Forscher ermitteln quantitative Zusammensetzung

Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas

In einer in PNAS veröffentlichten Studie hat die Gruppe von Prof. XIAO Yilin von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) zum ersten Mal die chemische Zusammensetzung überkritischer Flüssigkeiten in tiefer Subduktion quantitativ bestimmt Zonen durch 3D-Bildgebungsmodellierung von mehrphasigen Ultrahochdruck-Flüssigkeitseinschlüssen (UHP) und enthüllte die wichtige Rolle überkritischer Flüssigkeiten beim Kreislauf von Kohlenstoff und Schwefel in Subduktionszonen, was für ein tiefgreifendes und systematisches Verständnis von großer Bedeutung ist die Rolle überkritischer Flüssigkeiten in der Natur.

Flüssigkeiten, darunter Ozeane, Seen, Flüsse und die zahlreichen geologischen Flüssigkeiten im Erdinneren, sind untrennbare Teile und wichtige Medien, die dabei helfen, Materie und Energie zwischen verschiedenen Schichten der Erde zu transportieren. Abhängig von ihren geochemischen Eigenschaften können sie weiter in wasserreiche Flüssigkeiten, wasserführende Schmelzen und überkritische Flüssigkeiten unterteilt werden.

Überkritische Flüssigkeiten werden bei hoher Temperatur und hohem Druck gebildet und zeichnen sich durch relativ niedrige Viskosität, hohe Aktivität und außergewöhnliche Elementmobilität aus. Diese unkonventionellen physikalisch-chemischen Eigenschaften verleihen ihnen eine entscheidende Rolle bei der Auslösung mesotiefer Seismizität und Vulkanismus, erleichtern den Elementtransport in der Subduktionszone, den Materialkreislauf und die Metallanreicherungsmineralisierung und beeinflussen die Entwicklung der Bewohnbarkeit der Erde. Es bleibt jedoch eine Herausforderung, eine überkritische Flüssigkeitsaktivität anhand natürlicher Proben zu identifizieren, insbesondere wenn die kritischen und quantitativen geochemischen Indikatoren äußerst knapp sind.

Die Forscher untersuchten den UHP-metamorphen Aderkörper der kontinentalen ultratiefen Subduktionszone in den Dabie Mountains und fanden eine große Anzahl mehrphasiger Flüssigkeitseinschlüsse, die neben dem legendären UHP-metamorphen Mineral Kochnit koexistieren. Die Einschlüsse sind mit mehreren Samenmineralien in einer relativ konsistenten Gesamtzusammensetzung konserviert, die hauptsächlich aus Quarz, Calcit, Anhydrit und einer großen Menge Wasser besteht.

Systematische petrographische, Laser-Raman- und elementare Oberflächenuntersuchungen zeigten, dass es sich bei den mehrphasigen Flüssigkeitseinschlüssen in Omphacit und Granat um primäre UHP-Flüssigkeitseinschlüsse handelt, wodurch die chemische Zusammensetzung der tieferen Hochdruckflüssigkeiten in der Subduktionszone intakt bleibt. 3D-Laser-Raman-Modellierung und quantitative Zusammensetzungsberechnungen dieser Einschlüsse stellten die ursprüngliche venenbildende Flüssigkeitszusammensetzung wieder her, die in den mehrphasigen Flüssigkeitseinschlüssen aufgezeichnet wurde. Es zeigte sich, dass die Flüssigkeiten hauptsächlich SiO2, CaO und Wasser sowie erhebliche Mengen flüchtiger Elemente wie Kohlenstoff und Schwefel enthielten.

Darüber hinaus entdeckten die Forscher, dass in den Einschlüssen konservierte Flüssigkeiten überkritische Eigenschaften (z. B. Migrationskapazität) und Zusammensetzungsmerkmale aufweisen. Diese überkritischen Flüssigkeiten sind hocheffizient bei der Aktivierung und dem Transport von Kohlenstoff und Schwefel in Subduktionszonenschichten und können sie in den Mantelkeil und sogar in den tiefen Erdmantel transportieren, wodurch sie weitreichende und wichtige Auswirkungen auf die Effizienz und den Fluss des Kohlenstoff-Schwefel-Kreislaufs haben zwischen der Erdoberfläche und der Tiefe sowie die Entwicklung der Bewohnbarkeit der Erde.

Diese Studie lieferte eine detaillierte Charakterisierung der Eigenschaften überkritischer Flüssigkeiten in tiefen Subduktionszonen. Es zeigte auch die entscheidende Rolle der UHP-Flüssigkeiten im Kohlenstoff- und Schwefelkreislauf, die lange Zeit unterschätzt wurde.

Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften

Überkritische Flüssigkeit in tiefen Subduktionszonen, erkennbar an mehrphasigen Flüssigkeitseinschlüssen in einer metamorphen Ultrahochdruckader

8. Mai 2023

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