研究人员确定深俯冲带中超高压流体的定量成分

在发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，中国科学院中国科学技术大学(USTC)肖宜林教授的课题组首次定量测定了深俯冲带超临界流体的化学成分。通过对超高压(UHP)多相流体夹杂物的三维成像建模，揭示了超临界流体在俯冲带碳硫循环中的重要作用，这对于深入系统地了解超临界流体在自然界中的作用具有重要意义。

流体，包括海洋，湖泊，河流以及在地球内部发现的各种地质流体，是不可分割的部分，有助于在地球的不同层之间转移它们的物质和能量。根据其地球化学性质，它们可以进一步分为富水流体、含水熔体和超临界流体。

超临界流体在高温高压下形成，其特点是粘度相对较低，活性高，元素迁移率优异。这些非常规的物理化学性质赋予它们在引发中深层地震活动和火山活动、促进俯冲带元素运输、物质循环和金属富集矿化方面发挥重要作用，并影响地球宜居性的演变。然而，从天然样品中识别超临界流体活动仍然是一个挑战，特别是在临界和定量地球化学指标严重稀缺的情况下。

研究人员研究了达别山脉大陆超深俯冲带的UHP变质脉体，发现了大量多相流体内含物与标志性的UHP变质矿物Kochnite共存。内含物由多种种子矿物保存，整体组合相对一致，主要由石英、方解石、硬石膏和大量水组成。

系统的岩相学、激光拉曼和元素表面扫描研究表明，绿辉石和石榴石中的多相流体内含物是主要的UHP流体内含物，保留了俯冲带深层高压流体的化学成分。这些夹杂物的三维激光拉曼建模和定量成分计算恢复了多相流体夹杂物中记录的原始脉形成流体成分。结果表明，这些流体主要含有SiO2、CaO 和水，以及大量的挥发性元素，如碳和硫。

此外，研究人员发现，夹杂物中保存的流体具有超临界特性(例如迁移能力)和成分特性。这些超临界流体在俯冲带片中活化和输送碳硫方面效率高，可能将其输送到地幔楔甚至深地幔中，从而对地球表面与深海碳硫循环的效率和通量以及地球宜居性的演化产生广泛而重要的影响。

这项研究提供了深俯冲带超临界流体性质的详细表征。它还揭示了UHP流体在碳和硫循环方面所起的关键作用，而碳和硫循环长期以来一直被低估。