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The Innovation | 含水矿物脱水引起核幔边界地震波速异常升高

下地幔深部是否含水的关键在于表征含水相的物理化学性质,而富铝含水硅酸盐矿物phase H具有极高的热稳定性,是全地幔超深水循环的主要载体之一,本研究聚焦富铝phase H的储水、脱水等化学作用及地球物理效应,探究其在深部水循环、地球内部结构和动力学中的作用。


导  读

地表水通过俯冲板片进入地球内部,又通过火山喷发等途径返回地表,形成了影响地球宜居性的深部水循环。本文发现地幔底部的含水矿物逐渐脱水并与地幔矿物发生化学再融合,这一过程导致中美洲下方地震波速随深度异常变化。这一发现为解释地球深部异常波速结构提供了新视角和机制,同时深化了我们对地球内部水循环及其地球动力学过程的理解。


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图1 含水矿物脱水导致核幔边界D''层内地震波速异常升高的示意图


近日,中国科学院精密测量科学与技术创新研究院孙和平院士团队与北京高压科学研究中心合作,基于第一性原理计算,证实了含水矿物脱水可以导致地震学观测的D′′层内波速持续增加的现象。


D′′层是地核与地幔之间的过渡区域,厚度大约250千米,特殊的固液边界和急速攀升的温度使得D′′层成为地球内部物理和化学属性差异最大的圈层,其成分组成与分布存在着很大的不均一性。该区域已被探明的特征包括布里奇曼石向后钙钛矿的相变,以及铁、铝元素的异常富集。通常情况下,布里奇曼石相变会导致地震波速度突然增加2-3%,然后由于温度升高或铁、铝的富集引发弹性软化,导致地震波速在接近核幔边界时会缓慢下降。这一趋势在欧亚大陆、北极以及太平洋中部等地的地震观测中都得到了验证。然而,值得注意的是,在中美洲下方的D′′层内,局部的剪切波速(VS)在布里奇曼石相变后却随着深度的增加而逐渐增加。由于铁、铝在主要矿物中的富集会降低VS,因此排除了这些因素作为该区域VS异常增加的直接原因。鉴于此,亟需探索新的机制来解释这种现象。


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图2 俯冲板片在核幔边界处的物理化学变化示意图(A)与D′′层剪切波速与深度关系图(B)


研究团队针对拥有极高热稳定性的含水矿物富铝phase H(化学成分:AlOOH-MgSiO4H2),在40-135万大气压和0-2300 K的温压范围内开展了不同铝含量和不同铝构型的phase H相的弹性波速计算。研究结果表明随着铝含量的增加,phase H的波速逐渐升高。通过与下地幔底部的主要矿物布里奇曼石和后钙钛矿比较,研究团队发现富铝phase H的波速明显较低。如果D′′层局部含有3.5 wt.%的水,随着俯冲深度的增加,D′′层内急剧升高的温度会导致含水矿物脱水变成后钙钛矿,从而提升矿物的波速,有可能在该区域的产生地震学上观测到的波速持续上升的结果。3.5 wt.%的水含量也符合大地测量学和地球化学的约束。因此,研究团队提出,富铝phase H的脱水是解释D′′层局部区域波速持续升高的重要候选机制(图2)。


该研究结果以“Identifying dehydration-induced shear velocity anomaly in the Earth’s core-mantle boundary”为题发表在国际知名期刊The Innovation上。精密测量院博士研究生韩松松为文章第一作者,论文的通讯作者为中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的侯明强研究员和北京高压科学研究中心的胡清扬研究员。


该研究得到自然科学基金委重大项目、原创项目和杰出青年基金等项目的资助。


总结与展望

本研究引入含水矿物脱水作为深部地震波速异常的机制,论证了深部水循环产生的化学不均一性对塑造深部复杂结构的重要意义。研究结果显示,富铝含水硅酸盐矿物脱水反应可能是中美洲D′′层剪切波速异常增加的潜在原因。同时,这种地震波速的缓慢增加现象也可能作为示踪深部含水层的间接证据。这表明核幔边界局部可能含水,拓展了水循环的深度,为进一步研究水在核幔边界处的分配及动力学行为奠定了基础。


责任编辑


袁翔   华东师范大学


https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00178-4

本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 第六卷第一期发表的Report文章“Identifying dehydration-induced shear velocity anomaly in the Earth’s core-mantle boundary” (投稿: 2024-01-24;接收: 2024-11-20;在线刊出: 2025-01-06)。


DOI10.1016/j.xinn.2024.100740


引用格式:Han S., Cui X., Zhang B., et al. (2025). Identifying dehydration-induced shear velocity anomaly in the Earth’s core-mantle boundary. The Innovation 6: 100740.


作者简介

韩松松   中国科学院大学2022级博士研究生,指导老师为中国科学院精密测量科学与技术创新研究院孙和平院士,合作导师为中国科学院精密测量科学与技术创新研究院侯明强研究员和北京高压科学中心胡清扬研究员。主要从事地球内部含水矿物的赋存状态和物理化学性质研究。

侯明强   中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员、博士生导师。于2021年获得自然科学基金委优秀青年基金(海外)资助,作为负责人承担了自然科学基金委重大项目课题《地核年代际运动及圈层耦合》。现任精密大地测量与定位全国重点实验室副主任,Geodesy and Geodynamics编委,国家精密重力测量科学中心用户委员会委员,主要从事地球和行星动力学、内部结构和高温高压矿物学研究。

个人主页:https://apm.cas.cn/sourcedb/zw/rck/zgj_rck/202301/t20230105_6595422.html

胡清扬   北京高压科学研究中心研究员。长期从事高压矿物物理、凝聚态物理和高压化学的交叉领域研究,受自然科学基金委和科技部的多年稳定资助。聚焦地球深部水与含水矿物,通过多学科融合的探测手段发现深部独有的新矿物相,并主导了一系列水与矿物超深新化学的工作,在地球深部水循环的示踪、表征和驱动机制等方面做出了一系列具有原创性的贡献。

个人主页:

http://www.hpstar.ac.cn//channels/549.html


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期刊简介


The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊:向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现,鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球59个国家;已被151个国家作者引用;每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员,来自22个国家;50%编委来自海外(含39位各国院士);领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ,ADS,Scopus,PubMed,ESCI,INSPEC,EI,中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2,2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章,多宣传”理念,The Innovation在海内外各平台推广作者文章。


期刊官网

www.the-innovation.org

www.cell.com/the-innovation

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