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PNAS:下地幔稳定存在超富水斯石英
2020-02-24 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  水是地球区别于其它行星的重要标志物。除了在地表参与气候变化、地貌变化以及一系列生命过程之外,水在地球深部岩浆活动、板块俯冲、地幔对流等诸多地质过程都起到了关键作用。伴随板块俯冲,地表的含水矿物、流体和挥发分通过这一巨大的传输带进入地球内部,最后相当数量的俯冲水又通过岩浆活动等回到地表,从而形成大规模的深部水循环。 

  与地球表面常见的水、冰、气等自由水不同,地球深部的水更多的是以包含在矿物结构中的羟基(OH)存在,其中的氢通常与晶格缺陷有关,并常与晶格中的氧相结合。在地球深部的高温高压条件下,即使是化学分子式中不含氢元素的矿物,即所谓名义上无水矿物(nominally anhydrous minerals, NAMs),也具有一定容纳氢的能力。现有的研究表明,上地幔矿物的储水能力大体上随着深度的增加逐渐升高(杨晓志等,2016。更重要的是,在被认为是与地幔过渡带相关的超深起源钻石样品的林伍德石包裹体中,Pearson et al.(2014)发现其中含有1.5%的水,由此推断地幔过渡带可能至少存在含水量为1 wt.%的富水区域。 

  然而对于更深的下地幔的含水情况,人们的认识还很有限, 尤其是大量水能否以某种形式进入下地幔?是否能稳定地储存在下地幔矿物中?卡内基地球物理研究所的林彦蒿博士和北京高压科学研究中心毛河光院士团队合作发表在发现,二氧化硅的高压相之一——斯石英(stishovite)在地球下地幔条件下可以容纳大量的水并能形成的稳定结构(Lin et al., 2020)。 

  林彦蒿博士等利用激光加热金刚石压腔和同步辐射光源,测量了含水条件下的高压斯石英晶格参数,测量的最高压力和温度达到58 GPa1850 K。测量结果显示,在相同的压力下,含水的斯石英比无水斯石英的晶胞体积有显著增加,利用前人对无水斯石英和3.2 wt% H2O斯石英状态方程的外推指示,实验中斯石英的含水量至少可达4%-10%(图1),这一数值要远高于前人在较低压力下得到的含水量。鉴于斯石英是俯冲洋壳中的重要矿物(20 wt.%),该研究表明斯石英可以成为深部水循环的主要载体,从而为解决地球深部水的传输问题提供了新的思路(图2),也有助于我们更加深入的考察深部过程对全球水循环的影响。 

1 室温条件下富水高压斯石英的晶胞体积(Lin et al., 2020)。可见实验中富水高压斯石英的晶胞体积显著高于无水斯石英

2 下地幔斯石英水运移图解(Lin et al., 2020)。洋壳在通常的俯冲过程会充分脱水,但部分冷俯冲板片仍能携带相当数量的水进入过渡带,从而有可能形成富水的斯石英相并进一步进入深部地幔    

  【致谢:感谢原作者林彦蒿博士对本文的建议与修改。】     

  主要参考文献 

  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. 

  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. 

  杨晓志, 李岩. 2016. 高温高压实验和硅酸盐地幔中的水. 中国科学:地球科学, 46(3): 287-300. 

  (撰稿:/地星室)

 
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