科学家们通过深入研究俯冲粘土矿物（叶蜡石）在俯冲带条件下的稳定性，发现其能携带水分进入地球深层地幔，占地球深层水输送量的22%。这项研究为我们理解地球深层水循环、地幔演化和地震活动提供了新的视角。
地球表面约70%被水覆盖，而地球内部也存在大量储水，这些水主要存在于地幔中。但我们对如何进入地幔的水的数量和路径的了解并不清楚。
科学家们对叶蜡石在俯冲带条件下的稳定性进行了深入研究，发现其能吸收水分并通过一系列转变稳定地输送至下地幔。
在俯冲过程中，叶蜡石的密度会发生显著变化，吸收更多水分并发生超水化，这可能会影响俯冲带的地震活动和岩石圈的演化。
通过深入研究俯冲粘土矿物在俯冲带条件下的稳定性，科学家们重新评估了其在地球深层水循环中的作用，这一发现将改变我们对这一重要过程的认知。
地球内部存在大量的水，但深层水循环尚未有清晰的认识。近日科学家们在《自然通讯》期刊发表文章，对俯冲粘土矿物（叶蜡石）在俯冲带条件下的稳定性进行了深入研究，发现粘土矿物会发生一系列转变，能将其自身携带的约5%的水稳定地输送至下地幔，占地球深层水输送量的22%。这项研究为我们理解地球深层水循环提供了新的视角，并可能改变我们对地幔演化和地震活动的认识。
地球表面约70%被水覆盖，而地球内部也存在大量的储水，这些水主要存在于地幔中。俯冲带是地壳板块相互碰撞并向下俯冲的区域，是地球表面水进入地球内部的主要途径。俯冲带中会发生一系列的物理化学反应，例如脱水反应、相变等，这些反应会释放出水分，并将水输送至地幔。 俯冲的岩石通常由沉积层、洋壳和部分上地幔组成，它们包含了不同的矿物和元素，其中沉积层富含粘土矿物。以往的研究主要关注蛇纹石等富含水的岩石在深层水循环中的作用，而对粘土矿物在俯冲带中的作用关注较少。但粘土矿物是沉积层中重要的组成部分，且它们本身也含有水分，因此它们在深层水循环中可能扮演着重要角色。尽管之前有一些研究表明粘土矿物在俯冲带中会发生转变，但对其在高压高温条件下的稳定性以及对深层水循环的影响尚未有清晰的认识。基于以上问题，科学家们利用高压高温钻石砧座 (RH-DAC) 和同步辐射 X 射线粉末衍射 (XRD) 技术，对一种代表性粘土矿物—叶蜡石(Al2Si4O10(OH)2)—在俯冲带条件下的稳定性进行了深入研究，发现了其在深层水循环中扮演的重要角色。图1 叶蜡石及其分解产物沿富水冷俯冲地热的实验P-T条件和原位X射线衍射图。
研究发现，在水饱和的冷俯冲地热条件下，在大约135公里深处，叶蜡石会发生一系列转变，会吸收约1.8wt%的水，从而形成更加富含水的矿物，如三水铝矿[Al(OH)3]和硬水铝石[AlO(OH)]。随后，在约 185 公里深处，形成的含水矿物会发生脱水反应，释放出之前吸收的水分，整个转变过程并没有导致水分的净损失，最终在约660公里深处，转变为δ-AlOOH 和AlSiO3(OH)的混合物，将初始的约 5.0wt% 的水分稳定地输送至下地幔。研究人员估计，俯冲粘土矿物约占地球深层水循环中水输送量的 22%，其重要性不可忽视。图2 叶蜡石转化为分解产物的反应路径和结构演变
图3 俯冲沉积层的总沉积物和H2O通量
这项研究也为我们理解俯冲带的地质过程提供了新的视角。例如，研究人员发现，在俯冲过程中， 叶蜡石发生一系列转变，其密度会发生显著变化，这可能影响俯冲带的地震活动和岩石圈的演化。另外，在俯冲过程中， 叶蜡石会发生超水化，即原本已经含水的矿物吸收更多水分，形成更加富含水的矿物。图4 叶蜡石（和高岭石）的顺序分解及其对俯冲带H2O通量的影响
这项研究表明，俯冲粘土矿物在将水输送至地球深层地幔中起着重要作用。这一发现将改变我们对地球深层水循环的认识，并可能改变我们对地幔演化和地震活动的认识。论文信息：Bang, Y., Hwang, H., Liermann, HP. et al. A role for subducting clays in the water transportation into the Earth’s lower mantle. Nat Commun 15, 4428 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48501-z
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