硅酸盐液相不混溶（silicate liquid immiscibility，SLI）指的是两种成分不同的硅酸盐熔体的分离现象。自从在Apollo月球样品中首次观察到自然样品中不混溶现象以来，SLI被认为是铁质玄武质岩浆演化晚期阶段重要的事件，并在某些特殊种类矿床形成过程中扮演重要角色。近日，澳门科技大学研究团队联合中国地质大学（北京）以及比利时鲁汶天主教大学研究团队，在矿物学权威期刊American Mineralogist上报道了嫦娥5号玄武岩中的稳态和亚稳态硅酸盐液态不混溶现象。
宏观层面上，在岩浆系统演化过程中，依照能量最低原理，当分离熔体的总吉布斯自由能小于未分离前均一熔体的吉布斯自由能时，熔体会进行不混溶过程。以玄武质岩浆系统为例，在温度与熔体成分的关系图中（图1），不混溶发生的温度-成分范围由两条曲线定义，即双节线（binodal curve）和旋节线（spinodal curve）。旋节线是由总吉布斯自由能的二阶导数为零的分离熔体成分和温度所界定。对于旋节线内部的均匀熔体，熔体成分的任何微小波动都会导致其吉布斯自由能的下降，从而导致熔体自发地（spontaneously）发生相分离，此种不混溶称为稳态不混溶（stable SLI）。与之对比，双节线上的点所对应熔体的吉布斯自由能的一阶导数为零且二阶导数为正数。在双态曲线和旋态曲线之间的区域，熔体成分的微小波动会导致体系总吉布斯自由能的小幅增加。为了平衡能量的增加，熔体需要通过晶核形成和生长的方式分离出一个与参与熔体成分显著不同的相，此类不混溶被称为亚稳态不混溶（metastable SLI）。
图1 硅酸盐液相不混溶能量结点示意图
在玄武质岩浆演化过程中，稳态SLI主要发生在岩浆演化晚期，在经历了高程度的结晶过程后，粒间熔体更容易演化至旋节线内部，产生的两种熔体主要为富Fe熔体和富Si熔体。由于稳态不混溶发生在液相线以上，因此分离的岩浆可以进一步经历结晶分异过程，例如富Fe熔体中可以结晶出铁橄榄石；此外，由于相分离过程中，磷和稀土元素更倾向进入富Fe熔体中，因此在富Fe相中也会出现磷灰石等磷酸盐矿物。与之对应，富Si熔体中主要富集Si、K等元素，产物主要为富Si-K的玻璃相或者石英+钾长石的矿物组合。
亚稳态不混溶，由于主要通过晶核形成与生长的方式，两相分离的程度并不高，且整个体系的能量状态极易受外部环境影响，导致自然样品中亚稳态SLI事件不能被较好的保留。典型的亚稳态SLI的结构是乳化结构，即富Fe或Si熔体，以纳米尺度的球体弥散在对应的分离相中。
研究团队通过高分辨成像技术嫦娥五号月球玄武岩样品中识别出了稳态和亚稳态SLI微结构。其中，稳态不混溶主要以筛网和迷宫结构产出（图2），其中高硅玻璃相与铁橄榄石相互交织，形成复杂的纹理，这些结构在月球样品中较为普遍，以往在Apollo和Luna样品及嫦娥五号撞击碎屑中均有报道。亚稳态不混溶现象表现为为晚期长石边部包裹着大量球状富Si熔体（图3）。这些富Si熔体主要有以下特点：（1）内部弥散纳米尺度富Fe液滴，这些富Fe液滴通过奥斯特瓦尔德熟化（Ostwald ripening）方式增大。（2）与稳态SLI产生的富Si熔体相比，亚稳态中富Si熔体几乎不含钾元素，且SiO2极高（可达97 wt. %）。
图2 嫦娥5号玄武岩典型不混溶结构
图3 斜长石边部富Si熔体包裹体 （浅色：富Si相；深色：富Fe相）
针对这些现象，研究团队进一步解析了嫦娥五号玄武岩晚期演化的过程（图4）：在不混溶发生前，嫦娥五号玄武质岩浆经历了大规模的结晶分异过程，使得粒间熔体的成分演化至双节线与旋节线之间，并经历亚稳态不互溶过程。在此阶段在SLI阶段，富Si相熔体（Lsi1）富Fe相熔体（Lfe1）发生相分离，前者被生长中的斜长石捕获为熔体包裹体，而后者（Lfe1）继续演化，直至进入旋节线内部，并发生稳态不混溶过程，形成相互交织的富Fe相（Lfe2）和富Si（Lsi2）相熔体；其中稳态不混溶产生的富Fe相熔体（Lfe2）叫亚稳态SLI产生的Lfe1含更高的FeO含量，而相应的富Si相（Lsi2）则具有比Lsi1更低的SiO2含量。
图4 嫦娥5号玄武岩不混溶过程示意图
该研究从嫦娥五号样品中观察到的亚稳态SLI显微结构，在自然样品中属首次报道。亚稳态不混溶可能在嫦娥五号玄武岩的晚期演化过程中发挥了重要作用。首先，亚稳态不混溶过程中，富Si熔体的出溶以及并被造岩矿物捕获，会降低残余熔体的粘度，从而影响玄武岩熔浆喷发以及喷发后的溢流行为。其次，亚稳态不混溶会改变月球铁质玄武岩的演化路径，并形成具有不同成分的矿物相，在一定程度上会增加月球岩石类型的多样性。此外，如果考虑整个月球岩浆洋的结晶固化过程，亚稳态不混溶对岩浆洋晚期富含KREEP组分的形成可能具有一定影响，这需要开展实验岩石学以及对返回样品的进一步研究。
该项研究成果发表在《American Mineralogist》上，澳门科技大学的助理教授金子梁为论文的第一作者和通讯作者，中国地质大学（北京）侯通教授为共同通讯作者，其他合作者还包括澳门科技大学祝梦华教授，美国莱斯大学张苡慎博士和比利时鲁汶天主教大学Olivier Namur教授。论文受到了自然科学基金项目（42204036及42372058）以及澳门科技发展基金（0067/2021/A及0018/2022/ITP）资助。诚挚感谢中国国家航天局提供嫦娥五号样品。
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