中國科大發現超臨界地質流體新演化過程和機制

流體就像固體地球內部的“血液”，對於物質和能量的傳輸發揮重要作用。岩石主要是硅酸鹽成分，而常見的流體包括富水流體和以硅酸鹽為主的岩漿熔體（通過火山噴發可到達地表），二者之間混溶程度通常很低。但在地球深部的高温高壓條件下，硅酸鹽和水可以完全混溶，形成成分比岩漿熔體“稀”、但比富水流體“稠”的超臨界地質流體。超臨界地質流體具有複雜的成分和結構、超常規的物理化學活性，可以促進地球深部物質循環，遷移富集元素成礦，甚至引發深部地震。但超臨界流體實驗研究難度很高，特別是目前對超臨界流體的演化行為仍嚴重缺乏瞭解。

為了深入認識地球內部超臨界流體的演化，中國科學技術大學地球和空間科學學院倪懷瑋教授課題組利用水熱金剛石壓腔，原位觀測了硅酸鹽-水體系超臨界流體隨着温度和壓力降低而發生的相分離過程。實驗結果顯示，除了常規的成核-生長機制外，超臨界流體還可以通過旋節分解（spinodal decomposition）機制發生相分離。而且，由於硅酸鹽組分和水的動力學性質存在很大差別，弛豫較慢的硅酸鹽組分可以支撐彈性應力，在流體中形成了硅酸鹽熔體的網絡結構（相互聯通的熔體球，邊界處有多個小的流體氣泡）。當温度進一步降低時，界面張力越來越大，導致熔體網絡坍塌。

該研究首次發現超臨界流體旋節分解和形成熔體網絡，從而揭示了一種全新的超臨界流體演化機制。這種熔體網絡結構有利於礦物結晶時同時捕獲不同比例的硅酸鹽熔體和富水流體，形成一系列成分有別的流體包裹體。同時，旋節分解這種整體分離機制可以極大地提高熔體和流體相分離的效率，這可能對岩漿熱液礦牀的形成具有重要意義。

相關成果作為封面文章發表在國際地球化學領域知名學術期刊Geochemical Perspectives Letters上。論文第一作者為中國科學技術大學博士研究生王沁霞，通訊作者為中國科學技術大學倪懷瑋教授。該項研究得到了國家科技部重點研發計劃變革性技術關鍵科學問題專項“超臨界地質流體的性質和效應”項目、國家自然科學基金以及中央高校基本科研業務費的支持。

論文信息：Qinxia Wang, Dongyuan Zhou, Wan-Cai Li, *Huaiwei Ni. (2021) Spinodal decomposition of supercritical fluid forms melt network inasilicate-H2O system. Geochemical Perspectives Letters,18, 22–26. doi: 10.7185/geochemlet.2119

原文鏈接：https://www.geochemicalperspectivesletters.org/article2119/

（地球和空間科學學院、科研部）