黃石國家公園（Yellowstone National Park）是美國第一個國家公園，以豐富的野生動物種類和地熱資源聞名。整個公園坐落在北美超級火山——黃石火山上，因此分布著上萬個地表熱顯示（間歇泉、溫泉、水熱爆炸點），奇特的地質現象和多樣的地理地貌特征不僅受到全世界游客的青睞，也吸引著大量學者的關注。
位于黃石國家公園中央偏東南的黃石湖（圖1b）是這一地區最大的淡水湖，湖底同樣分布著大量的熱液噴口、噴氣孔等。通過遠程遙控機器人進入湖底開展的一系列現場監測工作發現，湖底最深處的“深坑區”（水深約為125m，圖1c）為十分典型的高溫（174°C）、酸性（pH =4.2）環境，同時也觀測到大量氣泡從湖底熱液噴口中溢出。經測試分析，這些氣泡主要成分為CO2與H2S。顯然，富含巖漿氣體（CO2和H2S）的高焓蒸汽在從深部穿過湖底并最終溢出的過程，必將對湖底巖石具有顯著的改造作用，進而控制著湖底深坑區的形成與演化。
近年來，眾多學者針對黃石湖深坑區已開展了大量地球化學演化與地熱系統特征的研究工作。長期原位監測發現：在遠離熱液噴口的湖底分布著豐富的非晶硅、鉀長石及少量赤鐵礦、磁鐵礦等礦物（YL17U05），而在熱液噴口附近則以高嶺土、石英黃鐵礦等礦物為主（YL17U04）。因此推測遠離熱液噴口區的礦物代表新鮮礦物，其在混有巖漿氣體的高焓蒸汽作用下，逐漸演化為熱液噴口附近的蝕變礦物。這一推測是否合理？巖石水熱蝕變過程又是如何控制著深坑區的地形演化？
針對上述問題，中國科學院地質與地球物理研究所副研究員王禮恒、副研究員董艷輝，聯合美國明尼蘇達大學教授William E. Seyfried Jr.等借助地下多組分反應溶質運移數值模擬（Reactive Transport Modeling，RTM）方法，針對深坑區建立了典型剖面的二維數值模型。該模型將多相流、熱運移、化學反應及地形變化進行耦合，模擬了湖底巖石水熱蝕變過程礦物隨時間的變化特征，預測分析了深坑區地形時空演化過程。結果表明：1、混有巖漿氣體的高焓蒸汽沿湖底熱液噴口溢出，控制著湖底地層的壓力、溫度及酸性環境；高溫酸性環境促使非晶硅大規模快速溶解（約在10天時間內）并轉化為相對穩定的石英，造成噴口溢出流體的二氧化硅濃度先快速上升而后保持穩定；鉀長石轉化為高嶺土與水鋁石的過程則在百年至千年時間尺度上（0.5～1.5ka）；此外，暴露于富含H2S氣體環境中的赤鐵礦也在0.55年左右開始形成，并最終遍布在模擬區內（圖2），這一模擬結果也與現場原位觀測一致。2、礦物水熱蝕變過程的體積損失量是造成深坑區地形凹陷的重要原因之一，通過模擬計算發現，在經過1 k.a.水熱蝕變后，模擬區地形將會向下凹陷約20m，在10 k.a.后，將會形成一個直徑超過5m、深度超過32m的倒圓錐形凹陷區（圖3）。
RTM是解釋地球系統中的耦合過程和不同時空尺度對其影響的重要工具，特別是在定量處理復雜地球化學過程中體現出其獨特優勢。黃石湖湖底熱液排放的過程中，在巖漿氣體混入后形成了一個典型的水-巖-氣反應體系。一方面，具有侵蝕性的高溫熱液加速了湖底礦物蝕變過程；另一方面，礦物蝕變又顯著改變了湖底地層滲透性能，決定著高溫熱液的流動速度與排放通量，二者之間互相影響、互相制約。該研究借助RTM首次定量描述了這個復雜蒸汽型地熱系統中的水熱蝕變過程，并推演了黃石湖湖底地形時空演化過程，這不僅為深入認識黃石湖豐富奇特的地質現象提供了科學依據，也為了解類似系統（如洋中脊熱液系統）中物質循環與地球化學演化提供了新的思路。
相關研究成果發表在Geochimica et Cosmochimica Acta上。研究工作得到國家自然科學基金、美國國家自然科學基金、國家留學基金委的資助。