近日，地球化学领域的研究者们通过实验首次明确展示了矿物磷灰石中的变形过程如何影响氦的扩散行为。这一发现对利用磷灰石(U-Th)/He热年代学技术推断岩石低温热演化历史具有重大意义。传统上，该技术常受矿物内部结构缺陷如晶粒大小分布、放射性元素分布以及辐射损伤等因素的影响，出现同一岩石样品的年龄测定结果散布较大，制约精确热史恢复。此次研究通过对一系列人工变形的Durango磷灰石单晶体进行压缩和扭转实验，结合电子显微镜表征和分步加热氦释放实验，揭示了变形诱导的晶格缺陷如何影响氦的扩散动力学。

图1展示了PT1547实验中扭转变形导致的Durango磷灰石损伤。(a,b)为电子背散射衍射（EBSD）晶格错位图，(c)为扩散实验中退气的两块样品的线扫描。(d,e)为用0.5 M硝酸蚀刻10–20秒后获得的反射光图像，箭头标示了(d)蚀刻的位错和(e)蚀刻的子晶界。(d)中明亮的位错与蚀刻表面亚平行。(a,d)显示了用于图3和图4扩散实验的样品片，(b,e)则为图S-5重复实验用样品片。样品片的晶体方位影响观察到的晶格错位程度及子晶界的出现概率（详见图S-1）。PT1547变形材料的更多EBSD数据亦有展示。

研究团队利用高温高压条件下的压缩和扭转变形，分别生成了不同性质和密度的晶格缺陷。压缩变形样品中主要形成较为均匀分布的位错，表现为微弱的晶格翘曲和“虎纹带”微结构特征，其氦释放曲线呈现单峰释放特征，接近未变形的Durango磷灰石行为。而高应力扭转变形样品则产生了更高密度的位错和可观察到的子晶界结构，这些复杂缺陷显著调整了氦的扩散路径，导致多峰次的氦释放曲线。这种多峰释放正如自然样品中的部分复杂表现，说明变形过程中形成的晶格缺陷能显著影响氦的保留和释放行为。

图2.展示了对Durango磷灰石碎片进行的分步加热实验，样品包括(a, b)受压缩变形（PI2014）和(c, d)受扭转变形（PT1547）的碎片，以及未变形未退火的Durango磷灰石（DUR-A-1）作为对比。(a, c)显示了3He和4He随温度变化的释放比例。(b, d)则绘制了每步测得的4He/3He比值相对于总累计4He/3He比值（Rstep/Rbulk）并带有1σ误差，以累计3He释放量为横轴。

通过将变形后的晶体粉碎并利用质子轰击引入均匀的3He，研究人员进行了细致的氦扩散动力学实验。结果显示，未变形样品的氦扩散特征与经典Durango磷灰石模型一致，但扭转变形样品则显现出更为复杂的扩散行为和明显分阶段的氦释放模式。具体而言，扭转样品中部分氦原子扩散速度更快，部分则因位错和子晶边界成为扩散陷阱而显著减缓扩散速率。这表明变形结构不仅作为扩散障碍，还可能作为氦汇，导致地质样品中(U-Th)/He年龄的过度分散现象。

图3.为质子诱导的3He在(a) DUR-A-1、(b) PI2014和(c) PT1547中的扩散阿伦尼乌斯图，图中数据与Farley（2000）报道的Durango磷灰石氦扩散动力学进行了对比，所有数据均按各碎片的等效球半径进行了尺度调整。实线为对实心数据点的拟合曲线。若不显现，则ln(D/a²)值的不确定度小于绘制的符号大小。

这一研究成果首次从实验室尺度生动重现了自然环境中磷灰石晶体因构造变形引起的复杂氦扩散现象，为今后利用(U-Th)/He热年代学解析地质热史提供了重要的微观物理机制依据。团队指出，未来对不同类型变形机制和晶格缺陷的系统性研究，将进一步完善氦扩散模型，提升热年代学对构造地质过程和地貌演化历史的敏感性和准确度。该论文由M.M. Tremblay等人发表在2025年7月8日的《Geochemical Perspectives Letters》上，标志着地球材料物理化学领域中的一大进展。