下地幔穩定存在超富水斯石英

2020-12-04 中科院地質地球所

PNAS：下地幔穩定存在超富水斯石英

水是地球區別於其它行星的重要標誌物。除了在地表參與氣候變化、地貌變化以及一系列生命過程之外，水在地球深部巖漿活動、板塊俯衝、地幔對流等諸多地質過程都起到了關鍵作用。伴隨板塊俯衝，地表的含水礦物、流體和揮發分通過這一巨大的傳輸帶進入地球內部，最後相當數量的俯衝水又通過巖漿活動等回到地表，從而形成大規模的深部水循環。

與地球表面常見的水、冰、氣等自由水不同，地球深部的水更多的是以包含在礦物結構中的羥基（OH）存在，其中的氫通常與晶格缺陷有關，並常與晶格中的氧相結合。在地球深部的高溫高壓條件下，即使是化學分子式中不含氫元素的礦物，即所謂名義上無水礦物（nominally anhydrous minerals，NAMs），也具有一定容納氫的能力。現有的研究表明，上地幔礦物的儲水能力大體上隨著深度的增加逐漸升高（楊曉志等，2016）。更重要的是，在被認為是與地幔過渡帶相關的超深起源鑽石樣品的林伍德石包裹體中，Pearson et al.（2014）發現其中含有～1.5%的水，由此推斷地幔過渡帶可能至少存在含水量為～1 wt.%的富水區域。

然而對於更深的下地幔的含水情況，人們的認識還很有限，尤其是大量水能否以某種形式進入下地幔？是否能穩定地儲存在下地幔礦物中？

卡內基地球物理研究所的林彥蒿博士和北京高壓科學研究中心毛河光院士團隊合作發表在PNAS的最新研究發現，二氧化矽的高壓相之一——斯石英（stishovite）在地球下地幔條件下可以容納大量的水並能形成的穩定結構（Lin et al., 2020）。

林彥蒿博士等利用雷射加熱金剛石壓腔和同步輻射光源，測量了含水條件下的高壓斯石英晶格參數，測量的最高壓力和溫度達到～58 GPa和∠1850 K。測量結果顯示，在相同的壓力下，含水的斯石英比無水斯石英的晶胞體積有顯著增加，利用前人對無水斯石英和～3.2 wt.% H2O斯石英狀態方程的外推指示，實驗中斯石英的含水量至少可達4%-10%（圖1），這一數值要遠高於前人在較低壓力下得到的含水量。

鑑於斯石英是俯衝洋殼中的重要礦物（～20 wt.%)，該研究表明斯石英可以成為深部水循環的主要載體，從而為解決地球深部水的傳輸問題提供了新的思路（圖2），也有助於我們更加深入地考察深部過程對全球水循環的影響。

圖1 室溫條件下富水高壓斯石英的晶胞體積（Lin et al., 2020）。可見實驗中富水高壓斯石英的晶胞體積顯著高於無水斯石英

圖2 下地幔斯石英水運移圖解（Lin et al., 2020）。洋殼在通常的俯衝過程會充分脫水，但部分冷俯衝板片仍能攜帶相當數量的水進入過渡帶，從而有可能形成富水的斯石英相併進一步進入深部地幔　

【致謝：感謝原作者林彥蒿博士對本文的建議與修改。】 　

主要參考文獻

1.Pearson D G, Brenker F E, Nestola F, et al. Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond[J]. Nature, 2014, 507(7491): 221-224.

2.Lin Y, Hu Q, Meng Y, et al. Evidence for the stability of ultrahydrous stishovite in Earth’s lower mantle[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, 117(1): 184-189.

3.楊曉志, 李巖. 2016. 高溫高壓實驗和矽酸鹽地幔中的水. 中國科學：地球科學, 46(3): 287-300.　

（撰稿：張馳/地星室）

美編：徐海潮

校對：陶 琴

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