科研成果
俯冲带温度条件下柯石英的水溶解度
时间：2024年03月27日
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近日，我所海底科学实验室海底资源与成矿系统团队严薇助理研究员在国际知名期刊Chemical Geology上发表了题为Water solubility in coesite at realistic temperatures of subduction zones的研究成果。合作者包括我所李小虎研究员、北京大学刘曦研究员、中国科学院海洋研究所孙卫东研究员以及中国地质大学（北京）何明跃研究员等。
无论洋壳或陆壳都会通过俯冲作用进入地球深部，而实验表明这两种成分体系中都可能形成柯石英。20世纪80年代柯石英包裹体在大陆地壳变质矿物中的发现导致了对陆壳深俯冲的新认识，并推动了板块构造理论的巨大变革。作为超高压变质作用的关键性指示矿物，柯石英如何在地壳岩石折返过程中得以保存尚不清楚。已有一些动力学研究表明柯石英中结构水的存在会显著加速其退变质为石英，从而致使其无法在地壳折返过程中保存下来。通过对比相同实验条件下不同水含量的柯石英向石英的转变速率，前人发现亚稳“干”柯石英（~10 ppm H2O）的转变速率比“湿”柯石英（~105 ppm H2O）慢十倍以上。然而，即使是水含量仅为10 ppm的柯石英，其转变速率也并未慢到使其能够支撑整个超高压变质岩的折返过程。
板块俯冲通常具有一个鲜明的特点：低温。高温高压实验研究表明，无论花岗岩或玄武岩体系均能在较低温度下形成柯石英。然而，这种形成于低温下的柯石英结构中能赋存多少水并不清楚。目前已报道的柯石英水溶解度数据都是建立在远高于俯冲带真实温度的条件下（> ~900 C），仅少数实验在较低温度下进行（例如700900 C），却未能检测到结构水的存在，这主要是因为他们合成的柯石英颗粒太小而难以较好地利用红外光谱检测。
为了限制俯冲带真实温度下柯石英的水溶解度，我所海底资源与成矿系统团队严薇助理员等在36 GPa、600800 C条件下合成了一系列与流体共存的柯石英。多数实验在SiO2H2O体系中进行，部分实验中加入了少量硼。通过延长加热时间（从5至15天不等），所有高压实验均成功合成了大颗粒的柯石英晶体（1001300 m；图1），再利用红外光谱检测水含量。结果表明，I型水榴石取代（Si4+(Si2) + 4O2- = [4]□(Si2) + 4OH-）是主要的水结合机制，而B缺陷（H+ + B3+ ↔ Si4+）的作用有限（图2）。柯石英的水溶解度与温度、压力均呈正相关关系，可以表示为经验方程 = 49(17) + 6.0(21) P + 0.06(2) T（代表水含量（ppm），P代表压力（GPa），T代表温度（C））或热力学方程（代表水溶解度（H/106 Si），代表水逸度（GPa），R代表气体常数，P代表压力（GPa），T代表温度（K），代表反应熵变（18.5(509) J/mol/K），代表反应焓变（10.7(516) kJ/mol），代表柯石英羟基化后的体积变化（23.6(42) cm3/mol））。由此可知，俯冲带中柯石英的水溶解度应为~0123 ppm H2O（图3）。当起源较深的柯石英变得亚稳时（即其温度、压力条件靠近柯石英/石英相边界），其水含量可能小于~10 ppm H2O。随着折返过程进行，这些微量水可能迅速丢失，亚稳柯石英将不再含结构水，与自然界折返的超高压变质岩中发现的柯石英的含水性相符。由于结构水的存在极大地加速了柯石英退变质为石英，无水可能是柯石英在深俯冲地壳岩石折返过程中得以保存的关键因素。
图1 典型的实验产物BSE图
图2 不同温度、压力下合成柯石英的非偏振红外吸收光谱图
图3 不同压力下柯石英水溶解度与温度的关系
该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）“印太交汇区海洋物质能量中心形成演化过程与机制”（No. XDB 42000000）和国家岩矿化石标本资源库的资助。
论文引用：
Yan, W., Lv, M., Wu, D., Sun, W., Li, X., He, M., Liu, X. (2023) Water solubility in coesite at realistic temperatures of subduction zones. Chemical Geology, 625, 121412.
