近日
《自然·地球科学》杂志发表了突破性论文，
挑战了俯冲板块在地幔深处高温下会释放水分的传统观点。论文通过模拟地核-地幔边界环境的极端高温高压实验，发现含铝二氧化硅矿物即使在4100开尔文高温下，依然能够保留约2%的水，展现出惊人的保水能力。这种能力源于其特殊的晶体结构，为水分子提供了稳定的结合位点。这一发现或将改写地球深部水循环的理论，并为地幔对流、地核成分、地球内部的热量和物质交换等研究带来全新视角。
长期以来，科学家们一直认为，俯冲板块，即那些在板块构造运动中被推入地幔深处的地球板块，会在高温高压下逐渐释放出其携带的水分。
这些释放出来的水被认为会上升到地幔浅层，影响地幔的化学成分和物理性质，甚至可能与地核发生反应，形成具有独特性质的地核-地幔边界区域。
然而，最新研究对这一传统观点提出了挑战。研究人员利用激光加热金刚石压砧技术，模拟了地核-地幔边界区域的极端高温高压环境，并对一种含水玄武岩进行了熔融实验。实验结果显示，即使在高达4100开尔文的极端温度下，俯冲板块中的含铝二氧化硅矿物仍然能够保留住约2%的水。该研究成果
近日在《自然·地球科学》杂志上发表。
Fig. 1 | Experimental pressure–temperature conditions and lower-mantle geotherms.
研究人员使用了一种成分类似天然洋中脊玄武岩 (MORB) 的含水玻璃作为初材料，并添加了水、降低了CaO含量，以便使二氧化硅相与部分熔融体直接接触。
利用激光加热金刚石压砧技术，模拟地核-地幔边界区域的极端高温高压环境 (25-144 GPa 和 2900-4100 K)，对含水玄武岩进行熔融实验。
实验发现在高温高压下，含水玄武岩熔融后形成以下物质：
含水二氧化硅相、
二氧化硅-氢氧化铝固溶体、
硅酸盐
部分熔融体、以及
其他矿物（钙钛矿、布氏岩等）。
二次离子质谱 (SIMS) 和高分辨率成像技术对熔融实验获得的样品进行分析，测定其化学成分和水含量。
结果表明，二氧化硅相和二氧化硅-氢氧化铝固溶体分别含有0.5-3.6 wt%和~3.5 wt%的
水
，并与含有0.9-2.6 wt%
水
的熔体共存。
Fig. 2 | Cross sections of partially molten samples.
在核幔边界区域的高温下，水在二氧化硅中的高溶解度和高的二氧化硅/熔体分配系数表明，水实际上不会从地幔底部的俯冲板块中逸出。
即使核幔边界温度高到足以熔化俯冲的地壳物质，大部分
水
也会保留在固体残留物中，而不是进入部分熔体。
因此，先前提出的板块脱水结果不太可能构成最下层地幔和最上层地核化学异质性的成因。
Fig. 3 | Variations in hydrated SiO2.
研究人员指出，这种超乎寻常的保水能力可能归因于含铝二氧化硅矿物的晶体结构。
在极端压力下，这种矿物会发生相变，形成一种名为α-PbO2型的结构。
这种结构能够为水分子提供稳定的结合位点，从而阻止其在高温下逃逸。
这一发现对我们理解地球深部物质循环具有重要意义。如果俯冲板块能够将大量的水带到地核-地幔边界区域，那么这将对地幔对流、地核化学成分，以及地球内部的热量和物质交换产生重大影响。
论文信息：
Tsutsumi, Y., Sakamoto, N., Hirose, K.
et al.
Retention of water in subducted slabs under core–mantle boundary conditions.
Nat. Geosci.
(2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01464-8
本文由"地刊速览"创作，转载请在文章开头醒目位置标注"
本文来源：地刊速览
"。
