高压高温实验流体中硫挥发物种分析新方法：开启地球深部硫循环研究新视野

在地质研究中，探究含硫化学体系的固 - 液平衡面临诸多难题，如维持流体成分、分析极低含量合成流体等。研究人员开发了测量高压高温（3GPa、700°C）实验中痕量硫挥发物种（H2S 和 SO2）的方法，该方法可靠，有助于深入研究硫行为及地质过程。

　　在地球这个神秘的 “大熔炉” 里，各种元素不断进行着复杂的循环和反应。挥发性元素，像碳和硫，在塑造地球长期的物质组成、调节气候以及影响生命演化等方面，都发挥着至关重要的作用。其中，硫元素因其在不同氧化还原状态下多样的化学形态，成为地质化学研究中的焦点。然而，要想深入了解硫在地质流体中的行为和形态变化，却困难重重。

在实验室模拟地球深部环境，研究含硫（SOH）的水溶液流体时，研究人员遭遇了诸多挑战。一方面，生成的流体体积微小，要想对其中的硫挥发物种进行精确测量，犹如在茫茫大海里捞针；另一方面，硫的化学性质活泼，极容易与其他物质发生反应，这使得合成流体的原始化学成分难以稳定保存，从而影响测量的准确性。此前，对于实验流体中 H₂S 的检测，仅仅停留在通过其独特的 “臭鸡蛋” 气味进行定性判断，根本无法实现定量分析。这些问题严重阻碍了人们对地球深部硫循环以及相关地质过程的深入理解。

为了突破这些困境，来自意大利米兰大学地球科学系（Dipartimento di Scienze Della Terra, Universita Degli Studi di Milano）和因苏布里亚大学科学与高技术系（Dipartimento di Scienza e Alta Tecnologia, Universita degli Studi dell’Insubria）的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们致力于开发一种创新的分析方法，用于测量在 3GPa 和 700°C 高压高温实验条件下产生的极微量硫挥发物种（H₂S 和 SO₂）。

研究人员采用固体硫化物（FeS + FeS₂）和水作为反应物，利用活塞圆筒装置，通过氧化还原控制合成了 SOH 流体。实验过程中，他们运用了 “双胶囊技术”，巧妙地避免了样品与缓冲组合之间的直接接触。同时，为了探究不同氧化还原条件下的流体组成，研究人员分别使用了铁 - 方铁矿（IW）和铁橄榄石 - 磁铁矿 - 石英（FMQ）作为氧化还原缓冲剂。

实验结束后，研究人员使用四极杆质谱法（QMS）对合成的流体进行了精确分析。通过对比实验数据和热力学模型预测结果，他们发现，在还原条件下进行的实验（如 SOH-IW1 和 SOH-IW2）中，黄铁矿会逐渐消耗并转化为磁黄铁矿，这与热力学预测高度吻合；而在 FMQ 缓冲的实验（SOH-FMQ1）中，黄铁矿 / 磁黄铁矿的初始比例基本保持不变。

在对实验结果的进一步分析中，研究人员还发现，实验运行时间对实验结果有着显著影响。运行时间超过 5 小时，生成的 H₂S 可能会削弱内胶囊，导致在淬火过程中流体损失。此外，实验数据与热力学模型的一致性表明，该研究提出的分析方法能够有效保持流体的整体成分，实现对硫挥发物种的快速、高精度分析。

这项研究成果意义重大。它为含硫化学体系的实验研究树立了新的标杆，为深入探索复杂地质环境中硫物种的行为提供了有力的工具。通过该方法，研究人员可以更全面地研究硫在俯冲带等地质环境中的行为，进一步了解硫与氧化还原敏感元素（如过渡金属）的相互作用，这对于揭示地球深部过程、理解挥发性元素循环和岩浆氧化作用具有重要的推动作用。同时，该研究成果还有助于评估更复杂热力学系统中的化学平衡和状态关系，为相关的技术应用提供理论支持。

该研究主要运用了以下关键技术方法：一是采用 “双胶囊技术” 合成 SOH 流体，通过内外两层金胶囊，分别装入反应物质和氧化还原缓冲剂，确保反应在特定的氧化还原条件下进行；二是利用活塞圆筒装置模拟 3GPa 和 700°C 的高压高温环境，为实验提供所需的物理条件；三是运用四极杆质谱法对实验生成的流体进行定量分析，精确测定其中 H₂S、SO₂等挥发性物种的含量。

结果与讨论

1. 实验运行时间的影响：研究发现，实验运行时间对胶囊的耐受性和实验结果有着关键影响。例如，SOH-IW1 运行 6 小时，SOH-IW2 运行 5 小时，在其他条件相同的情况下，SOH-IW1 实验中生成的 H₂S 因扩散而损失，导致其含量低于 SOH-IW2 实验。同时，运行时间过长可能会使内胶囊因 H₂S 的作用而变弱，引发淬火过程中的流体损失。
2. 流体成分与热力学模型的对比：通过对实验合成流体的分析，研究人员发现，SOH-IW2 实验合成的流体整体成分与热力学模型预测结果几乎一致，但化学形态存在一定偏差。这可能是由于实验结束时温度下降引发了流体的逆向反应，改变了高温高压条件下流体的原始形态。而 SOH-FMQ1 实验生成的流体由纯 H₂O 组成，其整体成分也与热力学模型预测相符，这表明该实验方法能够有效保持流体的整体成分，验证了该方法的可靠性。
3. 温度和压力对反应动力学的影响：一系列在不同压力和温度条件下进行的额外实验表明，温度是影响 H₂S 生成反应动力学的关键因素，而压力的影响相对较小。这一发现意味着，尽管该实验方法是针对 3GPa 和 700°C 条件优化的，但有望在更广泛的压力和温度范围内进行有效应用。

研究结论

该研究成功开发了一种可靠的实验方法，用于合成和分析在 3GPa 和 700°C 高压高温以及可控氧化还原状态下产生的极微量含硫挥发性物种。该方法能够严格保持流体的整体成分，并与化学平衡的热力学模型相验证，确保了对生成流体中硫挥发物种的快速、高精度分析。这一成果为含硫化学体系的实验研究开辟了新的道路，有助于深入研究复杂地质环境中硫物种的行为，尤其是在俯冲带环境下。未来，研究人员可以基于此方法，进一步探究在固定压力、温度和氧化还原条件下硫的行为，明确主要的硫物种，研究硫物种与氧化还原敏感元素的相互作用，从而为理解地球深部过程、挥发性元素循环和岩浆氧化作用提供更深入的见解。