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近日，中國科學技術(shù)大學地球和空間科學學院倪懷瑋教授課題組在超臨界地質(zhì)流體演化過程和機制研究方面取得重要進展。相關(guān)研究成果近日以封面文章“Spinodal decomposition of supercritical fluid forms melt network in a silicate-H2O system”發(fā)表于國際地球化學知名學術(shù)期刊Geochemical Perspectives Letters。

流體就像固體地球內(nèi)部的“血液”，對于物質(zhì)和能量的傳輸發(fā)揮重要作用。巖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巖漿熔體（通過火山噴發(fā)可到達地表），二者之間混溶程度通常很低。但在地球深部的高溫高壓條件下，硅酸鹽和水可以完全混溶，形成成分比巖漿熔體“稀”、但比富水流體“稠”的超臨界地質(zhì)流體。超臨界地質(zhì)流體具有復雜的成分和結(jié)構(gòu)、超常規(guī)的物理化學活性，可以促進地球深部物質(zhì)循環(huán)，遷移富集元素成礦，甚至引發(fā)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了解。

為了深入認識地球內(nèi)部超臨界流體的演化，中國科學技術(shù)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著溫度和壓力降低而發(fā)生的相分離過程。實驗結(jié)果顯示，除了常規(guī)的成核-生長機制外，超臨界流體還可以通過旋節(jié)分解（spinodal decomposition）機制發(fā)生相分離。而且，由于硅酸鹽組分和水的動力學性質(zhì)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(wǎng)絡結(jié)構(gòu)（相互聯(lián)通的熔體球，邊界處有多個小的流體氣泡）。當溫度進一步降低時，界面張力越來越大，導致熔體網(wǎng)絡坍塌。

該研究首次發(fā)現(xiàn)超臨界流體旋節(jié)分解和形成熔體網(wǎng)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(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有利于礦物結(jié)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(jié)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，這可能對巖漿熱液礦床的形成具有重要意義。

相關(guān)成果作為封面文章發(fā)表在國際地球化學領域知名學術(shù)期刊Geochemical Perspectives Letters上。論文第一作者為中國科學技術(shù)大學博士研究生王沁霞，通訊作者為中國科學技術(shù)大學倪懷瑋教授。該項研究得到了國家科技部重點研發(fā)計劃變革性技術(shù)關(guān)鍵科學問題專項“超臨界地質(zhì)流體的性質(zhì)和效應”項目、國家自然科學基金以及中央高?；究蒲袠I(yè)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）