近日，学院黄方教授研究团队联合西北大学董云鹏教授，以秦岭造山带松树沟地幔橄榄岩为研究对象，分别通过主微量地球化学和钡 (Ba) 同位素分析，首次在天然样品中识别出富水超临界流体的明确信号，明确了富水超临界流体来源。该成果以The “lost” aqueous supercritical fluids recorded in highly refractory mantle peridotites为题发表在地球化学国际知名期刊Earth and Planetary Science Letters上。
超临界流体 (supercritical fluid) 是水与硅酸盐熔体在高温高压下完全互溶形成的一种特殊流体。因其高溶质迁移率和低迁移粘度的物理化学特质，具有极强的元素迁移能力，被认为是地球内部物质循环与能量交换的关键载体。超临界流体的成分连续变化，受到周围共生岩石的缓冲控制，随温度升高从富水端元逐渐过渡到富硅酸盐端元 (图1)。其中富水超临界流体被预测为岛弧玄武岩地幔源区的重要交代媒介，并且其超强的萃取能力也有利于关键金属富集和运移。然而，富水超临界流体形成于很难直接窥探的高压高温地幔中，其H2O的主体部分也难以在地质历史中保存下来。因此，富水超临界流体的性质以及在这些关键科学问题中扮演的角色尚未充分了解。
图1. 俯冲带超临界流体演化示意图
秦岭松树沟地幔橄榄岩是新鲜且无蚀变的，其中的易融组份含量显著低于全球亏损地幔橄榄岩。同时，极度亏损中稀土和重稀土元素的成分特征，暗示其来自难熔的地幔楔。这种极度熔体提取导致松树沟橄榄岩的的背景微量元素非常“干净”，是研究板片衍生交代介质性质的理想对象。研究人员观察到橄榄岩中流体活动性和不活动性元素均显著富集，揭示松树沟橄榄岩经历过富水超临界流体的交代作用 (图 2)。Ba稳定同位素的信号指出微量的富水超临界流体可以造成显著的地幔元素再富集，并且暗示该流体主要来自蚀变洋壳，并且有1%作用的硅酸盐物质。这是首次在自然样品中观察到富水超临界流体的信号。
图2.松树沟橄榄岩的微量元素特征以及板块衍生组分的微量元素组成
论文的第一作者为副研究员段皓晨，通讯作者为黄方教授和西北大学董云鹏教授，合作者包括于慧敏副研究员和王文宇博士生。该项目受到国家自然科学基金 (42330101、42303030) 与博士后国际交流计划引进项目 (YJ20220411) 资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119597