廣州地化所在礦物晶隙毛細潤濕和地球深部水循環問題上取得新的認識
地球深部的水一般認為以礦物晶格的結構水或非連續孔隙流體形式存在。如果孔隙流體連通，重力分異作用將使流體與固體巖石分離。但如果礦物顆粒表面是親水性的，那么水將可以穩定地潤濕于礦物的晶體間隙，成為穩定的晶隙水（圖1）。實驗研究早已表明，一般認為層間疏水的層狀硅酸鹽礦物滑石和高嶺石，在一定的高溫高壓條件及與水共存的情況下，會形成穩定的層間含水的礦物相（Chinnery et al., Science, 1999; Hwang et al., Nat. Geosci., 2017）。由于層狀硅酸鹽礦物的層間類似于礦物顆粒的晶體間隙，這種穩定的層間水的發現是否意味著晶隙水在一定的高溫高壓條件下普遍存在？如果晶隙水是普適性的，這將大大增進對地球深部水循環的認識。
圖1.礦物晶體間隙的潤濕/不潤濕轉變圖解
為此，中國科學院廣州地球化學研究所礦物學與成礦學重點實驗室的陳錳特任研究員、研究生周慧君等設計了計算模擬研究的方案，首先是對照實驗認識，在熱力學理論層面厘清滑石和高嶺石在高壓條件下形成層間含水相的機理；其次是進行更具廣度意義的理論研究，揭示高壓條件下疏水礦物表面間是否存在穩定的晶隙水。
圖2. 高嶺石（Kln）、滑石（Tlc）層間的穩定水層
對照于實驗條件的理論模擬研究發現，無論滑石還是高嶺石，當壓力足夠高時，層間都會形成穩定的六方密堆積單分子水層（Chen et al., Langmuir, 2020）（圖2）。他們進一步研究了更具普適意義的無結構虛擬礦物晶隙，揭示了晶隙不潤濕/潤濕的溫度/壓力邊界（圖3）。只要壓力足夠高，疏水礦物晶隙也可以形成潤濕狀態。潤濕態以二維的單分子水層存在，其隨著條件改變發生類液相-類固相的相轉變。二維的類固相水呈現與過往發現的單分子層方形冰（Zangi and Mark, Phy. Rev. lett., 2003）一致的結構。此研究首次說明單分子層方形冰是穩定的礦物晶隙潤濕態。
圖3. 疏水礦物晶隙不潤濕/潤濕的溫度/壓力邊界與類液相-類固相轉變的相邊界
穩定存在的二維晶隙水的發現，對認識板塊俯沖過程對地球深部水循環的影響將有深遠意義（圖4）。然而，此研究尚有需要提高的地方，如虛擬礦物晶隙顯得過于理想化。但基于此研究的方法，對更貼合實際的礦物晶隙潤濕態的研究已是如箭在弦。
圖4. 冷俯沖帶（central Hongshu）的溫度-壓力模型（據Syracuse et al., Phys. Earth Planet. Inter., 2010）。
圖中虛框所示為可能的二維晶隙水存在區域。
該研究得到中國科學院青年創新促進會支持，研究成果發表于《物理評論B》（Physical Review B）上。
論文信息：Meng Chen*, Huijun Zhou, Runliang Zhu, and Hongping He, 2020, Physical Review B, 101, 165432
鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.101.165432
（中國科學院礦物學與成礦學重點實驗室供稿）
