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廣州地化所在深部俯沖洋殼含水相研究中取得新進(jìn)展
點(diǎn)擊次數(shù):1797 更新時間:2019-03-28

              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,降低巖石固相線,影響深部巖漿的產(chǎn)生與性質(zhì),改變地幔氧逸度、電導(dǎo)率、地震波速等。因而,地球深部的水循環(huán)備受關(guān)注。俯沖板片可以將水從地表帶到地球深部,但俯沖板片能帶多少水到多深的地方并不清楚。

        俯沖板片除了表層少量的沉積物,主要是由上部10%的洋殼和下部90%的地幔橄欖巖組成,主要礦物包括橄欖石、輝石、石榴石等,這些礦物含水不足1000 ppm。所以俯沖板片里的水主要儲存在含水礦物里面。前人對這些含水礦物的穩(wěn)定域做了大量高溫高壓實(shí)驗(yàn)工作,相圖顯示約在220公里深度(7 GPa),即使冷的俯沖板片,地幔橄欖巖部分都會發(fā)生脫水,那么俯沖板片里的橄欖巖部分也許不能把水帶到地幔轉(zhuǎn)換帶(410-660公里)以及更深的地方。另一方面,對于洋殼部分來說,前人實(shí)驗(yàn)認(rèn)為含水玄武巖體系無法穩(wěn)定存在含水相,所以俯沖洋殼并不能攜帶水進(jìn)入深部地幔,致使俯沖洋殼在深部地球水循環(huán)研究中長期被忽視。但近的研究表明,低壓下(<10 GPa)俯沖洋殼的水可以賦存在含水礦物硬柱石中,高壓下含水相鐵鈦氫氧化物可以攜帶水到500公里深度(17 GPa)。那么更深的地方洋殼中含水相是否穩(wěn)定?

  為了能夠解決上述問題,中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士劉星成以及合作者開展了地幔轉(zhuǎn)換帶與下地幔頂部條件下的高溫高壓模擬實(shí)驗(yàn),以揭示俯沖洋殼在深部水循環(huán)中的角色。

  該研究在含水玄武巖體系中發(fā)現(xiàn)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與布里奇曼石(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有鐵鈦氫氧化物存在,19~24 GPa有富鋁phase D存在,大于24 GPa有富鋁phase H存在。那么意味著從地表到至少720公里的深度,俯沖洋殼中始終有含水相穩(wěn)定,冷的俯沖洋殼可以將水從地表帶到下地幔甚至更深的地方。

  通過簡單的質(zhì)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,這意味著冷的俯沖洋殼可以攜帶大量的水進(jìn)入地球深部,俯沖洋殼攜帶水的能力在之前被嚴(yán)重低估。另外,研究表明,鋁能夠增加含水相穩(wěn)定的溫度,那么俯沖洋殼里的這些富鋁含水相,是下地幔一個潛在水庫。

  在中科院先導(dǎo)專項B(XDB18000000)以及國家自然科學(xué)基金的資助下,以上研究成果發(fā)表在地學(xué)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.

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