝石岩中產生的拉伸裂縫的滲透率降低了1-2個數量級。

在恆定有效正應力下，熱液流體對原生超基性岩石和礦物的剪切強度、變化的溫度、滑動速度和驅動塊岩性的影響，溫度範圍在25°C和350°C之間。使用地殼和超基性岩石的驅動塊，以改變孔隙流體的化學性質。

在花崗岩或石英岩塊之間剪切的蛇紋岩鑿顯示出顯著的弱化和速度強化行為，隨著溫度的升高變得更加明顯。這種行為與在葉紋蛇紋岩塊之間剪切的蛇紋岩鑿的行為形成鮮明對比。

橄欖岩儲量由約80%的橄欖石和約20%的斜方輝石以及1%–2%的鉻尖晶石和透輝石組成，根據兩個薄片的點數確定，將其歸類為斜方輝石。橄欖石成分均勻，而斜方輝石的鈣含量範圍從略低於0.5到略高於1。

用掃描電子顯微鏡檢查發現存在痕量的細粒次生礦物蛇紋石、鈣質角閃石和滑石，每一種都與特定的原生礦物有關。蛇紋石沿橄欖石晶體之間的晶界集中，而角閃石在尖晶石上形成邊緣，而滑石則部分環繞斜方輝石。

來自亞利桑那州聖卡洛斯的橄欖石的成分與橄欖岩中的橄欖石非常相似，主要區別在於Mg含量略低而Fe含量略高。來自挪威Bamble的斜方輝石起始材料的Mg相對於Fe的含量低於斜方輝石。鋁濃度也更高，但它們與其他一些橄欖岩中的斜方輝石的鋁含量相似。

西風花崗岩是一種花崗閃長岩，由約90%的斜長石+石英+鉀長石組成，還有約10%主要由層狀矽酸鹽黑雲母、白雲母和綠泥石組成。除了間隙鉀雲母的痕跡外，石英岩驅動塊完全是石英。

將岩石圓柱體切成與其軸線成30°角的兩塊來製備驅動塊，用120粒度的SiC對鋸切面進行表面研磨和粗糙化處理。對於鑿孔實驗，將最初1毫米厚的合成鑿層沿著兩個驅動塊之間的傾斜鋸切放置。

將準備好的樣品和相鄰的氧化鋁和碳化物墊片插入圓柱形夾套中，使鋸切以圓柱形電阻爐的熱最大值為中心。爐子組件被降低到壓力容器中，封閉施加孔隙壓力，然後鋼活塞向上推樣品柱，導致沿鑿線或裸岩鋸切割平面的剪切。

橄欖石和正交輝石鑿

在略有不同的μ值下，強度-位移數據遵循相似的趨勢，斜輝石具有最高的強度，而橄欖岩具有最低的強度。鑿槽在整個運行過程中應變硬化，儘管隨著位移的增加速度逐漸變慢。所有三個鑿在室溫下都是速度強化的。

干橄欖岩在250°C時強度很高，超過了室溫下飽和水鑿的摩擦強度。鑿槽在較慢的滑動速率下不穩定地滑動，並且應力降在較低的速度下較高，在0.001μm/s時最大為5–6MPa，這種粘滑運動在實驗室相當於地震。

向橄欖岩中加水會降低最大強度，並導致在0.8-0.9mm位移後出現少量弱化，達到μ0.52。用花崗岩代替橄欖岩塊之一會導致額外的弱化，峰值強度僅為μ0.42，最終值為μ<0.3。

在套管失效時，橄欖岩-花崗岩的強度仍在緩慢下降，全橄欖岩樣品的強度在最終0.4-0.5毫米位移後趨於平穩。

橄欖岩鑿強度的溫度依賴性隨驅動塊岩性而顯著變化。橄欖岩鑿岩在橄欖岩塊之間的剪切強度大約是花崗岩的兩倍。在100°C時，切屑顯示連續應變硬化至μ0.7，類似於其室溫行為。

高溫時的特徵是弱化，在250°C時最迅速開始。250°C鑿岩和裸岩橄欖岩基本相同，儘管在實驗結束時切屑仍在減弱。橄欖岩鑿痕在300°C時最強，其值與其在250°C時的干強度相似。

300°C的樣品隨著應變硬化也不穩定地滑動；隨後的減弱伴隨著逐漸恢復到穩定的剪切。在100°C和200°C實驗的後半部分，持續的小強度振盪是由於緩慢的溫度振盪導致滑移率振盪。

對於涉及花崗岩驅動塊的實驗，弱化程度明顯更大，並且對溫度變化的響應更規律。峰強度隨溫度升高而降低，最大差異在200°C和250°C之間。在除350°C實驗外的所有實驗中，在峰值強度處和略微超過峰值強度時均記錄到小的應力降。

橄欖岩斷層在超鎂鐵質塊之間的剪切比使用地殼塊時要強得多。石英岩塊的初始位移率低於花崗岩塊試驗，並且其強度在該位移區間內也較低。兩次運行的最終速度均為0.01µms-1，最終強度也相似。

石英岩塊實驗的第一次速度變化遠遠超過峰值強度，並且所有步驟都是速度強化。橄欖岩塊從強度最初增加時的速度減弱行為轉變為伴隨隨後μ減小的速度增強行為。

在花崗岩塊實驗的峰值強度附近進行的速度降低導致強度顯著增加，同時伴隨著尺寸逐漸減小的小應力降。隨後的速度變化都是速度加強。

在超基性成分環境中，橄欖石和斜方輝石鑿岩的強度相似，峰值為μ0.6，隨後僅適度減弱。斜方輝石鑿在最後1mm的位移中表現出粘滑運動，剪切應力下降高達10MPa。鄰輝石比其他鑿岩材料強得多，在石英岩塊之間剪切的樣品滑動不穩定。

運行產品的礦物學和結構

在所有X射線橄欖岩鑿和橄欖石鑿樣品中都鑑定出蛇紋石，在250°C下運行的樣品中蛇紋石峰最強。蛇紋石沉積物覆蓋在B剪切下方的橄欖石鑿的表面 ，直徑≤2μm的蛇紋石六角片位於剪切頂部。

六邊形的板狀形態表明它是蛇紋石的蛇紋石變體。其中一些晶體可能是淬火產物，在250°C至300°C的實驗中，在兩個橄欖岩鑿樣中觀察到了可能的溫石棉纖維。

在花崗岩中剪切的橄欖岩鑿岩除蛇紋石外還含有次生礦物。350°C運行產物還含有少量蒙脫石粘土，與在花崗岩中剪切的橄欖岩鑿岩相比，250°C裸岩橄欖岩-花崗岩沿著鋸切面包含次生綠土粘土而不是蛇紋石。儘管次生礦物存在差異，但在所有加熱的斜方輝石鑿實驗中也結晶了綠土而不是蛇紋石。

強度行為和次生礦物組合

橄欖岩在熱液條件下的緩慢剪切導致弱滑和穩定滑移。這些過程涉及超基性化學系統中的水化反應和包括地殼岩石或地殼衍生流體的系統中的交代蝕變，適用於沉澱礦物與溶解礦物不同的情況。

溶液轉移優於碎裂變形機制是由於地殼條件下超基性礦物的高溶解度和溶解速率。橄欖石和斜方輝石對溫度、壓力、礦物組合以及流體和礦物化學條件的不同反應會導致弱化程度的變化。

機械和化學過程對於鑿層在剪切過程中的變形都很重要。化學機制最終在大多數實驗中占主導地位，因為橄欖石和斜方輝石在水飽和實驗的PT條件下都不穩定。

超鎂鐵質化學系統中橄欖岩斷層泥摩擦強度的可變溫度依賴性，在250°C時最大降低，可以用橄欖石和斜方輝石的溶解速率和相對穩定性來解釋。與大多數其他矽酸鹽礦物相比，橄欖石的簡單原矽酸鹽晶體結構提高了其溶解速率，並且該速率隨著溫度升高至至少150°C而增加。

橄欖石在400°C和97MPa有效壓力下對蜥蛇石、溫石棉斷層泥進行的摩擦強度實驗中結晶。在400°C的水合實驗中，橄欖石在相當高的壓力下也很穩定。

斜方輝石的水合作用在250°C時比橄欖石慢，但在300°C時可能更高。在250°C以上的溫度下，斜方輝石在50MPa下計算的水解自由能也低於橄欖石。橄欖石溶解是橄欖岩在≤250°C溫度下弱化的主要因素，而斜方輝石反應可能在更高溫度下占主導地位。

水鎂石是蛇紋石化地幔岩石中常見的副礦物，加熱的、水飽和的水鎂石在剪切過程中會減弱，並且伴隨著減弱的開始可聽到粘滑事件。它的溶解速率比超鎂鐵質矽酸鹽礦物橄欖石、輝石和蛇紋石的溶解速率高几個數量級。

蛇紋石是在橄欖岩和橄欖石鑿實驗中發現的唯一次生礦物。二次蒙脫石粘土在橄欖岩塊之間剪切的斜方輝石鑿中結晶，這是反應的一種變化。橄欖岩起始原料中存在滑石邊緣斜輝石的痕跡，但與斜輝石礦物分離物。

滑石通常在四面體或八面體位點中幾乎不含或不含Al。三八面體富鎂蒙脫石粘土皂石是通過在四面體位置用鋁替代矽並添加層間陽離子以平衡層電荷而從滑石結構中衍生出來的。

皂質粘土吸收溶解的鄰輝石釋放的鋁，鈣存在於斜方輝石中結合到夾層中，也可以根據需要添加Mg。皂質粘土在該250°C實驗中亞穩態結晶，在沉積環境中的穩定性範圍通常在低於125°C的溫度下。隨著時間的推移，亞穩態綠土粘土將被另一種含鋁礦物如綠泥石或透閃石所取代。

伴隨斷層作用的地幔岩石水化導致剪切減弱和穩定，減弱程度隨滲透流體的化學性質而變化。地震活動的發生和持續時間可能是地幔岩性的函數，富含斜方輝石的岩石比富含橄欖石的岩石具有更大的不穩定行為傾向。

源自二氧化矽飽和地殼岩石或與二氧化矽飽和地殼岩石相互作用的流體對斷層行為的影響最大。初始弱化程度也是地幔岩石礦物學的函數，富含斜方輝石的岩石的特徵是弱化程度低於富含橄欖石的岩石。單斜輝石的反應性相對較低，它可能不會導致強度降低。

結論

橄欖岩在熱液條件下的緩慢剪切導致速度強化行為和不同程度的弱化，這是由於不一致的壓力溶解蠕變的激活而導致的。強度降低量與橄欖石在不同溫度和流體化學條件下的溶解速率密切相關。

與地幔和地殼岩石並置或熱液來自地殼來源時相比，超基性化學環境中的剪切產生的初始弱化要小。儘管原生超基性礦物的反應性可能控制這些短期實驗中的摩擦行為，但次生礦物組合的貢獻將隨著反應的進行而增加。

參考文獻

Andreani,M.、Daniel,I.和Pollet-Villard,M.（2013年）。鋁加速橄欖石的熱液蝕變。美國礦物學家，98，1738–1744年

Barnes,I.、Rapp,JB、O'Neill,JR、Sheppard,RA和Gude,AJ（1972年）。四個蛇紋石化實例中的變質組合和變質流體的流體流動方向。對礦物學和岩石學的貢獻，35, 263–276

林，F.-C。,& Clemency,CV (1981). 水鎂石、蛇紋石、滑石和金雲母在室溫和壓力下的溶解動力學。美國礦物學家，66，801–806

Nakatani,T.和Nakamura,M.（2019年）。優先斜方輝石蛇紋石化及其對弧前地幔中地震速度解釋的影響。地球物理研究雜誌：固體地球 ，124，3420–3435

Vermilyea,DA (1969). MgO和Mg(OH)2在水溶液中的溶解。電化學學會雜誌，116，1179–1183