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研究热点

硬石膏沉淀对海底热液系统中金属运移的作用

编辑:chenjiao 作者:郭志馗 时间:2020年07月03日 访问次数:176

       时至今日,已经在所有不同扩张速率的洋中脊发现了高温热液喷口。尽管已经有研究对对热液系统内部的运行机制和规律取得了重要认识,但是模型预测与实际观测之间依然有一些重要的分歧(或矛盾)。其中之一就是:数值模拟实验结果一致表明,浅部高渗透率的洋壳中冷的海水混入会导致热液温度降低,这与实际的观测现象不符。因此,在高渗透率洋壳中形成高温喷口的过程,一定是有其他机制或因素在起作用。 我们利用热液对流-矿物反应的耦合模型探索了这个问题。模型结果显示:在海水与热液混合过程中导致海水被加热而热液被冷却,这两个过程都会形成硬石膏,在洋壳内的高温的热液上升流周围形成一个类似烟囱的结构。由于这个烟囱状结构对洋壳孔隙的阻塞,阻碍了海水与热液的混合,从而使热液集中喷流得以维持高温状态。 热液的高温状态的维持对于金属矿物的运移和沉淀有重要作用。

热液对流-矿物反应动力学模型
      热液对流-矿物反应模型是将热液对流、物质运移和化学反应相耦合的模型。其 物理模型可以理解为:溶解了矿物离子(广义上的)的流体在孔隙介质(洋壳)中流动,不仅从热源汲取热量进行热传递而且还从洋壳中淋滤矿物离子进行物质运移。在热液流动的路径中,不同位置的温度和压力是有差异的,所以在不同的温压条件下会发生不同程度的矿物沉淀或溶解,这取决于某种矿物的溶解度对温度和压力的函数(简化的化学反应模型)。矿物的沉淀或溶解反过来会影响孔隙介质的运输属性,比如孔隙度和渗透率,从而影响流体的流动特征、温度场分布及其热力学性质。因此这是一个多物理场的耦合模型。 为了模型的简化和抓住主要矛盾,本文考虑了硬石膏以及黄铁矿(作为金属矿物的代表)主要的热液矿物。其 化学反应模型 是基于矿物的溶解度曲线进行的,如 图1 所示。当然了,溶解度曲线是不太容易获得的,一般有两种途径,其一是通过大量实验观测数据拟合(比如硬石膏的溶解度曲线);其二是通过计算化学方法和实验数据结合的方法计算得到此曲线(比如黄铁矿的溶解度曲线)。



图1: 矿物溶解度与温度的关系。(a) 硬石膏,(b)黄铁矿。硬石膏高温沉淀矿物,从145摄氏度开始沉淀;而黄铁矿与硬石膏相反,它是低温沉淀矿物,低于305摄氏度开始沉淀。


      上述的热液对流-矿物离子运移过程,可以基于达西定律用一组表示质量守恒、能量守恒、动量守恒和离子浓度守恒的偏微分方程组表述,而矿物沉淀/溶解量可以基于溶解度曲线求解离子浓度平衡方程得到。最后将矿物沉淀对洋壳的影响以渗透率的改变反馈给模型从而形成一个耦合模型的闭环。方程和数学表达式的推导见正文的公式1-15。

数值模拟
      将地球科学问题物理化,将物理问题数学化,然后利用有限元方法进行离散化求解,从而获得数值模拟演化结果。最后反过来解释高温热液流(地质现象)的形成机制及探讨相关的因素是如何作用于热液系统的。 为了使数值模拟实验结果具有普遍性,我们设计了一个两层的浅部洋壳模型 (如 图2 所示),第一层渗透率较高,第二层渗透率较低。矿物离子浓度边界条件则参考中大西洋脊的TAG热液区和东太平洋海隆(EPR)热液区的观测数据进行设置的。 为了研究(1)矿物沉淀(硬石膏沉淀)对喷口温度的影响;(2)洋壳渗透率对矿物沉淀的影响;(3)Ca离子浓度对矿物沉淀和喷口温度的影响,我们设计了三组实验进行对照。

图2: 数值模拟的模型结构及边界条件。顶部是一个自由出入边界,压力边界条件为固定值(30 MPa),可视为水深为3 km的海底面;温度边界条件为混合边界条件,即入流温度为固定值5摄氏度,表示海水温度;出流温度边界条件为零梯度。底部表示高温热液上升流,其压力边界条件用物质通量表示,而温度为固定值400摄氏度(这是热液系统中反应区的典型温度)。其余边界均为非渗透性绝热边界。文中所有实验的初始条件都相同,即温度分布为海水温度,压力分布为静水压。

结果及结论
1. 海水与热液的混合作用
这是第一组实验,目的是探讨洋壳渗透率对海水-热液混合作用程度的影响。结果如 所示,渗透率越高,则混合作用越明显。表现为喷口温度的降低和物质通量的升高。



图3: 热液喷口温度和物质通量与洋壳渗透率的关系。

2. 硬石膏的沉淀过程及对喷口温度的影响
       这是第二组实验,热液循环中考虑了硬石膏和黄铁矿的沉淀。其演化过程如下面的动画所示,可以得到 三点认识 :(1)硬石膏逐渐形成一个围绕高温上升热液流的烟囱状结构,随着硬石膏的不断沉淀其渗透率逐渐降低,最终会达到一种动态平衡;(2)烟囱状的硬石膏结构的形成,阻碍了周围海水的混入,从而逐渐使喷口温度升高并最终达到稳态;(3)高温热液流体的高温状态的维持,直接影响到金属矿物的运移,即热液温度维持在300度左右或更高,才能溶解更多的金属矿物并运移至海底附近沉淀或直接随着高温热液喷发出海底然后沉淀。

视频动画(地址: https://v.qq.com/x/page/q3108ab5pgg.html )

3. 洋壳渗透率对矿物沉淀过程的影响
       这是第三组实验,研究不同的洋壳渗透率对矿物沉淀过程的影响,包括矿物沉淀量或硬石膏的结构形态和达到稳态的时间尺度,如 图4 所示。结果显示:从相同的初始状态出发,经历相同的演化时间,渗透率越高则矿物沉淀量越多,热液羽流的范围越窄,喷口温度越低。


图4: 渗透率对硬石膏沉淀和热液羽流结构的影响。

       但是,随着演化时间的推移,高渗透率情况下的喷口温度升高越快,如 图5 所示。最终都会达到平衡状态(稳态),但是渗透率越高需要的演化时间越长,如 图6 所示。



图5:不同渗透率的模型在有化学反应和没有化学反应的情况下喷口温度的演化曲线



图6: 不同渗透率的情况下硬石膏沉淀达到稳态所需的演化时间对比


4. 热液上升流中钙离子浓度对硬石膏沉淀量的影响
      这是最后一组实验,研究了(1)高温热液上升流中所携带的钙离子浓度;(2)洋壳的渗透率,分别对硬石膏沉淀量的影响,如 图7 所示。 结果显示前者的影响并不明显,而后者的影响更为显著。 这也是可以理解的,因为其溶解度只与温度(暂时忽略压力的影响)有关,只要钙离子浓度达到某个量级,再高则对硬石膏的沉淀并无帮助,只是热液喷口处的钙离子浓度会增大而已。而渗透率则不同,它直接影响了温度,从而影响了硬石膏的沉淀,硬石膏的沉淀又会对渗透率有反馈作用。



图7: 不同钙离子浓度和渗透率对硬石膏沉淀量的影响

       此成果发表在Journal of Geophysical Research-Solid Earth期刊上,研究得到了国家重点研发计划项目(2018YFC0309901, 2017YFC0306203 and 2016YFC0303000)及国家留学基金委(NO. 201706410085)的资助。

文章信息 :Guo, Z., Rüpke, L. H., Fuchs, S., Iyer, K., Hannington, M. D., Chen, C., ... Hasenclever, J. (2020). Anhydrite‐Assisted Hydrothermal Metal Transport to the Ocean Floor---Insights From Thermo‐Hydro‐Chemical Modeling. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125(7). https://doi.org/10.1029/2019JB019035

数据及图件 : 论文中所有的图件都是使用python和Latex TikZ绘制,所有的绘图代码及相关数据均开源,见figShare: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.10347839.v3