石油是现代工业的“血液”，流体是古今地球的“血液”。地质流体在地球内部物质迁移、元素循环、岩石变质、矿床形成、生命演化等过程中发挥至关重要的作用，其研究主要依赖于赋存在矿物中的流体包裹体。传统观点认为，矿物中的流体包裹体或者由矿物生长时捕获共生流体而形成，或者由晚期外来流体通过矿物裂隙渗入而导致。最近，地空学院刘曦研究员与合作者在著名地质学杂志Geology上发表科研成果，揭示了一种新的矿物流体包裹体形成机制。

在地球内部，水主要以羟基（OH⁻）的形式赋存于硅酸盐矿物的晶体结构中。由于其溶解度会随温度、压力和化学组成等条件变化而变化，它可以频繁进入或离开这些矿物。对于这些羟基究竟以何种形式离开矿物晶格、是否可以演化为分子水（H₂O）乃至流体，至今缺乏清晰的认识。近日，北京大学地球与空间科学学院刘曦研究员、海底科学与划界全国重点实验室严薇博士等、浙江大学地球科学学院杨燕教授、北京高压科学研究中心张莉研究员、中科院海洋所孙卫东研究员等，通过原位高温红外光谱实验结合透射电子显微镜观测，发现了柯石英中结构羟基向分子水转化、形成纳米尺度气态H₂O分子团簇、离开柯石英晶体结构的现象，提出了一种崭新的矿物流体包裹体形成机制，为认识地球内部流体的起源与演化提供了新的视角。

研究团队以含羟基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与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），研究团队认为该吸收带最可能对应于弱氢键作用下的分子水，推测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。进一步的透射电子显微镜观察显示，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则未发现类似现象。综合光谱和显微结构证据，研究团队提出：当矿物中的羟基超过其溶解度时，OH⁻可以从晶体结构中释放并形成气态纳米H₂O分子团簇，同时产生纳米裂纹；随着过程持续，这些纳米水团簇可能沿纳米裂纹迁移、汇聚，逐步形成纳米气泡、微米气泡，乃至最终演化为宏观的流体包裹体。与此同时，纳米裂纹可能彼此联通、逐渐扩展并演化为晶界，或在后期重结晶过程中被愈合。

这一流体包裹体形成新机制意味着，含羟基矿物本身可能就是流体的“源区”，其中流体包裹体并不一定与宏观、自由流体密切相关。由于物理-化学环境改变，硅酸盐矿物可以通过脱羟基过程而形成纳米、微米、甚至更大尺度的含水流体包裹体。这一认识为解释一些天然矿物中异常的氢、氧同位素组成及其流体包裹体的成因提供了新的路径，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。

本研究得到国家自然科学基金（42502045及42373034）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,  .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