1.研究背景：静岩压力的范式研究
在地球科学中，岩石的深度是地球内部物理环境的核心参数之一。为了确定古老岩石曾经的埋藏深度，科学家通常假设岩石内部的压力等于其上覆岩层总重量造成的压力（即“静岩压力”）。因此，如果上覆岩层的密度可以确定，那么岩石的埋藏深度可以唯一确定。这一假设被广泛用于探究岩石的深度和构造历史，尤其是矿物记录的压力，通常转换为埋藏或者俯冲深度，帮助人们理解山脉的形成与演化。然而，也有研究提出，岩石内部的流体压力可能因快速脱水反应、短暂加热或构造差异应力而显著超过静岩压力，这种现象称为“流体超压”，就像岩石中的‘高压锅’一样。这种流体超压被广泛用于解释火山喷发、地震和成矿的触发机制，甚至被认为是影响板块边界应力分布的重要因素。
2.科学问题：脱水反应引发流体超压
理论上，当低渗透性岩石（如泥质变质岩）经历快速脱水反应时，释放的流体若无法及时排出，可能积累形成流体超压，但是自然界中直接记录流体超压的证据极为罕见。此外，这种超压能持续多久、强度有多大，不同的理论计算和实验模拟给出的结果相差好几个数量级。
3.研究难点、关键技术和研究对象
前人研究主要顺利获得实验和数值模拟推测流体超压现象，但自然岩石记录的缺失成为关键瓶颈。原因有二：其一，流体超压事件极为短暂（数百年），很难被常用的同位素年代学所刻画；其二，岩石的变形和重结晶会抹去这些短暂的证据。因此，如何从岩石中捕捉“瞬间”的超压信号，成为解决这一难题的关键。
扩散年代学是近几年蓬勃开展的相对定年技术，尤其是石榴子石元素扩散有大量的实验数据，使得石榴子石扩散年代学成为识别短暂地质过程的有效新方法。基于课题组最新开发的扩散年代学计算软件DIFFUSUP（http://www.diffusup.org/），识别瞬间的流体超压成为可能。
中国科研实验室地质与地球物理研究所翟明国院士带领的研究团队，选择朝鲜北部的前寒武纪变质泥质岩（Jungsan群）为研究对象。这些岩石是研究流体超压的绝佳对象。该岩石经历古元古代（18.5亿年）构造事件，变得致密且含有富水矿物，如绿泥石、白云母等，并在白垩纪约1.1亿年被安山质-花岗质斑岩侵入体加热，引发岩石脱水反应，岩石出现网脉状的水致压裂，部分填充长石-石英（图1）。这期变质脱水反应在岩石内形成 ‘脉状’成分环带的石榴子石和独居石，且石榴子石富含大量流体，是确定温压条件和时代的理想对象（图2）。
图1 朝鲜Jungsan群古元古代变质泥质岩及周围1.1亿年（白垩纪）安山-花岗质斑岩侵入体
图2 Jungsan群变质泥质岩中石榴子石和独居石的元素面扫，晶格水含量和矿物包裹体
4.新发现：矿物中的“高压密码”
（1）岩石学与年代学分析：脉状独居石、石榴子石及其金红石包裹体U-Pb年代学揭示，该脉状石榴子石形成于ca. 110 百万年，与周围斑岩侵入体年龄完全一致（图3）。温压计算表明，脉状石榴子石形成的P-T条件为0.75‒0.85 GPa，600‒640 °C（图4a‒图4b），但周围斑岩的侵位P-T条件为0.1‒0.3 GPa，700‒760 °C（图4a中的插图）。石榴子石扩散年代学表明，脉状石榴子石的形成时间非常短暂，在100–300年以内（图4c）。相邻岩石之间这么短暂的巨大压力差，很难用传统的基于静岩压力的地质过程解释，比如岩体侵位或者俯冲-碰撞造成的快速埋藏-抬升等。这一矛盾表明，这些岩石之间的短暂压力差可能并非完全来自静岩压力，而是至少部分由脱水反应引发的流体超压，并被石榴子石记录。
图3 变质泥质岩中锆石、独居石、石榴子石及其金红石包裹体U-Pb年代学
图4 （a） 脉状石榴子石形成P-T条件及周围同时代斑岩侵位P-T条件；（b） 脉状石榴子石中的石英包裹体压力；（c） 石榴子石扩散年代学，脉状石榴子石在100‒300年内形成
（2） 流体超压模拟：为了进一步验证快速变质反应脱水形成流体超压在物理化学上的可能性，他们召开了基于野外观测的流体超压热力学数值模拟。数值模拟显示，当低渗透性变质岩被快速加热时，脱水释放的流体在封闭空间中积累，可在数百年内形成高于0.45 GPa的局部超压（相当于地壳中额外叠加十几公里岩石的重量；图5），可以很好地解释观察到的变质泥质岩和周围斑岩之间短暂的压力差。
图5 流体超压热力学数值模拟
5. 科学意义：挑战静岩压力范式，重估造山带演化，揭示地震机制
（1） 挑战静岩压力范式：石榴子石是记录P-T条件，确定岩石深度的最重要矿物之一。本研究表明，快速的脱水反应和石榴子石的形成可以记录瞬时的流体超压，该压力如果假设为静岩压力，将高估实际岩石的埋深。类似的，在热液矿床中，岩浆脱水或围岩的快速加热可引发流体超压，导致水致压裂并形成矿脉。若仅基于静岩压力估算矿化深度，可能显著高估实际成矿环境，进而影响矿床勘探模型的构建。
（2） 重估造山带的演化：本研究表明，叠加变质作用是形成流体超压的有利条件。全球许多年轻造山带是在老的造山带基础之上形成的，而且全球不少造山带中，比如Sifnos、Alpine、Tianshan、Almagro和Franciscan造山带中，脉状成分环带的石榴子石均有发育。因此，类似的流体超压事件可能相当普遍，由此造成的埋深错估可能需要重新评估，避免误判构造过程。
（3） 地震与流体超压的关联：本研究揭示，岩体侵位造成的快速脱水反应可以形成短暂的流体超压和大量的水致压裂。流体超压的快速积累与释放可能触发脆性破裂和低频震颤，为理解俯冲带地震机制给予新视角。
6. 结语
地球岩石可以如同一个个“高压锅”，短暂却剧烈的脱水反应在其中掀起压力的风暴。该研究首次在自然岩石中捕捉到流体超压的“瞬间”，为解读地球深部的躁动打开了新的窗口。
研究成果发表于国际学术期刊CEE （邹屹, 初旭, Ross N. Mitchell, 李秋立, 赵磊, 唐燕文, 郭敬辉, 翟明国. Dehydration-induced supralithostatic fluid overpressure in metapelites from Northern Korea. Communications Earth & Environment, 2025, 6: 130. DOI: 10.1038/s43247-025-02125-3.）。研究受国家自然科学基金项目（42220104008、42250202）和国家重点研发项目 （2023YFF0803802） 联合资助。
