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，降低岩石固相線，影響深部岩漿的産生與性質，改變地幔氧逸度、電導率、地震波速等。因而，地球深部的水循環備受關注。俯沖闆片可以将水從地表帶到地球深部，但俯沖闆片能帶多少水到多深的地方并不清楚。

俯沖闆片除了最表層少量的沉積物，主要是由上部10%的洋殼和下部90%的地幔橄榄岩組成，主要礦物包括橄榄石、輝石、石榴石等，這些礦物含水不足1000 ppm。所以俯沖闆片裡的水主要儲存在含水礦物裡面。前人對這些含水礦物的穩定域做了大量高溫高壓實驗工作，相圖顯示約在220公裡深度(7 GPa)，即使最冷的俯沖闆片，地幔橄榄岩部分都會發生脫水，那麼俯沖闆片裡的橄榄岩部分也許不能把水帶到地幔轉換帶（410-660公裡）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岩體系無法穩定存在含水相，所以俯沖洋殼并不能攜帶水進入深部地幔，緻使俯沖洋殼在深部地球水循環研究中長期被忽視。但最近的研究表明，低壓下(<10 GPa)俯沖洋殼的水可以賦存在含水礦物硬柱石中，高壓下含水相鐵钛氫氧化物可以攜帶水到500公裡深度(17 GPa)。那麼更深的地方洋殼中含水相是否穩定？

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換帶與下地幔頂部條件下的高溫高壓模拟實驗，以揭示俯沖洋殼在深部水循環中的角色。

該研究首次在含水玄武岩體系中發現了兩個含水相：富鋁phase D和富鋁phase H。富鋁phase D與石榴石共存，富鋁phase H與布裡奇曼石(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有鐵钛氫氧化物存在，19~24 GPa有富鋁phase D存在，大于24 GPa有富鋁phase H存在。那麼意味着從地表到至少720公裡的深度，俯沖洋殼中始終有含水相穩定，冷的俯沖洋殼可以将水從地表帶到下地幔甚至更深的地方。

通過簡單的質量平衡計算，富鋁phase D和富鋁phase H可以攜帶俯沖洋殼中至少2 wt% 的水，這意味着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定的溫度，那麼俯沖洋殼裡的這些富鋁含水相，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，以上研究成果發表在國際地學期刊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.

圖1. 部分實驗産物背散射照片

圖2. 含水玄武岩體系中含水相穩定域

來源：中國科學院廣州地球化學研究所

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