Pressure-induced desalting of NaCl-bearing ice VII: A compositional filter in water-rich planets

在像欧罗巴（木卫二）和恩克拉多斯（土卫二）这样拥有冰壳的卫星深处，或者在绕行遥远恒星的广袤富水世界内部，存在着一层极其厚实的冻结水层，其底部的压力比海平面大气压高出数百万倍。在这些极具压力的深处，水的行为并不像我们在冬季湖泊中所熟知的冰那样。相反，它会转化为一种被称为冰 VII 的致密晶体固体，这种形式的水即使在远高于地表水沸点的温度下也能保持固体状态。几十年来，行星科学家一直基于一个简单的假设来研究当盐溶解在这些深海中时会发生什么：即当水冻结成这种高压冰时，盐会被排出，被晶体结构拒之门外，并留在上方的液态海洋中。这一观点塑造了我们对这些世界如何构建、其内部如何运动以及其隐藏的海洋是否能支持生命的理解。如果盐无法进入深层冰层，那么海洋将保持咸度，而冰壳则保持纯净，从而产生一种驱动行星内部电流的特定密度分层。

然而，一项新的研究通过揭示在特定条件下，盐并不一定要被留下，从而挑战了这一长期以来的观点。研究人员发现，当含盐溶液在快速冻结并随后在巨大压力下被挤压时，生成的冰可以在其晶体结构内捕获大量的盐。这一发现表明，水含量丰富的行星其深层内部可能比此前认为的要复杂得多，咸冰可以作为一个隐藏的储库，改变热量和物质在这些世界中的移动方式。该研究侧重于氯化钠——即地球海洋中常见的食盐——并证明它可以成为冰本身的一个组成部分，而不仅仅是位于晶体之间的杂质。

由来自欧洲各机构的研究人员领导的团队，旨在测试当盐承受深层冰卫星内部所发现的极端条件时会发生什么。他们首先使用了一种浓度很高的盐水溶液，类似于地球海洋中的卤水，但浓度要高得多。他们并没有简单地缓慢冻结这种混合物（因为这自然会把盐排出），而是使用了一种称为“淬火压缩”（quench-and-compress）的技术。首先，他们极快地冷却液体，使其变成一种无序的类玻璃状固体，而不形成任何晶体。然后，在保持样本冻结的状态下，他们将其放入一个能够产生远高于地球表面压力的装置中。当他们挤压这种非晶态的、玻璃状的盐水混合物时，他们又将其回温至室温。这种特定的路径——快速冻结，然后挤压——使得盐离子能在晶体有机会将其排斥出来之前，就被困在形成的冰结构内部。

当研究人员使用强大的 X 射线束和中子散射检查所得材料时，他们发现了意想不到的结果。生成的冰并非标准的纯净冰 VII，而是一种包含了盐的扩展版本晶体。盐离子（钠和氯）取代了冰晶格中的水分子，创造了一种盐分直接编织进冰之织物中的固溶体。这种新形式的冰，其晶胞（即晶体基本的重复构建单元）比纯净的冰 VII 大了约 8.5%。该结构具有高度的无序性，盐离子导致周围的水分子发生扭转和重新定向，以适应这些外来原子。至关重要的是，没有发现独立的盐晶体或盐水合物；盐已完全整合到了冰之中。

研究人员随后测试了这种咸冰的稳定性究竟如何。他们通过在保持温度不变的情况下缓慢降低样本的压力进行测试。在大约 5.1 吉帕斯卡尔（GPa）的压力下，发生了剧烈的变化。这种咸的、扩张的冰突然排出了盐，盐结晶成了独立的固体盐颗粒。冰恢复了其纯净形态，而盐则作为一种独特的矿物被留了下来。当他们再次尝试挤压样本以重建这种咸冰时，情况并未发生。盐保持分离状态，拒绝重新进入冰结构。这表明，这种咸冰的形成并非一个简单的、自动发生的、在高压下即可实现的逆向过程。相反，它完全取决于材料的形成历史：只有当盐在结晶前处于无序状态时，它才会形成。一旦盐被排出，就很难再被强行压入其中。

这一发现对于我们理解富水行星的内部结构具有深远意义。由于咸冰的密度低于纯冰与独立盐晶体的混合物，因此它更容易在行星的深层地幔中向上漂浮。这意味着咸冰可以随着行星内部缓慢的翻腾运动向上移动，将盐从深层岩石界面输送到表面海洋。然而，当这种咸冰上升且压力下降时，它最终会达到 5.1 吉帕斯卡尔的临界阈值。在此点，冰会释放其盐分，而盐由于比周围的冰密度大，将会沉降回去。这个过程起到了过滤器的作用，允许部分盐向上移动，但会将大部分盐拦截在特定深度。

研究表明，这些卫星和系外行星的地下海洋的化学成分可能会受到这种压力诱导过滤器的控制。如果深层冰能够保留盐，那么上方的海洋可能比模型预测的要淡一些。反之，如果冰在特定深度释放盐，它可能会创造出一个致密的、咸的物质层，从而抑制进一步的混合。研究人员指出，虽然他们的实验使用了极高的盐浓度以使效果清晰可见，但该原理很可能也适用于自然界中更稀薄的卤水，尽管这种过滤效应的具体深度将取决于每个世界的特定温度和盐度水平。通过展示冰 VII 在特定条件下可以作为盐的宿主，这项研究迫使人们重新思考这些太阳系中最神秘的世界中化学元素是如何移动的。深层冰不仅仅是一个被动的、排除盐的屏障；它是一个动态的参与者，参与着这些行星的化学演化，能够以此前无法想象的方式捕捉、运输并释放盐分。