研究背景

流体是驱动地球内部物质迁移、元素循环、岩石变质和地球动力学过程的重要介质。在地球内部，水不仅以分子水（H2O）的形式存在，还广泛以羟基（OH⁻）的形式赋存在矿物晶体结构中。即使含量很低，水也能够显著影响矿物、岩石体系的熔融、形变、电导率、流变性等物理化学性质，进而影响地球深部的结构与动力学过程。由于硅酸盐矿物的水溶解度会随温度、压力和化学组成等条件发生变化，当外部环境改变时，水会相应进入或离开矿物。然而，这些结构水究竟以何种形式离开晶格，并如何进一步演化为分子水乃至流体，长期以来仍缺乏清晰的实验认识。

研究成果

近日，海底科学与划界全国重点实验室深海多金属结核成矿与评价团队严薇助理研究员等通过原位高温红外光谱实验结合透射电子显微镜观测，揭示了柯石英中结构羟基向分子水转化并形成纳米尺度气态H2O分子团簇的过程，提出了一种不同于传统外部流体渗入或宏观流体捕获的流体形成路径，为认识地球内部流体的来源与演化提供了新的视角。

研究团队以合成含水柯石英为对象开展系统的原位高温红外光谱实验。结果显示，样品在室温下仅表现出结构羟基相关的红外吸收峰，而在高温条件下出现新的~3659 cm-1吸收带（图1）。结合其温度响应和偏振特征（图2），研究认为，该吸收带可能对应于弱氢键作用下的分子水，指示原本赋存在矿物结构中的OH⁻在高温下发生转化，形成气态H2O分子纳米团簇。

透射电子显微镜观察进一步显示，高温实验后的柯石英中出现了广泛分布的纳米裂纹和纳米尺度结构特征（图3），而未经高温实验的样品中未发现类似现象。综合光谱和显微结构证据，研究团队提出：当矿物中的结构水超过其溶解度时，OH⁻可以从晶体结构中释放并形成H2O分子，首先以气态纳米团簇形式存在，并产生纳米裂纹；随着过程持续，这些纳米水团簇可能沿纳米裂纹迁移、聚集，逐步形成纳米气泡、微米尺度气泡，乃至最终演化为流体包裹体。与此同时，纳米裂纹也可能彼此连接、逐渐加宽并演化为晶界，或在后期重结晶过程中被愈合。

这一结果意味着，矿物内部本身可能就是流体的“源区”。部分天然流体并不一定来自外部流体的渗入，也不一定首先以宏观自由流体的形式存在，而可能由矿物晶格中的结构羟基原位生成，并进一步演化为纳米-微米尺度的含水流体包裹体。该过程揭示了一种此前认识不足的流体形成机制，为传统“外部流体-迁移-捕获”的流体包裹体形成模式提供了重要补充。这一认识也为解释天然矿物中部分异常的氢、氧同位素组成以及流体包裹体的成因提供了新的可能路径，对进一步理解深部水循环及水对矿物物理性质的影响具有重要意义。

该论文已于8月26日在线发表于国际地学期刊Geology。论文第一作者为自然资源部第二海洋研究所海底科学与划界全国重点实验室严薇助理研究员，通讯作者为北京大学刘曦研究员。浙江大学杨燕教授、高压科学研究中心张莉研究员、自然资源部第二海洋研究所李小虎研究员和李正刚副研究员、中国科学院海洋研究所孙卫东研究员等参与了该项研究。

文章信息

本研究得到国家自然科学基金、自然资源部第二海洋研究所科研基金、国家重点研发计划以及海底科学与划界全国重点实验室科研基金等项目资助。

论文链接：Yan, W., Yang, Y., Zhang, L., Li, X., Li, Z., Sun, W., and Liu, X., 2026, Formation of gaseous molecular water in coesite: From OH− to H2O cluster: Geology, https://doi.org/10 .1130/G55038.1

图1 不同温度下柯石英的非偏振红外光谱

图2 不同温度下柯石英的偏振红外光谱

图3 高温实验后柯石英中形成的纳米结构特征