地球内部结构水含量的估算

深部地球中的结构水以其独特的物理和化学性质影响着一系列地球化学和地球动力学过程。本文根据近年来地球内部含水性研究的进展,对地幔的储水能力进行估算,得出上地幔平均含水0.03%,其储水能力约为海洋水的0.12倍。水在地幔过渡带矿物中的溶解度较高(约1.53%),使得地幔过渡带储水能力约为海洋水的4～5倍,下地幔矿物的含水性研究目前还存在很大的争议,高温高压水溶性实验、理论计算以及地球物理方法等均不能对其进行很好的限制。现阶段已有的研究数据表明,下地幔矿物的含水量相对较低(约0.13%),但由于下地幔庞大的体积和质量,使得其储水能力是海洋水的2～3倍,整个地幔平均含水约0.26%,其储水能力约为海洋水的6～8倍。为了估算整个地球内部各圈层的储水能力,本文基于Murakami关于地球起源于碳质球粒陨石,其含水量约2%的结论,估算得出地核的储水能力约为海洋水的76.8倍,进而推断地核中可能含有0.6%左右的氢元素。     

上地幔以及转换带中含水硅酸盐的晶体结构与热力学状态方程

水对地幔硅酸盐矿物的物理化学性质、运移迁徙以及热稳定性都有着显著的影响。研究水在地幔矿物中的赋存机制及地球深部的水循环过程,是当今世界矿物学与地球科学领域内的热点和重点之一,这对于我们了解地球深部的岩石矿物学与诸多地球动力学过程都有着深远的意义。首先俯冲板块中的蛇纹石(serpentine,含水量10%~13%)随着板块的向下运动,在高温高压下分解将产生Phase A(含水11.8%)、粒硅镁石(chondrodite,含水5.4%)和斜硅镁石(clinohumite,含水2.9%)[1-3]。这3种矿物为橄榄岩体系中重要的致密高含水硅酸镁(DHMS)成员,通过这些含水矿物作载体,俯冲板块中的水将有可能进入上地幔深部乃至转换带中。而地幔转换带作为地幔物理化学性质剧烈变化的区域(从410~660 km),对地球的岩石圈层结构以及地球动力学都有着特殊的意义[4-6],其贡献主要来自于橄榄石的高压相瓦兹利石(Wadsleyite)和林伍德石(ringwoodite)。这两种矿物占据了地幔转换带体积的60%~70%,为名义上无水矿物(NAMS),但是通过羟基取代(Mg2+=2H+)的方式,可使得其结晶水含量高达3%左右[7-9]。如果瓦兹利石和林伍德石的结晶水含量达到了饱和,将使得地幔转换带的储水能力为地球表面水总量的7~8倍,因此转换带是地球深部最重要的储水层。最近,加拿大Pearson研究小组通过研究来自巴西Juina的金刚石包裹体,发现来自地幔转换带的天然林伍德石的含水量约为1%[10],这与我们通过高温高压实验数据[11],模拟出的地幔转换带中的含水量是一致的。对含水矿物晶体结构的分析将有助于我们从微观机制上认识水(羟基)在硅酸盐矿物中的赋存机制。关于晶体结构方面的工作,我们将介绍以下两个方面:1)通过不同含水量的瓦兹利石和林伍德石晶体结构分析,深入探讨氢离子在名义无水矿物中的取代机理[11-13];2)通过比较合成的和天然的粒硅镁石和斜硅镁石样品,系统分析氟、钛、铁元素对其晶体结构的影响[14-15]。除了探讨晶体结构之外,我们还将通过高温高压实验数据,系统阐述水对上述硅酸盐矿物的热力学状态方程的影响[11-16]。结晶水的进入将会使得矿物的热膨胀系数与压变系数明显增加,这将对上地幔及转换带的动力学产生深远影响。     

地幔中水的存在形式和含水量

水以含水变质矿物、无水硅酸盐矿物(橄榄石、辉石等)及其高压结构相(β橄榄石、γ橄榄石、钙钛矿相、方镁铁矿等)、高密度含水镁硅酸盐和熔体的形式存在于地幔各层圈中。根据各类玄武岩水含量推断出的上地幔源区的水含量,和由地幔岩主要矿物———橄榄石的水含量估算出的上地幔水含量(质量分数)很接近,在0.02%左右。以橄榄石和辉石高压相的水含量为依据,进行了过渡带和下地幔水含量的估算,其结果是:过渡带和下地幔上部的水含量(质量分数)为1.48%,下地幔下部水含量(质量分数)为0.21%。据此,计算出的地幔各层圈的总水量表明,地幔水的74%以上存在于过渡带和下地幔上部。将地幔总水量和现代海洋总水量之和作为地球总水量,计算出现代海洋总水量约占全球总水量(质量分数)的6.6%,这个结果与笔者根据地球的球粒陨石成分模型计算出的总水量(6%)十分接近。     

地幔过渡带和下地幔组成与深部热源研究进展

受时空不可及性的制约,地质学家在探究地球深部物质组成方面仍显得很被动,尤其是在探究地幔物质组成方面显得更加艰难.目前,科学家们探测地幔物质主要依靠地球物理学和实验矿物学、岩石学方法相结合的手段来进行.结果表明,地幔过渡带主要的矿物组成有瓦士利石、林伍德石、超硅石榴子石以及少量的CaSiO3.下地幔主要矿物组成有钙钛矿(Pv)、后钙钛矿(PPv)和镁方铁矿(Mw).在讨论过渡带和下地幔物质组成的基础上,归纳总结了地球内部热源的三种来源,分别是放射性元素的衰变热和初始熔融硅酸盐地球长期冷却放出的热、核幔边界在地磁场和高电导率物质的作用下产生的热以及来自地核的热.这些结论对研究地球深部动力学和热力学过程有重要意义.     

热点和下地幔的水含量

多年来,地质学家已经认识到水对地球演化和熔融过程的重要性,然而,关于水在深部地幔中的分布却缺乏统一认识。其中,下地幔究竟是干的,还是湿的,一直存在争议。本文通过研究全球热点的水含量和假设地幔转换带与下地幔的水达到平衡来制约下地幔的水含量。结果表明,全球热点的源区水含量为(300~1 000)×10-6,平均为(584±184)×10-6;根据地幔转换带与下地幔的水平衡模型得到下地幔水为(370±220)×10-6。其中,后者在误差范围内与早期亏损地幔水含量((441±51)×10-6)和停留在下地幔的古老再循环洋壳的水含量((440~480)×10-6)一致,说明下地幔的水可能为450×10-6,这和整体表现为湿的热点源区有明显差别。我们认为造成这种现象,可能与源区中橄榄岩和再循环地壳的不同熔融行为有关:再循环地壳具有较低熔点,可以在更深处熔融产生富水熔体,并与周围橄榄岩反应,使热点水含量增加。结果表明大多数热点的源区水含量不能直接代表下地幔的水含量。     

基于数据科学方法的岩石行星地幔储水能力的研究：地球、火星和系外行星

名义无水矿物(NAMs)是岩石行星地幔中水的主要载体，研究地幔中主要NAMs的水溶解度可以帮助我们估测岩石行星地幔理论上的储水能力，并间接约束其内部的实际含水量。通过统计和统计学习算法等数据科学方法，本文旨在介绍并总结前人对地球、火星和系外行星地幔储水能力的模拟研究工作。本文首先回顾了岩石行星地幔储水能力的热力学理论模型；然后围绕地球和火星的两个实例研究，探讨了如何使用包括稳健回归拟合、蒙特卡罗方法和自助聚集算法等方法，把原子尺度的水溶解度实验数据点和其测量误差转化成行星尺度的储水能力模型；接着介绍了系外行星观测的大样本数据是如何帮助我们理解系外岩石行星储水能力的统计学性质；最后讨论了数据科学方法在矿物物理学研究中的局限性，并对如何更好地将统计及统计学习算法与矿物物理数据研究相结合作出展望。     

地幔转换带的金属铁限制了硅酸盐的水化作用北大核心CSCD

在地幔转换带条件下,瓦德利石和林伍德石最多可以携带3%质量的水。地球物理和地质学观测表明,地幔转换带的含水量可能高度不均一,该区域富水或贫水仍然存在巨大争议。而同时前人研究也显示地幔转换带的氧逸度很低,其还原环境对应着金属铁的析出。在地幔转换带,富水的硅酸盐矿物能否与金属铁稳定共存呢?     

地球深部水循环的动力学机制与相关问题研究进展

地幔转换带是上下地幔的过渡区域,其内部发生的地质过程深刻影响着相关的地球动力学过程。俯冲带作为壳幔相互作用最强烈的地区之一,所产生的广泛分布在地表的大陆溢流玄武岩是研究壳幔循环动力学机制的重要对象之一。地幔转换带中含有相当数量的水,都赋存在名义上无水矿物之中,通过俯冲作用引发的残余板片脱水产生的流体交代大陆岩石圈,所产生的大陆玄武岩具有弧型特征的地球化学信息,使得在判别大陆玄武岩与岛弧玄武岩时容易误判。传统的玄武岩构造判别图在区分2类玄武岩(CFB、IAB)时判别精度不够高,可以通过敏感元素进一步划分,所以需谨慎地使用构造判别图。新提出的地幔转换带水过滤器模型将地球深部水流体循环、大规模陆内岩浆作用和超大陆拼合与裂解组成了一个体系。这个模型揭示了超大陆的聚合潜在地导致了含水大洋板片在地幔转换带内的积累,并且可能改变了地幔对流的模式。     

地球下地幔矿物结构和热力学参数的研究进展与展望

下地幔从660 km到2 891 km深度,占据整个地球质量的49.2%并处于极端高温高压的状态。在下地幔相应的温度压力条件下研究主要构成矿物的物理性质,尤其是结构、密度和波速,是理解下地幔结构、物质组成以及动力学过程的关键。通过回顾过去30年高温高压矿物学实验对下地幔矿物,包括布里基曼石、铁方镁石、Ca-钙钛矿以及硅酸盐—后钙钛矿结构和热力学状态方程的重要研究进展,探讨温压条件变化、成分变化以及Fe自旋变化对这些下地幔矿物(相)密度和体波波速的影响,指出现有研究结果的不足和需要解决的问题,并对未来的研究方向提出展望。     

西藏蛇绿岩的超高压矿物：FeO、Fe、FeSi、Si和SiO2组合及其地球动力学意义

在西藏雅鲁藏布江蛇绿岩带的东段，出露罗布莎蛇绿岩块和豆荚状铬铁矿床。从豆荚状铬铁矿石中查明60－70种伴生矿物，其中包含FeO、Fe、FeSi、Si和SiO2组合。根据超高压－高温实验，该组合应形成于地球外核与下地幔之间的D“层，是地球外核的液态铁与镁硅酸盐钙钛矿（MgSiO3)相互化学反应的产物。西藏该超高压矿物组合揭示了蛇绿岩地幔活动可能深达地球外核。罗布莎蛇绿岩的该矿物组合可能是地幔－外地核之间的产物，或者是被对流作用，亦是被起源于D“层的地幔柱活动带到上地幔的。铬铁矿在地幔中结晶，并捕获了该矿物组合。     

Origin of some magmas in oceanic and circum-oceanic regions

Partial melting experiments on spinel-lherzolite, a rock which probably occurs in relatively shallow parts of the oceanic upper mantle, demonstrate that alkali basaltic melt is formed at depths of at least 20 kbar whereas tholeiitic melt is formed at lower pressures (< 15 kbar) under anhydrous conditions. The specimen studied was a relatively iron-rich natural spinel-lherzolite (Fe/Mg+Fe=0.15) and the melts produced have ratios comparable to those obtained in basalts. Slight increase of degree of partial melting produces picritic melt over a wide pressure range. Under hydrous (water-excess) conditions, andesitic melt is produced by partial melting of the same natural spinel-lherzolite and a synthetic lherzolite. The melting experiments on two different abyssal tholeiites from the Mid-Atlantic Ridge suggest that the derivation of olivine tholeiite from a more mafic magma or a mantle peridotite (lherzolite) is possible, but is limited to depths shallower than 25 km under essentially anhydrous conditions, whereas plagioclase tholeiite may have been formed by fractional crystallization at depths of about 20 km in the presence of a small amount (～ 2 wt.%) of water.It is suggested that under mid-ocean ridges, partial melting of spinel-lherzolite at depths shallower than 60 km would produce olivine-tholeiitic magma, which differentiates at shallower levels (20–25 km) under either essentially anhydrous or hydrous (but vapor-absent) conditions to produce abyssal tholeiites of olivine-tholeiite type or plagioclase-tholeiite type. It may be also possible that the former olivine-tholeiite is generated by direct partial melting of plagioclase-lherzolite. Alkali basalts in the oceanic region may be generated at depths greater than 50 km by relatively small degree of partial melting. Along island arcs and continental margins, where the subduction zones probably exist, partial melting of lherzolite would take place in the presence of water that may be supplied by breakdown of hydrous minerals in the subducted oceanic crust, thereby producing andesitic magmas. High-alumina basalt magma could be produced by partial melting of the dehydrated oceanic crust in the subduction zone at depths between 40 and 60 km, where garnet is unstable above the solidus.     

Geneses of Two Types of Mafic Rocks to Carry Placer‐Magnetite Ores in the Sanin Granitic Belt,SW Japan

Two types of mafic rocks from the central Sanin district, and their mafic minerals, were studied chemically and microscopically. They are classified into pyroxene‐containing gabbroid and hornblende–biotite quartz diorite. The gabbroid had higher color index but lower magnetite content; while the quartz diorite had lower color index, but higher magnetite content. The magnetite contents are also related to the amounts of hydrous mafic silicates. The gabbroic magma having pyroxene–amphibole assemblage, originated in the upper mantle, was considered essentially anhydrous, but became partly hydrous on the way to the site of solidification in the continental crust, and crystallized some magnetites with hypersthene and amphibole. The quartz dioritic magma was formed by partial melting of possibly subducting ocean‐floor basalts, once exposed to the sea‐floor then altered; thus the magmas became hydrous and oxidized originally, and precipitated abundant magnetite and hydrous mafic silicates from the early crystallization stage onward. Their weathered parts provided the most placer magnetite ores in the history.     

俯冲物质深地幔循环——地球动力学研究的一个新方向

地球上发生的各种地壳运动,大规模的火山喷发,不同深度不同规模的地震活动,规模宏大的山脉和高原的形成,以及地球历史上发生的大陆漂移运动,都被认为与板块构造活动密切相关。但这些运动的动力源究竟来自何方?如何去发现和证明它们的存在以及从理论上去认识和解释,是当今地球科学面临的巨大挑战,也是今后很长一段时间内地球科学的前沿和热点问题。近些年,人们通过各种方法,试图从更深部寻找板块作用动力学的证据。首先是地震层析研究取得了很大进展,获得了许多区域性和全球的高分辨率3-D地震地幔波速结构,使得我们得以认识地球深部的结构,探讨地幔的物质组成,流体的作用和动力学过程。证据显示,板块俯冲不仅可以到达地幔过渡带深度,而且可达到下地幔底部,堆积在核幔边界的上部,成为核幔边界产生的地幔柱的重要物质组成。其次是开展了大量的实验岩石学研究,模拟了一系列地球深部的高温高压矿物组合,被认为可能代表了地幔过渡带和下地幔的矿物组合,甚至核幔边界的含水矿物组合。另一方面,计算机模拟实验揭示了冷的大洋岩石圈发生深俯冲是可行的。尤为重要的是,许多来自地幔过渡带甚至下地幔深度的高压矿物已经在自然界陆续被发现,证明其中一些矿物是源自深俯冲的洋壳物质,记录了俯冲洋壳再循环的历史,如产在巴西、南非和加拿大等金伯利岩中的超深金刚石矿物包裹体。此外,洋岛玄武岩和大陆板内玄武岩的研究,也找到了早期俯冲下去的壳源岩石的同位素证据。近些年发现的蛇绿岩型金刚石是另一实证,其金刚石碳同位素和包裹体研究表明它们源自早期俯冲下去的壳源物质,被认为是研究俯冲物质深部再循环的一个新窗口。这些俯冲再循环的物质,被认为是通过地幔柱的活动从深部带至浅表。本文综述了地球深部物质循环的研究现状,强调了该研究的重要性,并认为俯冲物质深部循环是地球动力学研究的一个新方向。     

On the implications of the coupled evolution of the deep planetary interior and the presence of surface ocean water in hydrous mantle convection

We investigate the influence of the deep mantle water cycle incorporating dehydration reactions with subduction fluxes and degassing events on the thermal evolution of the Earth as a consequence of core–mantle thermal coupling. Since, in our numerical modeling, the mantle can have ocean masses ∼12 times larger than the present-day surface ocean, it seems that more than 13 ocean masses of water are at the maximum required within the planetary system overall to partition one ocean mass at the surface of the present-day Earth. This is caused by effects of water-dependent viscosity, which works at cooling down the mantle temperature significantly so that the water can be absorbed into the mantle transition zone and the uppermost lower mantle. This is a result similar to that without the effects of the thermal evolution of the Earth's core (Nakagawa et al., 2018). For the core's evolution, it seems to be expected for a partially molten state in the deep mantle over 2 billion years. Hence, the metal–silicate partitioning of hydrogen might have occurred at least 2 billion years ago. This suggests that the hydrogen generated from the phase transformation of hydrous-silicate-hosted water may have contributed to the partitioning of hydrogen into the metallic core, but it is still quite uncertain because the partitioning mechanism of hydrogen in metal–silicate partitioning is still controversial. In spite of many uncertainties for water circulation in the deep mantle, through this modeling investigation, it is possible to integrate the co-evolution of the deep planetary interior within that of the surface environment.     

二滩玄武岩的水含量：峨眉山大火成岩省地幔源区水含量的区域性分布特征

近期对科马提岩以及许多大火成岩省中的苦橄岩进行的水含量分析以及地幔潜能温度的研究表明,无论是太古宙还是显生宙的大火成岩省的形成都和含水的地幔柱有关。晚二叠纪的峨眉山大火成岩省（ELIP）位于扬子克拉通西缘,目前主流观点认为其是由地幔柱形成的。前人根据大量的岩石地球化学工作将ELIP分为西区、中区和东区;证明了位于西区的大理、宾川的苦橄岩和玄武岩地幔源区的水含量高于2500×10^-6。然而对于其他区域玄武岩源区的含水性还不清楚。文章以位于中区的二滩剖面底部高钛型玄武岩为研究对象,采用单斜辉石斑晶反演的方法研究恢复了其原始岩浆的水含量。结果表明,单斜辉石斑晶水含量范围为76×10^-6 ~424×10^-6, 对应的平衡熔体水含量为3.01 wt%。在考虑分离结晶影响后,恢复的原始岩浆水含量达到2.71±0.95 wt%。该水含量略低于大理苦橄岩水含量,与宾川苦橄岩相当。而计算的地幔源区水含量最低估计为1357×10^-6,该值低于大理、宾川苦橄岩的源区水含量,但仍显著高于正常洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩源区。ELIP中不同区域的苦橄岩和玄武岩都存在高水含量,这表明在ELIP的形成和演化过程中水都扮演了很重要的角色。     

Water content in natural eclogite and implication for water transport into the deep upper mantle

Infrared spectroscopy and ion micro-probe measurements showed that the major constituent minerals of eclogites from the Kokchetav massif, which have been subducted to 180 km depths, contain significant amounts of water up to 870 ppm H₂O (by weight) in omphacite, 130 ppm H₂O in garnet and 740 ppm H₂O in rutile. Omphacite shows three hydroxyl absorption bands at 3440–3460, 3500–3530 and 3600–3625 cm^− 1, garnet has a single band at 3580–3630 cm^− 1 and rutile has a single sharp band at 3280 cm^− 1. The hydroxyl absorbance at these wavenumbers changes with the crystal orientation in polarized infrared radiation, indicating that the water is structurally incorporated in these minerals. The water contents in omphacite and garnet increase systematically with the metamorphic pressure of the host eclogites. The partitioning coefficient of the water content between coexisting garnet and omphacite is similar in different eclogites, D^Grt/Omp0.1–0.2, but decreases slightly at high pressure. Based on the mineral proportions of the eclogites, we estimate bulk-rock water content in the eclogites ranging from 3070 to 300 ppm H₂O (by weight). Although hydrous minerals are absent in the diamond-grade eclogite (60 kbar and 1000 °C), trace amounts of water are incorporated in the nominally anhydrous minerals such as omphacite and garnet. The presence of significant water in these minerals implies that the subducting oceanic crust can transport considerable amounts of water into the deep upper mantle beyond the stability of hydrous minerals. Such water may be stored in the deep upper mantle and have an important influence on dynamics in the Earth's interior.     

地球深部电导率的实验室约束

矿物岩石电导率实验研究对于认识地球内部的电导率分布和地球动力学具有重要的意义。本文于实验室中研究了一些典型地壳和地幔矿物、岩石的电导率,并将实验结果与野外电磁结果进行了对比。研究结果表明,含水矿物的脱水和存储于名义无水矿物中的水会显著提高岩石的电导率。含水矿物的脱水可能是导致地壳出现高导层的主要原因,而地幔的高导层则可能是由名义无水矿物中赋存的水所引起。实验室矿物、岩石电导率模型与野外大地电磁结果的对比,为研究地球内部的热状态和水含量的分布提供了重要依据。     

水对名义无水矿物变形的影响

在固体地球中,水虽微量,但对众多地质过程(例如,岩石部分熔融与火山喷发、地震活动等)和岩石的物理化学性质(例如,电导率、滞弹性、地震波性质、相变动力学等)影响重大。更为重要的是,水能通过影响矿物的变形机制来控制岩石的流变强度,进而制约着地球动力学的过程。名义无水矿物(NAMs:Nominal anhydrous minerals)即为分子式中不含氢的矿物,其晶格的容水量远小于正常含水矿物(如,角闪石,蛇纹石等)的容水量,但由于NAMs在固体地球中体积比例甚大,仅上地幔的橄榄石中所能溶解的水可能比全部地表水还多。因此了解水对NAMs(尤其是分别作为地壳和上地幔主要组成矿物的石英和橄榄石)变形的影响对于精确地构建岩石圈强度剖面和深刻理解构造地质学与地球动力学过程至关重要。本文将系统地回顾水对NAMs变形的影响,首先通过回顾水在固体地球内部的存在形式提出了NAMs是固体地球中的重要水库,接着阐述了NAMs中水的存在形式、溶解机制、溶解度影响因素及扩散动力学,最后着重论证了水致弱化在石英和富镁石榴石中最强,然后依次是单斜辉石、长石、橄榄石,瓦德利石和林伍徳石。