近几十年来板块构造理论的一项重要突破，是认识到大陆地壳可以发生深俯冲到大于80-120公里甚至超深俯冲到大于250-300公里的地幔深度并折返回地表。确定大陆地壳的最大俯冲-折返深度，对揭示地壳物质循环、壳幔相互作用、深部地幔动力学过程以及岩石圈演化具有重要意义。目前，以柯石英、金刚石等超高压变质矿物为标志的陆壳俯冲-折返深度已毋庸置疑。然而，对于某些特殊矿物显微出溶结构所指示的俯冲-折返深度，仍存在较大争议甚至怀疑，这主要是因为矿物出溶结构的成因具有复杂性和多解性，以及缺少相应矿物出溶高温高压实验研究的佐证。针对上述科学问题，西北大学地质学系刘良教授团队联合中国地质大学（武汉）王超副教授、徐海军副教授、章军锋教授以及美国加州大学Dobrzhinetskaya Larissa教授，以南阿尔金泥质片麻岩中观察到的先存斯石英出溶蓝晶石＋尖晶石的显微结构为参考，开展了系统的实验研究。实验首先在17 GPa（相当于地下约500公里深度）和1600℃的条件下合成了均匀的单相含铝斯石英（(Si0.97Al0.03)[O1.98Ov0.01(OH)0.01]，其中Ov代表氧空位）的多晶集合体为起始材料（图1），随后通过降压降温至10-2.5 GPa（相当于地下300-70公里深度）和1200-1300 ℃的条件进行了系列出溶实验，首次完整地重现了含铝斯石英出溶蓝晶石的显微结构的演化过程。

图1.在P=17 GPa，T=1600 ℃，t=48h条件下合成的含铝斯石英

实验结果表明：

（1）在斯石英稳定域，随着压力与温度降低，实验产物中除斯石英外，在其颗粒内部及边界处出现了棒状或粒状蓝晶石（图2a-b），同时斯石英中铝含量逐步降低，表明这些蓝晶石都是母体含铝斯石英的出溶产物；当压力降至柯石英和石英稳定域时（图2d-f），实验产物中柯石英和石英几乎都不含铝，即二者都不是出溶蓝晶石的母体矿物，说明其颗粒内部及粒间的蓝晶石都是继承自先期斯石英出溶的蓝晶石；

（2）溶解于斯石英中的铝以蓝晶石的形式分两个阶段完全出溶：第一阶段发生于斯石英稳定域内，伴随温压降低逐渐出溶；第二阶段发生于斯石英转变为柯石英期间，表现为一个“突变”的出溶过程；

（3）当降压降温穿过斯石英与柯石英转变线（9 GPa和1200 ℃）时，在远离电热偶的低温端可见斯石英与柯石英共存（图2b）。斯石英内部出溶的蓝晶石棒状体与柯石英中继承的蓝晶石棒状体在延长方向上连续且平行，进一步证实柯石英不仅继承了先期斯石英出溶的蓝晶石，而且这些蓝晶石出溶体仍然保留了早期斯石英出溶时的晶体取向（图2c）；

（4）实验产物的EBSD分析表明，棒状蓝晶石出溶体与斯石英之间存在一定的拓扑结构关系（图3），而粒状蓝晶石出溶体与斯石英之间则无明显拓扑结构关系（图4）。结合含铝斯石英的晶体化学特征分析，前者可能与母体矿物固溶体中Al3++ H+= Si4+的类质同象替代方式有关，而后者可能与氧空位存在时的2Al3++ Ov = 2Si4+（Ov代表氧空位）的类质同象替换相关。

图2.出溶实验中的显微出溶结构

图3.棒状蓝晶石出溶体与母体斯石英之间的拓扑结构关系

图4.粒状蓝晶石出溶体与母体斯石英之间不具有拓扑结构关系

该研究首次在实验室重现了天然岩石中观察到的矿物显微出溶结构，取得了以下三方面的突破性进展：

（1）突破了对拓扑取向关系的传统认知：实验证实，母体矿物固溶体的晶体结构缺陷（如氧空位）能够影响出溶体的结晶学取向及其形态。因此，出溶体与母体矿物之间特定的拓扑结构关系，应被视为识别矿物出溶结构的充分条件而非必要条件。这一认识为复杂出溶结构的成因识别提供了新依据。

（2）证实了天然样品观察研究的可靠性：实验研究为天然岩石中观察到的石英含有蓝晶石/尖晶石棒状体的成因提供了合理解释。研究进一步证实，南阿尔金泥质片麻岩中大量含蓝晶石与尖晶石棒状出溶体的石英，确为先期含Al3++Fe3+的斯石英出溶后的退变质产物，表明先期依据特殊矿物出溶结构等证据提出的关于陆壳岩石可超深俯冲至斯石英稳定域（>300km）的地幔深度并从该深度折返回地表的结论是可靠的。

（3）建立了新的判别标准：论证提出“具有明确溶解度实验和出溶实验数据支撑的矿物出溶结构”，如同柯石英、金刚石等特征矿物一样，可作为识别超高压变质或超深俯冲事件的可靠标志。

这项研究不仅为解决矿物出溶结构成因的长期争议提供了关键实验约束，也为准确重建大陆地壳俯冲深度、揭示地球深部物质循环机制等重大地球科学问题的深入探究奠定了坚实的实验基础。

该研究成果发表于国际权威学术期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》。研究受国家自然科学基金重点项目（42030307）资助。论文第一单位为西北大学地质学系，第一作者为李鑫博士(西北大学地质学系，已毕业)，通讯作者为西北大学刘良教授。

论文信息：Li, X., Wang, C., Liu, L*., Kang, L., Xu, H.J., Zhang, J.F., Gai, Y.S., Ma, T., Yang, W.Q., Liao, X.Y., Dobrzhinetskaya, L. (2025). Kyanite exsolution from aluminiferous stishovite in laboratory experiments: New insights into continental ultra-deep subduction. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 130, e2025JB031612.

原文链接：https://doi.org/10.1029/2025JB031612