高温高压下石榴石中铁镁互扩散系数的实验测量取得新认识

扩散是地球体系中发生的重要物理化学过程之一，它对不同尺度的化学交换和质量传输发挥了关键作用。地幔矿物中Fe–Mg的扩散行为在很大程度上影响一系列地幔过程的时间尺度和热力学，包括岩浆上升、岩浆混合、熔岩流的冷却以及岩石的加热或冷却等。众所周知，地球内部的挥发分（特别是水）对地幔矿物岩石的物理化学性质有重要影响，包括扩散率、电导率、流变性等。但是迄今为止，关于水含量对地幔矿物中Fe–Mg互扩散系数影响的研究极其有限。因此定量确定矿物岩石中元素的扩散系数随温度、压力、水含量、成分等因素的变化对我们正确认识和深入理解地球内部的各种动力学过程和地球演化具有极其重要的意义。 

中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压重点实验室的张宝华课题组在高温高压下系统研究了水含量对石榴石中Fe–Mg互扩散系数的影响。研究表明：在很宽的Fe/Mg比值范围内Fe–Mg互扩散系数几乎不依赖于石榴石的组成；水对石榴石中Fe–Mg互扩散系数的影响相当大（DFe–Mg (m2/s) = D0 CH2Or exp(-H/RT)，其中水指数r ≈ 1.38）；随着水含量从100 ppm增加到1200 ppm，Fe–Mg互扩散系数升高了两个数量级，这与不含水条件下温度升高约300 °C的效果相当；与此同时，我们计算的石榴石中封闭温度显示水在模拟用于地质速率计和地质温度计的冻结组成剖面中的作用比先前考虑的要大得多。 

上述成果发表在国际地学著名期刊《Earth and Planetary Science Letters》上：Baohua Zhang, Bowen Li, Chengcheng Zhao, Xiaozhi Yang, 2019. Large effect of water on Fe–Mg interdiffusion in garnet, Earth and Planetary Science Letters, 505(1), 20-29. 

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X18306113 

本研究受国家自然科学基金等项目联合资助。 

　　（高压室 张宝华课题组供稿）