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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(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)認(rèn)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(jìn)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(xué)院廣州地球化學(xué)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(shí)驗(yàn)，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(jìn)入地球深部，俯沖洋殼攜帶水的能力在之前被嚴(yán)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(dǎo)專項(xiàng)B（XDB18000000）以及國家自然科學(xué)基金的資助下，以上研究成果發(fā)表在地學(xué)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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