流体与岩石的相互作用是地球动力学过程的基本组成部分，它不仅将物质、能量的传递与大规模构造变形相联系，也控制着矿床形成、碳封存过程以及岩石圈流变特征变化（Jamtveit et al., 2000）。流体与岩石相互作用过程几乎不受限于空间尺度，在矿物颗粒、岩石露头和板块等不同尺度上均可发生（Engvik et al., 2008）。
但在时间尺度上，由于缺少合适的定年方法，很难对区域尺度流体与岩石相互作用的持续时间进行有效的精确约束（Baxter and DePaolo, 2000）。放射性测年技术提供的是绝对年龄而不是持续时间，且其不确定性太大，无法捕获快速而短暂的地质过程。而通过室内实验获取作用速率，再进行尺度升级的方法也十分困难。
挪威卑尔根大学A. Beinlich与柏林自由大学T. John等研究者为了量化区域尺度的流体-岩石相互作用的持续时间提出了新的研究方法（Beinlich et al., 2020）。他们针对挪威北部蛇绿岩进行了详细的研究，依据流体驱动导致的蛇纹石化蚀变的地表露头反应锋面几何形状，获取了反应性流体的运移条件的重要野外证据（图1）。然后，作者建立了对流-扩散-反应耦合的动力学数值模型来模拟蚀变过程的矿物分布变化，并通过拟合实际野外数据来约束流体-岩石相互作用的持续时间。
图1 蛇绿岩的逆冲和蚀变。 a.蛇纹岩裂缝边缘约3 m宽的滑石蚀变露头；b.蚀变过程示意图，蛇绿岩与下覆片岩之间普遍存在的碳酸盐岩接触带表明了蚀变流体的起源于沉积物压实而释放出的含碳流体。沿蛇纹岩内的裂缝（长度为十到几百米，并与逆冲基底相连）断层泥中也存在滑石，表明裂缝起了流体导通作用（Beinlich et al., 2020）
作者在研究中采用了一维反应溶质运移模型模拟垂直于断裂的渗流途径上由于含碳、硅、锂流体对流与扩散导致的蛇纹岩被滑石岩所替代的过程（图2 ）。模型中使用已知的扩散系数、流体和岩石密度等参数，而通过改变流体流速对模型进行拟合校正，重现实际的反应锋面的几何形状。同时，利用反应锋面两侧岩石的Li同位素的扩散来约束流体的运移速度。通常，快速对流会导致反应锋面扩展更快且锋面更加尖锐。采用这个方法计算获得的改造过程被限定在20年左右，即流体流速大约为0.13m/a。这是一个相当快的速度，比退变质实验推测的速度快几个数量级。在此流速条件下，基于Darcy定律可知在反应前沿扩展期间的介质渗透率约为10-14.5 m2，这比实验测得的蛇纹岩和页蛇纹石渗透率都要高得多（10-17m2和10-20m2）（Katayama et al., 2012）。
虽然数值模型是选取了一个典型的蛇纹石-滑石反应锋面，而实际上这种锋面在约70 km2的区域内广泛存在，蚀变在裂缝通道两侧扩展的距离通常在几厘米到几十米之间变化。以数值模型获取的流速计算，区域尺度的流体-岩石反应持续时间约为10-100年。而在地壳下部温度更高的条件下，流体与岩石相互作用的时间尺度可能会更短。
图2 蛇纹石蚀变过程中的矿物变化。a.反应界面上的矿物分布；b.反应界面的矿物丰度变化。蛇纹石中的滑石是早期辉石的残余。滑石中的蛇纹石以菱镁矿的夹杂物形式存在；c.反应溶质运移模型中不同反应持续时间下测出的叶蛇纹石体积分数拟合结果（Beinlich et al., 2020）
该研究结果表明，流体蚀变锋面扩展速度至少与大规模构造过程速度（如洋中脊扩张、板块运动和俯冲）相当（Stern, 2012）。因此，从地球动力学的角度来看，流体作用引发的岩石及其物性的变化可以快速进行。而这种快速的岩石转变过程，会引起介质渗透率的增加，从而促进了地壳中低渗透率岩石的流体导通能力。作者得到主要结论认为当存在反应性流体时，大陆碰撞和俯冲带中的大规模流体引起的岩石矿物转变可快速发生（数十年的时间尺度上）。因此从地质学角度推断，自然状态下碳封存、矿床形成以及地壳的岩石物理变化可以快速发生。
反应运移数值模型是分析地球系统物理、化学和生物耦合过程必不可少的工具，构建恰当的模型可以较好地描述地质过程的时空演化，如预测地下污染物迁移行为、地壳物质通量以及变质作用与岩浆输运等深部地球过程（Steefel et al., 2005）。多数模型研究是采用正演模拟预测地质过程，而本研究基于典型的野外证据采用反演模拟来限定流体流速，克服了模型参数的不确定性，这为地质过程时空演变定量研究提供了新的思路和方法。
【致谢：感谢岩石圈演化国家重点实验室刘传周研究员对本文提出的宝贵修改建议。】
主要参考文献
Baxter E F, DePaolo D J. Field measurement of slow metamorphic reaction rates at temperatures of 500° to 600°C [J]. Science, 2000, 288(5470): 1411-1414.（链接）
Beinlich A, John T, Vrijmoed J C, et al. Instantaneous rock transformations in the deep crust driven by reactive fluid flow[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(4): 307-311.（链接）
Engvik A K, Putnis A, Gerald J D F, et al. Albitization of granitic rocks: the mechanism of replacement of oligoclase by albite[J]. The Canadian Mineralogist, 2008, 46(6): 1401-1415.（链接）
Jamtveit B, Austrheim H, Malthe-S？renssen A. Accelerated hydration of the Earth's deep crust induced by stress perturbations[J]. Nature, 2000, 408(6808): 75-78.（链接）
Katayama I, Terada T, Okazaki K, et al. Episodic tremor and slow slip potentially linked to permeability contrasts at the Moho[J]. Nature Geoscience, 2012, 5(10): 731-734.（链接）
Steefel C I, DePaolo D J, Lichtner P C. Reactive transport modeling: An essential tool and a new research approach for the Earth sciences[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2005, 240(3-4): 539-558.（链接）
Stern R J. Subduction zones[J]. Reviews of Geophysics, 2002, 40(4): 3-1-3-38.（链接）
（撰稿：董艳辉/页岩气与工程室）
