地球表面75%都是水，水在地球演化過程中，扮演重要角色。少量的水就能影響元素遷移與分布，降低巖石固相線，影響深部巖漿的產(chǎn)生與性質(zhì)，改變地幔氧逸度、電導率、地震波速等。因而，地球深部的水循環(huán)備受關(guān)注。俯沖板片可以將水從地表帶到地球深部，但俯沖板片能帶多少水到多深的地方并不清楚。
俯沖板片除了表層少量的沉積物，主要是由上部10%的洋殼和下部90%的地幔橄欖巖組成，主要礦物包括橄欖石、輝石、石榴石等，這些礦物含水不足1000 ppm。所以俯沖板片里的水主要儲存在含水礦物里面。前人對這些含水礦物的穩(wěn)定域做了大量高溫高壓實驗工作，相圖顯示約在220公里深度(7 GPa)，即使冷的俯沖板片，地幔橄欖巖部分都會發(fā)生脫水，那么俯沖板片里的橄欖巖部分也許不能把水帶到地幔轉(zhuǎn)換帶（410-660公里）以及更深的地方。另一方面，對于洋殼部分來說，前人實驗認為含水玄武巖體系無法穩(wěn)定存在含水相，所以俯沖洋殼并不能攜帶水進入深部地幔，致使俯沖洋殼在深部地球水循環(huán)研究中長期被忽視。但近的研究表明，低壓下(<10 GPa)俯沖洋殼的水可以賦存在含水礦物硬柱石中，高壓下含水相鐵鈦氫氧化物可以攜帶水到500公里深度(17 GPa)。那么更深的地方洋殼中含水相是否穩(wěn)定？
為了能夠解決上述問題，中國科學院廣州地球化學研究所博士劉星成以及合作者開展了地幔轉(zhuǎn)換帶與下地幔頂部條件下的高溫高壓模擬實驗，以揭示俯沖洋殼在深部水循環(huán)中的角色。
該研究在含水玄武巖體系中發(fā)現(xiàn)了兩個含水相：富鋁phase D和富鋁phase H。富鋁phase D與石榴石共存，富鋁phase H與布里奇曼石(Bdg)共存（圖1），這兩個相含水約11~17 wt%。從圖2的相圖可以看出，在冷的俯沖洋殼中，小于19 GPa有鐵鈦氫氧化物存在，19~24 GPa有富鋁phase D存在，大于24 GPa有富鋁phase H存在。那么意味著從地表到至少720公里的深度，俯沖洋殼中始終有含水相穩(wěn)定，冷的俯沖洋殼可以將水從地表帶到下地幔甚至更深的地方。
通過簡單的質(zhì)量平衡計算，富鋁phase D和富鋁phase H可以攜帶俯沖洋殼中至少2 wt% 的水，這意味著冷的俯沖洋殼可以攜帶大量的水進入地球深部，俯沖洋殼攜帶水的能力在之前被嚴重低估。另外，研究表明，鋁能夠增加含水相穩(wěn)定的溫度，那么俯沖洋殼里的這些富鋁含水相，是下地幔一個潛在水庫。
在中科院先導專項B（XDB18000000）以及國家自然科學基金的資助下，以上研究成果發(fā)表在地學期刊American Mineralogist上。
論文信息：Xingcheng Liu*, Kyoko N. Matsukage*, Yu Nishihara, Toshihiro Suzuki, Eiichi Takahashi (2019) Stability of the hydrous phases of Al-rich phase D and Al-rich phase H in deep subducted oceanic crust. American Mineralogist, 104: 64-72.
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