大洋板片的俯沖是水進(jìn)入地球深部的方式。俯沖板片的含水礦物在高溫高壓條件下發(fā)生變質(zhì)脫水反應(yīng)釋放流體。那么，究竟這些流體是伴隨板片俯沖進(jìn)入地球更深處、還是上涌到地球的淺部，取決于巖石的滲透率。依據(jù)結(jié)構(gòu)平衡（textural equilibrium）理論，巖石的滲透性通過測量礦物顆粒間的二面角來衡量。一般認(rèn)為，若礦物顆粒間的二面角小于60 ，則流體可以在晶粒邊緣連通，致使巖石具有較高的滲透率，那么密度小于巖石的流體會上涌；若二面角大于60 ，則流體不連通，流體會伴隨板片俯沖進(jìn)入地球深部。然而，該理論存在缺陷為：僅以純相流體為假設(shè)，沒有在分子-原子水平上認(rèn)識到低維度空間中流體的特殊性。而利用當(dāng)今分子動力學(xué)模擬手段對流體/礦物進(jìn)行研究，可以在分子-原子水平上認(rèn)識流體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和運移方式，產(chǎn)生新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
圖1. 低維度流體示意圖
陳錳特任研究員的模擬計算研究表明：當(dāng)純相流體與晶體邊界并存時，若壓力高于一定值，流體可以進(jìn)入晶體邊界，形成低維度流體（亞納米尺寸的單分子層或雙分子層水，圖1）；低維度流體以擴(kuò)散形式運動，這有助于流體在巖石中的連通。這說明，礦物顆粒間的二面角大小并非衡量巖石滲透性的唯一方式，低維度的擴(kuò)散流體的存在可以提升巖石的滲透性。具有擴(kuò)散性的低維度流體是傳統(tǒng)理論所無法預(yù)知的，其發(fā)現(xiàn)有賴于分子動力學(xué)模擬與熱力學(xué)理論計算的結(jié)合。
研究者對幾種晶體邊界進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)若晶體表面與水之間不形成穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如石墨和云母的表面），低維度流體可以形成于晶體邊界。研究者對一系列溫度-壓力條件的研究揭示了俯沖板片內(nèi)低維度流體穩(wěn)定存在的區(qū)間（圖2）。低維度流體是俯沖板片礦物脫水形成的，該流體在巖石中的連通致使巖石具有較高的表觀滲透率，促進(jìn)流體在俯沖板片內(nèi)上涌。
圖2. 低維度流體可能存在的穩(wěn)定區(qū)域
研究者希望，以此研究為開端，今后在俯沖帶流體運移的數(shù)值模擬研究上，應(yīng)當(dāng)考慮低維度流體的角色。此外，研究者在該研究過程中，使用的等溫線和等壓線熱力學(xué)積分方法、非平衡分子動力學(xué)模擬手段等，預(yù)期可為同行研究者提供借鑒。
研究論文發(fā)表于JGR：Solid Earth。此研究獲國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目“礦物演化”（41921003）資助。
論文信息：Meng Chen* (陳錳), Runliang Zhu (朱潤良), Jianxi Zhu (朱建喜), and Hongping He (何宏平) (2023). Percolation of low-dimensional water at crystalline interfaces mediates fluid migration in subducting slabs. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2023JB027124
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