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流体就像固体地球内部的“血液”,对于物质和能量的传输发挥重要作用。岩石主要是硅酸盐成分,而常见的流体包括富水流体和以硅酸盐为主的岩浆熔体(通过火山喷发可到达地表),二者之间混溶程度通常很低。但在地球深部的高温高压条件下,硅酸盐和水可以完全混溶,形成成分比岩浆熔体“稀”、但比富水流体“稠”的超临界地质流体。超临界地质流体具有复杂的成分和结构、超常规的物理化学活性,可以促进地球深部物质循环,迁移富集元素成矿,甚至引发深部地震。但超临界流体实验研究难度很高,特别是目前对超临界流体的演化行为仍严重缺乏了解。

为了深入认识地球内部超临界流体的演化,中国科学技术大学地球和空间科学学院倪怀玮教授课题组利用水热金刚石压腔,原位观测了硅酸盐-水体系超临界流体随着温度和压力降低而发生的相分离过程。实验结果显示,除了常规的成核-生长机制外,超临界流体还可以通过旋节分解(spinodal decomposition)机制发生相分离。而且,由于硅酸盐组分和水的动力学性质存在很大差别,弛豫较慢的硅酸盐组分可以支撑弹性应力,在流体中形成了硅酸盐熔体的网络结构(相互联通的熔体球,边界处有多个小的流体气泡)。当温度进一步降低时,界面张力越来越大,导致熔体网络坍塌。

该研究首次发现超临界流体旋节分解和形成熔体网络,从而揭示了一种全新的超临界流体演化机制。这种熔体网络结构有利于矿物结晶时同时捕获不同比例的硅酸盐熔体和富水流体,形成一系列成分有别的流体包裹体。同时,旋节分解这种整体分离机制可以极大地提高熔体和流体相分离的效率,这可能对岩浆热液矿床的形成具有重要意义。

相关成果作为封面文章发表在国际地球化学领域知名学术期刊Geochemical Perspectives Letters上。论文第一作者为中国科学技术大学博士研究生王沁霞,通讯作者为中国科学技术大学倪怀玮教授。该项研究得到了国家科技部重点研发计划变革性技术关键科学问题专项“超临界地质流体的性质和效应”项目、国家自然科学基金以及中央高校基本科研业务费的支持。

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论文信息:Qinxia Wang, Dongyuan Zhou, Wan-Cai Li, *Huaiwei Ni. (2021) Spinodal decomposition of supercritical fluid forms melt network inasilicate-H

2O system. Geochemical Perspectives Letters,18, 22–26. doi: 10.7185/geochemlet.2119

原文链接:https://www.geochemicalperspectivesletters.org/article2119/

(地球和空间科学学院、科研部)

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