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郭继业,March 25, 2022
Magmatic water content controls the pre-eruptive depth of arc magmas
科学问题：研究岩浆在喷发前的储存区域是理解火山活动并进行火山预报的重要组成。但我们对于岩浆储存深度相关的了解仍不清晰。岩浆中的水组分可以通过影响岩浆粘度、密度，影响岩浆迁移；同时也间接控制了岩浆温度进而影响粘度，导致岩浆无法进一步上涌喷发促使岩浆房的形成。但该过程中水的具体影响尚有待研究，是否存在全球的岛弧，洋脊岩浆活动中广泛存在尚未明确。
研究对象：岛弧岩浆的储存深度与岩浆水含量
研究目的：提高对观测到的岩浆储存深度存在原因的理解。
研究方法：
地球物理方法:综合文献中的112个火山岩浆储存深度
地球化学方法：熔体包裹体中的岩浆水含量；水饱和线（计算熔体包裹体与纯水蒸汽饱和的压力，并用密度模型转化压力为深度）
重要的发现：
1. 岩浆含水量与岩浆储存深度之间存在显著关系，且落在水饱和线上。
2. 岩浆水含量控制着储存深度（因为母岩浆中水含量与非挥发分元素比指数如Nb/Ce， Ba/La之间的强关联未受到去气，扩散等作用的改造）而非储存深度控制着岩浆水含量。
3. 岩浆储存深度比基于开放体系的地壳密度模型-岩浆熔融模型估算得到的中性浮力区（约2km）更深。随岩浆抬升，其粘度提高速率减缓的区域即为岩浆储存深度，证明岩浆粘度是储存深度的主要控制因素。
（想法：地球物理的深度数据和地球化学样品之间的关联不是很强，只能定性推断两种方法计算得来的岩浆储存深度具有相似的区间，似乎依然很难摆脱水含量与基于水含量的地球化学深度参数“自我循环论证”的潜在可能性。）
潜在的研究交集：
对于岩浆含水量-密度关系（事实上这不是这篇文章的重点。水的密度比岩浆熔体轻所以大概率混溶后的密度会更低也属常理）：
对于含水岩浆体系，第一性原理计算方法往往只能计算小于300个原子以及150ps以内的分子动力学模拟。而采用基于经验公式以及经典牛顿力学，库伦作用的forcefield方法可以进行数十万原子，至多100ns的分子动力学模拟。由于并不关注能量以及化学反应，电子结构变化等，forcefield方法的最大缺陷也被避免。因此可以用该方法比较方便的研究不同温度下含水岩浆的性质，如密度，粘度等。
(Dufils等 2017; Dufils, Sator和Guillot 2018)开发了针对硅酸岩熔体的的经典分子动力学的forcefield方法，且其结果可以与实验以及第一性原理计算方法相对照。(Dufils, Sator和Guillot 2020)使得该方法考虑了水的水解作用，并针对1000-2000原子体系的morb, andesite，rhyolite，kimberlite, peridotite的各种性质如粘度，密度，水饱和度在不同温度（高于1673k以确保在20ns的时间里达到平衡），压力条件下的影响。结果表明，在0.5GPa(15km深度)条件下，熔体的摩尔体积与水的含量呈线性关系，因此属于理想溶液的混合（两种液体混合后的体积等于两者简单加和）。且熔体粘性随水含量增多而下降。因此组会上讨论的岩浆含水量-密度关系，粘度关系，在该文章中已有比较完善的解答。进一步采取第一性原理计算的方法也许依然有意义，但现有的经典的分子动力学方法提供的证据已经相当程度上回答了这一问题。
Partial molar volume of water at 0.5 GPa in hydrous silicate melts as function of temperature.(Dufils等 2020)
Dufils, Thomas, Nicolas Folliet, Boris Mantisi, Nicolas Sator和Bertrand Guillot. 2017. 《Properties of Magmatic Liquids by Molecular Dynamics Simulation: The Example of a MORB Melt》. Chemical Geology 461:34–46. doi: 10.1016/j.chemgeo.2016.06.030.
Dufils, Thomas, Nicolas Sator和Bertrand Guillot. 2018. 《Properties of Planetary Silicate Melts by Molecular Dynamics Simulation》. Chemical Geology 493:298–315. doi: 10.1016/j.chemgeo.2018.06.003.
Dufils, Thomas, Nicolas Sator和Bertrand Guillot. 2020. 《A Comprehensive Molecular Dynamics Simulation Study of Hydrous Magmatic Liquids》. Chemical Geology 533:119300. doi: 10.1016/j.chemgeo.2019.119300.