大洋板片的俯冲是水进入地球深部的方式。俯冲板片的含水矿物在高温高压条件下发生变质脱水反应释放流体。那么，究竟这些流体是伴随板片俯冲进入地球更深处、还是上涌到地球的浅部，取决于岩石的渗透率。依据结构平衡（textural equilibrium）理论，岩石的渗透性通过测量矿物颗粒间的二面角来衡量。一般认为，若矿物颗粒间的二面角小于60 ，则流体可以在晶粒边缘连通，致使岩石具有较高的渗透率，那么密度小于岩石的流体会上涌；若二面角大于60 ，则流体不连通，流体会伴随板片俯冲进入地球深部。然而，该理论存在缺陷为：仅以纯相流体为假设，没有在分子-原子水平上认识到低维度空间中流体的特殊性。而利用当今分子动力学模拟手段对流体/矿物进行研究，可以在分子-原子水平上认识流体结构、稳定性和运移方式，产生新的科学发现。
图1. 低维度流体示意图
陈锰特任研究员的模拟计算研究表明：当纯相流体与晶体边界并存时，若压力高于一定值，流体可以进入晶体边界，形成低维度流体（亚纳米尺寸的单分子层或双分子层水，图1）；低维度流体以扩散形式运动，这有助于流体在岩石中的连通。这说明，矿物颗粒间的二面角大小并非衡量岩石渗透性的唯一方式，低维度的扩散流体的存在可以提升岩石的渗透性。具有扩散性的低维度流体是传统理论所无法预知的，其发现有赖于分子动力学模拟与热力学理论计算的结合。
研究者对几种晶体边界进行研究，发现若晶体表面与水之间不形成稳定的氢键网络结构（如石墨和云母的表面），低维度流体可以形成于晶体边界。研究者对一系列温度-压力条件的研究揭示了俯冲板片内低维度流体稳定存在的区间（图2）。低维度流体是俯冲板片矿物脱水形成的，该流体在岩石中的连通致使岩石具有较高的表观渗透率，促进流体在俯冲板片内上涌。
图2. 低维度流体可能存在的稳定区域
研究者希望，以此研究为开端，今后在俯冲带流体运移的数值模拟研究上，应当考虑低维度流体的角色。此外，研究者在该研究过程中，使用的等温线和等压线热力学积分方法、非平衡分子动力学模拟手段等，预期可为同行研究者提供借鉴。
研究论文发表于JGR：Solid Earth。此研究获国家自然科学基金创新群体项目“矿物演化”（41921003）资助。
论文信息：Meng Chen* (陈锰), Runliang Zhu (朱润良), 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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