冰是组成地球的冰川与极地冰盖、火星的极地冰盖以及太阳系许多天体表层冰壳的主要物质。在这些冰体中，人们已经发现了许多地质活动。在地球上，这些活动受到气候变化的影响，反过来可能会影响未来人类的生存与发展。在冰卫星和矮行星上，冰的地质活动与冰壳的内部运动学有关。因此，不论是研究地球上还是行星上的冰，重点都要研究冰是如何运动的，即冰的流变学。

在对晶粒尺寸敏感的流变机制中，冰的晶粒尺寸对冰体的机械特性具有重要影响。晶粒尺寸在变形过程中并非恒定，而是晶粒生长所导致的晶粒尺寸增大过程和动态重结晶所导致的晶粒尺寸减小过程之间的动态平衡的结果。这里需要关注的是晶粒生长过程。过去的实验表明，冰中的晶粒生长速率受到第二相（如气泡和不可溶杂质）的阻碍。此外，天然冰中还存在各种可溶性杂质，但对可溶性杂质对冰晶生长影响的实验研究却相对较少。

为了深入理解可溶性杂质对冰的晶粒生长机制的影响，中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室的行星物理学科组博士研究生王钦宇和导师綦超副研究员，以及新西兰奥塔哥大学的范绳博士，开展了一项关于掺杂了不同浓度（10^-5~10^-2 mol L^-1）的可溶性杂质（KCl和MgSO₄）的冰样品的低温静水压晶粒生长实验。在一系列温度条件下（-5、-10、-15和-20℃），利用在冰物理实验室搭建的低温光学显微镜，结合机器学习的晶界识别方法，对冰的晶粒尺寸进行了分析。研究的目的是计算掺杂不同浓度杂质的多晶冰的晶粒生长常数。

图1 掺杂冰样品以及在 258 K （约-15℃）退火的纯水冰样品的最高和最低浓度（分别为10⁻²和 10⁻⁵mol L⁻¹）的微观结构和晶粒尺寸分布直方图的光学图像。(a) 冰+10⁻² mol L⁻¹ KCl；(b) 冰+10⁻⁵ mol L⁻¹ KCl；(c) 冰 + 10⁻²mol L⁻¹ MgSO₄；(d) 冰+ 10⁻⁵ mol L⁻¹ MgSO₄；(e) 纯冰。 在每个图中，起始样品的显微照片位于第一列； 第二列和第三列分别是退火10小时和100小时的样品的显微照片；第四列是该杂质浓度的所有五个样品的晶粒尺寸分布直方图。底部显示的比例尺适用于所有面板。在直方图中，顶部的彩色线代表晶粒尺寸的算术平均值，每种颜色对应于一个退火时间

研究表明，当温度高于冰与杂质盐的共晶点时，与纯水冰相比，掺杂杂质的冰表现出更高的晶粒生长常数，即更快的晶粒生长速率。相反，当温度低于冰与杂质盐的共晶点时，与纯水冰相比，掺杂有较高浓度杂质的冰表现出更小的晶粒生长常数，即更慢的晶粒生长速率。研究者认为在高于共晶点的温度下晶粒生长的增强可能归因于杂质盐在晶界处形成了熔融相（盐水），而熔融相促进了生长。而在低于共晶点的温度下晶粒生长的抑制可能归因于形成在晶界处的杂质盐水合物阻碍了生长。结合冰川流变模型，认为含有可溶性杂质的冰的晶粒生长规律可以很好地适应天然冰的晶粒尺寸演变。

图2 掺杂冰和纯冰的晶粒生长速率常数k的温度依赖性。六角星代表掺杂 KCl 的冰，菱形代表掺杂MgSO₄的冰。不同的颜色代表不同的杂质浓度。k的误差由垂直线表示。黑色虚线是对纯冰的晶粒生长速率的拟合。橙色和蓝色虚线分别是对掺杂KCl 和MgSO₄的多晶冰的晶粒生长速率的拟合

研究成果发表于国际学术期刊The Cryosphere（王钦宇，范绳，綦超^*. Grain growth of ice doped with soluble impurities [J]. The Cryosphere, 2024, 18: 1053–1084. DOI: 10.5194/tc-18-1053-2024）。研究受国家自然科学基金面上项目（41972232）、中国科学院地质与地球物理研究所重点自主部署项目（IGGCAS-201905）等资助。