新聞動(dòng)態(tài)廣州地化所在俯沖帶水循環(huán)及MTZ水化方面取得新進(jìn)展
水在地球形成和演化過(guò)程中扮演著重要角色。近20年的研究表明，地幔轉(zhuǎn)換帶（Mantle Transition Zone-MTZ；深度范圍為410到660公里的地幔區(qū)域）可能儲(chǔ)存兩到三個(gè)海洋的水，但這些水可能是不均勻的分布在MTZ中。地球科學(xué)界近些年來(lái)對(duì)俯沖帶中水的循環(huán)以及MTZ水的來(lái)源存在較大爭(zhēng)議，但近10年的研究表明俯沖帶中含水礦物可能可以攜帶一定量的水到MTZ。如果俯沖帶中含水礦物能夠攜帶一定量的水到MTZ深度，一個(gè)問(wèn)題是這些礦物分解后所釋放的水是否能夠逃離俯沖板片然后造成MTZ的水化？另外，俯沖板片中除了含水礦物所攜帶的水，還有沒(méi)有其他形式的水可以被搬運(yùn)到MTZ深度？如果有，這些水俯沖到MTZ深度后的最終命運(yùn)又將如何？
為了能夠解決上述一些問(wèn)題，廣州地化所劉星成博士、李元研究員、Eiichi Takahashi研究員與日本合作者 Kyoko N. Matsukage博士開(kāi)展了地幔轉(zhuǎn)換帶條件下的高溫高壓模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量俯沖洋殼中主要礦物和流體間的二面角來(lái)揭示俯沖帶中水的循環(huán)和MTZ的水化機(jī)制。流體和礦物顆粒共存時(shí)的二面角是控制流體在礦物邊界流動(dòng)的一種重要機(jī)制。當(dāng)二面角小于60度時(shí)，流體可以在礦物顆粒邊界自由流動(dòng)，但當(dāng)二面角大于60度時(shí)，流體將無(wú)法在礦物顆粒邊界自由流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在MTZ （17–19 GPa and 1000–1200 °C）條件下，流體-超硅石榴石-超硅石榴石之間二面角為44到55度, 隨著溫度壓力增加而降低。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在MTZ條件下，流體可以自由的在深俯沖的板片中自由流動(dòng)。但結(jié)合前人實(shí)驗(yàn)資料（圖1和圖2），這些作者卻發(fā)現(xiàn)在MTZ以上的深度，流體在冷的俯沖板片中無(wú)法自由流動(dòng)，僅在熱的俯沖板片中可以自由流動(dòng)。因此，在冷的俯沖板片條件下，含水礦物分解所釋放的流體可能會(huì)滯留在俯沖板片中，并且被一直拖拽到MTZ的深度。但在熱的俯沖板片中含水礦物分解所釋放的流體卻很容易逃離板片，因此無(wú)法被拖拽到MTZ深度。因此，相比于熱的俯沖板片，冷的俯沖板片更容易把水?dāng)y帶到MTZ深度。但是無(wú)論熱的俯沖板片還是冷的俯沖板片，隨著板片俯沖到MTZ深度，任何自由流體（不管是先前滯留的流體還是含水礦物分解形成的新的流體）都可以逃離俯沖板片從而交代MTZ，造成MTZ的水化。因此，這些結(jié)果表明：1）冷熱板片的俯沖不僅可以造成MTZ的水化還可以造成MTZ含水量的不均一性；2）冷的俯沖板片可能攜帶自由流體進(jìn)入MTZ。
在中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)B（XDB18000000）以及國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，以上研究研果在線發(fā)表在國(guó)際地學(xué)期刊《Journal of Geophysical Research-Solid Earth》上，劉星成和李元是本文的共同通訊作者。
Xingcheng Liu*, Kyoko Matsukage, Yuan Li*, Eiichi Takahashi, Toshihiro Suzuki, and Xiaolin Xiong (2018) Aqueous fluid connectivity in subducting oceanic crust at the mantle transition zone conditions. Journal of Geophysical Research-Solid Earth, doi.org/10.1029/2018JB015973
論文鏈接https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2018JB015973
圖1. 俯沖板片中主要礦物-流體二面角隨溫壓變化情況。
圖2. 流體-超硅石榴石-超硅石榴石之間二面角與俯沖板片含水相穩(wěn)定域隨溫壓的變化情況。
同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室& 科技與規(guī)劃處 供稿
