科學(xué)家發(fā)現(xiàn)地幔深處700公里處水量相當(dāng)于海洋三倍

地下約 700 公里深處 的一層巖石中，水被鎖定在極端壓力和高溫下的礦物晶體內(nèi)部。這種物質(zhì)并非流動(dòng)于開闊洞穴中的液態(tài)海洋，而是氫和氧融入深部地幔礦物的晶格結(jié)構(gòu)，形成固態(tài)巖石中的一個(gè)巨大儲(chǔ)層。

這一 深層水儲(chǔ)層 的證據(jù)來自地震測(cè)量、高壓實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)以及一顆鉆石帶到地表的一粒微小礦物樣品。發(fā)表于《科學(xué)》雜志的一項(xiàng)研究將下地幔頂部附近的異常熔融與從林伍德石中釋放的水聯(lián)系起來。林伍德石是一種存在于地幔過渡帶中的礦物。

林伍德石 是橄欖石（地幔上部主要礦物之一）的高壓形態(tài)。它形成于約 410 至 660 公里深度，此處壓力迫使原子排列成更致密的結(jié)構(gòu)。其晶體結(jié)構(gòu)可在固態(tài)礦物內(nèi)容納羥基（一種由氫和氧組成的化學(xué)基團(tuán)）。

實(shí)驗(yàn)室樣品顯示，林伍德石可含有超過 1% 的質(zhì)量百分比的水。如果整個(gè)過渡帶的巖石都保持這一濃度，總水量將接近地球表面海洋水量的近三倍。這一數(shù)值描述的是廣闊地幔巖層可能的儲(chǔ)水能力，并非發(fā)現(xiàn)地下的單一液態(tài)水體。

這項(xiàng)《科學(xué)》雜志上的研究將實(shí)驗(yàn)室工作與美國陣列（一個(gè)遍布美國、由超過 2000 臺(tái)儀器組成的網(wǎng)絡(luò)）的地震觀測(cè)結(jié)合起來。研究團(tuán)隊(duì)分析了地震產(chǎn)生的地震波在穿越地球不同層位時(shí)的傳播情況。

地震波在通過溫度、密度或熔融量不同的巖石時(shí)速度會(huì)發(fā)生變化。研究人員在過渡帶與下地幔的邊界附近探測(cè)到部分熔融的跡象。該模式出現(xiàn)在地幔物質(zhì)似乎向下運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。

雅各布森通過在小鉆石之間壓縮合成林伍德石并加熱至地球內(nèi)部溫度，再現(xiàn)了這些條件。實(shí)驗(yàn)在對(duì)應(yīng)過渡帶下邊緣的壓力下產(chǎn)生了少量熔融。這些實(shí)驗(yàn)室結(jié)果與在北美下方探測(cè)到的地震信號(hào)類型吻合。

“當(dāng)含有大量 H?O 的巖石從過渡帶進(jìn)入下地幔時(shí)，它必須以某種方式擺脫 H?O，因此會(huì)輕微熔化，”新墨西哥大學(xué)地震學(xué)家布蘭登·施曼特在西北大學(xué)的報(bào)道中解釋道?！斑@被稱為脫水熔融?！?/strong>

巖石中僅需有一小部分熔融，儀器就能探測(cè)到。根據(jù)該研究報(bào)道，約 1% 的熔融就足以使地震波速度減慢至可測(cè)量的信號(hào)。觀測(cè)覆蓋了美國下方大片區(qū)域，并識(shí)別出在含水林伍德石會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄碌蒯５V物的深度處發(fā)生了熔融。

另一項(xiàng)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)提供了一個(gè)來自地幔的含水林伍德石實(shí)物樣品。由阿爾伯塔大學(xué) 格雷厄姆·皮爾遜 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)檢查了一顆來自巴西茹伊納的小鉆石。研究人員在其內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了一粒微小的林伍德石碎片。

這顆鉆石形成于地下深處，隨后通過火山物質(zhì)到達(dá)地表。其堅(jiān)固的晶體結(jié)構(gòu)在上升途中保護(hù)了包裹體。如果沒有這種保護(hù)，林伍德石通常會(huì)在壓力降低時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N礦物，使科學(xué)家無法獲得完整的樣品進(jìn)行分析。

分析顯示，該包裹體含有約 1.5% 的質(zhì)量百分比的水。該樣品提供了直接證據(jù)，表明過渡帶中的天然林伍德石可以儲(chǔ)存水。這項(xiàng)研究發(fā)表于《自然》雜志，時(shí)間略早于《科學(xué)》雜志上報(bào)道的地震與實(shí)驗(yàn)室研究。

該圖顯示：（A） 高壓下的樣品。（B） 不同林伍德石狀態(tài)的吸收光譜。（C） 熔融區(qū)域和鈣鈦礦的細(xì)節(jié)。皮爾遜后來表示，研究人員已識(shí)別出另一顆含水林伍德石晶體?！白詮奈覀兪状螆?bào)道含水林伍德石以來，我們又發(fā)現(xiàn)了一顆同樣含水的林伍德石晶體，因此證據(jù)現(xiàn)在非常充分，”他說。

法蘭克福歌德大學(xué)地球科學(xué)家弗蘭克·布倫克是鉆石研究團(tuán)隊(duì)的成員。對(duì)鉆石中礦物包裹體的研究，使科學(xué)家能夠檢測(cè)到常規(guī)鉆探無法觸及的、形成于更深處的物質(zhì)。這些微小封存的樣品保留了地球內(nèi)部的化學(xué)和礦物結(jié)構(gòu)信息。

綜合發(fā)現(xiàn)將水定位于 地幔過渡帶（上地幔與下地幔之間的層位）。地震測(cè)量在其下邊界附近識(shí)別出熔融，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)了這一過程，而鉆石包裹體則表明天然形成的林伍德石能夠在其晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)攜帶水。