镁铝石榴石揭秘地球深部水的存储和运移 | NSR论文

中国科学杂志社

2025-04-23 14:46发布于北京

近日，吉林大学许文良教授领衔的“地球深部动力学创新团队”在地球深部水的存储和运移取得重要进展，相关成果以“The Role of Pyrope Garnet in Water Transport into the Topmost Lower Mantle”为题发表在National Science Review（《国家科学评论》, NSR）。

该研究利用自主发展的大腔体高温高压实验关键技术，在地幔150-700km的温压条件及富水的环境下合成系列镁铝石榴石纯单晶，发现镁铝石榴石是深部水存储和运移的重要载体，在俯冲板块内的输水和储水过程中起关键作用。研究为了解水在地球深部的分布和循环提供重要视角。

地球深部水的存储和运移

水是影响地球宜居性演化的重要挥发份，对地球表层和深部动力过程都起着至关重要的作用。地球深部的水，与地表常见的水、冰、气等自由水不同，更多的是以与氢有关的缺陷或者结构水存在于岩石或矿物中，深部可能是蕴藏着远超地表海洋总水量的"隐形水库"，揭秘地球深部水的存储和运移，是地球科学领域的前沿科学问题。

石榴石是地球深部最主要的名义无水硅酸盐矿物之一，是宝石中的璀璨明珠。其中，镁铝石榴石作为石榴石的重要端元组分，可以稳定存在地壳、上地幔、地幔过渡带和下地幔顶部，并占据地幔成分模型体积的40%-60%，这使得研究其水含量对于理解地球深部水循环变得至关重要。但受高温高压实验技术的限制，前人关于镁铝石榴石水含量的研究多集中在携带到地表的天然石榴石或者是上地幔的高温高压极端条件，在更深部的地幔过渡带到下地幔顶部410-700 km温压条件下，镁铝石榴石可以含多少水？可以运移多少水到下地幔？这些问题一直是不清晰和有争议的。

地幔温压温压条件下镁铝石榴石的储水能力

研究团队发挥国家重大科技基础设施“综合极端条件实验装置—高温高压大体积材料研究系统”的装置和技术优势，通过高压与地质学、物理学、材料学的交叉综合研究，利用自主发展国产通用化大腔体超高压高温实验关键技术（Engineering，2025, 45, 155; Chin. Phys.Lett., 2020, 37, 080701），在地球上地幔到下地幔顶部(150-700 km)深度的温压条件（5-25GPa, 1273-2000K）及富水环境下，合成系列100微米以上、不含包裹体、透明的镁铝石榴石大单晶（图1），红外光谱分析确认了水以羟基形式存在于石榴石的立方晶体结构中。确认了镁铝石榴石是地球深部水存储的重要矿物相，同时确认了其含水量随地幔深度的变化关系。发现在地幔过渡带和下地幔顶部的温压条件下，镁铝石榴石的含水量最高达到0.2 wt. %，并且随着温度的增加而减少，随着压力的增加而增加（图1）。

图1. （a）高温高压合成的镁铝石榴石大单晶，（b）镁铝石榴石的含水量随压力和温度的变化

富水镁铝石榴石对深部水运移和深部物质属性的影响

研究团队估算了镁铝石榴石随着板块俯冲在地幔不同深度的运移水量。估算了镁铝石榴石沿着冷和热俯冲板片的地热温度在上地幔、地幔过渡带和下地幔顶部的携带含水量（图2），发现镁铝石榴石可以从上地幔携带高达0.1 wt%水进入地幔过渡带，进而携带高达0.4 wt%水进入下地幔。富水镁铝石榴石的富集可以解释俯冲板块的机械强度弱于附近的平均地幔，对镁铝石榴石向布里奇曼石的相转变边界可能产生重要影响，同时地幔富水镁铝石榴石的富集可以解释在西北太平洋俯冲板块的下地幔顶部观测到的高电导率异常的地球物理现象。

图2. 镁铝石榴石沿着冷和热俯冲板片在地幔不同深度的运移水量

亮点

该研究进一步理清了镁铝石榴石在地幔过渡带到下地幔顶部410-700km温压条件下，镁铝石榴石储水和运移水的能力，为了解地球深部水的分布和运移提供重要视角，为揭示地球深部的物质属性提供重要的支撑。

吉林大陈陆瑶博士生是论文第一作者，赵鑫宇博士生是共同第一作者，许文良教授、刘兆东教授、胡阔助理研究员为该文的共同通讯作者，合作者包括中国地震局地震预测研究所徐超文副研究员、吉林大学刘冰冰教授、李鑫副教授、丰丙涛博士生、张新然本科生。

该研究由国家自然科学基金（42272041）、吉林大学科技创新研究团队（Grant No. 2021TD–05）和小米青年学者项目共同资助。