Fu Suyu等研究者于2019年在《Geophysical Research Letters》上发表了题为“Water Concentration in Single‐Crystal (Al,Fe)‐Bearing Bridgmanite Grown from the Hydrous Melt: Implications for Dehydration Melting at the Topmost Lower Mantle”的研究论文。该研究由美国德克萨斯大学奥斯汀分校、耶鲁大学、卡内基科学研究所、俄罗斯科学院等多家机构合作完成，通讯作者为Jung‐Fu Lin和Shun‐ichiro Karato。研究聚焦于下地幔最主要矿物——布里奇曼石（bridgmanite）的水含量问题，通过合成高质量单晶并采用多种分析手段，系统确定了含铝铁布里奇曼石的晶格水浓度，进而对下地幔顶部的脱水熔融条件提出了新的约束。

水在地球深部的循环对理解行星演化与物理化学状态具有重要意义。上地幔及过渡带的主要名义无水矿物（nominally anhydrous minerals, NAMs）如橄榄石、瓦兹利石（wadsleyite）和林伍德石（ringwoodite）已被证实可容纳大量以晶格键合氢形式存在的水。然而，作为地球体积最大层位——下地幔中最丰富的矿物，布里奇曼石的水溶解度长期未能得到可靠约束。早期研究给出的结果差异巨大，从低于检测限的几ppm wt到高达约2000 ppm wt不等。造成这一分歧的主要原因包括样品中含水包裹体或熔体包裹体的污染、合成条件差异以及分析方法的局限性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）可识别羟基伸缩振动峰并区分晶格氢与包裹体氢，但缺乏布里奇曼石的红外吸收系数标定；二次离子质谱（SIMS）可测量总体水含量，却难以分辨晶格氢与包裹体或表面污染物中的氢。因此，获得无包裹体、化学均一的高质量布里奇曼石单晶是解决上述争议的关键。本研究的目标即是在可控条件下合成此类单晶，并利用多种方法交叉验证其真实水含量，从而为下地幔顶部脱水熔融的发生条件提供定量依据。

研究的实验流程从高温高压合成开始。研究团队在日本冈山大学行星物质研究所使用Kawai型多面砧装置，在24 GPa和1800 °C条件下进行了编号为5K2667的实验。初始物料由氢氧化镁、顽火辉石、氧化铝和氧化铁按特定比例混合而成，封装于铂胶囊中。在加热过程中，样品混合物发生熔融，布里奇曼石从初始含水量约6.7 wt%的含水熔体中缓慢结晶生长。为了获得大尺寸且化学均一的晶体，研究者采用了长达约20小时的加热时长，以实现缓慢生长。这一缓慢生长策略与早期研究中快速生长或短时加热的方法形成鲜明对比，可有效避免含水包裹体的捕获。淬火后回收的样品中，布里奇曼石晶体呈浅棕色自形—半自形，最大粒径约400 μm，嵌入由淬火基质组成的细粒粉末中。

随后，研究团队对合成晶体进行了多层次的质量表征。显微拉曼光谱分析显示，布里奇曼石晶体在约250、280、377和496 cm⁻¹处出现与MgSiO₃布里奇曼石一致的振动峰，而淬火基质中则检测到超含水相B（super hydrous phase B）和水镁石（brucite）的特征峰，表明基质由残余熔体淬火形成，而晶体本身未显示含水包裹体的光谱信号。电子探针显微分析（EPMA）与穆斯堡尔谱（Mössbauer spectroscopy）联合确定了晶体的平均化学式为Mg₀.₈₈Fe³⁺₀.₀₆₅Fe²⁺₀.₀₃₅Al₀.₁₄Si₀.₉₀O₃，其Fe³⁺/总Fe比值约为0.65。扫描电镜能谱（SEM‐EDS）面扫显示样品在微米尺度上化学成分均一。同步辐射X射线衍射（XRD）精修得到正交晶系Pbnm空间群，晶胞参数为a = 4.7875(3) Å，b = 4.9423(2) Å，c = 6.9205(6) Å，积分峰的平均半高宽约0.040°，表明晶体具有高结晶度。透射电子显微镜（TEM）选区电子衍射在[221]和[121]晶带轴下未观察到额外反射，高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像在纳米尺度上未发现可见包裹体或析出物，但显示出高密度的结构缺陷，这可能与Fe/Al取代及高温高压淬火应力有关。

在确认样品质量后，研究者选取了两片经双面抛光、厚度约20–25 μm的晶体薄片（编号P1和P2），利用同步辐射单晶X射线衍射确定了其晶体学取向，两片薄片的法线方向余弦分别为(−0.50, 0.05, −0.86)和(0.16, 0.13, −0.98)，二者之间的二面角约53.6°。随后，对这两片薄片进行了非偏振和偏振FTIR分析。非偏振光谱显示，P1薄片在约3210和3465 cm⁻¹处出现两个明显的吸收带，P2薄片则在约3230和3475 cm⁻¹处出现对应吸收带，平均半高宽约120 cm⁻¹。这些吸收带与文献中报道的含铝含铁布里奇曼石的OH伸缩振动带位置一致，且与超含水相B和水镁石的红外特征明显不同，进一步排除了含水包裹体的存在。偏振FTIR光谱显示吸收强度随方位角变化显著，表明存在强烈的偏振效应。利用Paterson（1982）标定方法估算的非偏振光谱水含量分别为P1约731(±68) ppm wt和P2约596(±53) ppm wt。然而，由于布里奇曼石的取向因子ξ尚缺乏可靠标定，作者认为这一数值可能低估了实际水含量。

FTIR分析之后，同一批薄片被送至卡内基科学研究所进行纳米二次离子质谱（NanoSIMS）分析。分析前使用三个已知挥发分含量的玄武质玻璃标样进行校准，并在每个分析点进行预溅射以去除表面污染。每片薄片上选取3–4个点进行氢及其他挥发元素（C、S、F、Cl）的测量。结果显示，两片薄片的平均水含量约为1020(±70) ppm wt，不同分析点之间的变化通常小于70 ppm wt。其他挥发元素含量均低于1 ppm wt，表明表面有机物污染极低。HRTEM结果排除了纳米尺度含水包裹体或析出物存在的可能性，因此作者认为NanoSIMS测得的水含量代表了布里奇曼石晶格中真实的水浓度。FTIR估算值偏低的原因可能在于取向因子被简单假设为1/3，而实际布里奇曼石的偏振各向异性会导致估算偏差。

基于上述结果，研究者将水含量与Fe、Al含量进行了对比。与Litasov等人（2003）的数据一致，布里奇曼石的水含量随Fe和/或Al含量的增加而升高。作者据此提出了两种可能的氢替代机制：一是Al³⁺取代Si⁴⁺位伴随阳离子空位，进而结合质子形成Si⁴⁺ ↔ Al³⁺ + H⁺；二是两个Si⁴⁺被两个Al³⁺取代产生氧空位，氧空位随后通过水合作用形成两个OH⁻。两种机制都涉及Al³⁺进入Si位并吸引质子，从而增强含铝布里奇曼石的氢溶解度。FTIR光谱中约3460 cm⁻¹处的吸收带可能对应与Al³⁺（Si位）相关的氢替代，而约3230 cm⁻¹处的吸收带则可能与Mg位空位捕获的氢有关。穆斯堡尔谱结果显示Fe³⁺主要占据Mg位，这与后者机制一致。

在地球物理意义方面，布里奇曼石和铁方镁石（ferropericlase）分别占下地幔体积的约75%和18%。已有研究表明铁方镁石的水含量被限制在10–80 ppm wt范围内，而本研究测得含铝铁布里奇曼石的水含量约为1020 ppm wt，表明布里奇曼石是下地幔的主要水载体。更重要的是，这一结果对下地幔顶部的脱水熔融条件给出了定量约束。660 km深度处的温压条件约为23.6 GPa和1600 °C，布里奇曼石在该条件下的水溶解度可能略高于本研究的实验值。因此，当过渡带物质向下流动进入下地幔顶部时，只有当其水含量超过约0.1 wt%的溶解度极限时，才会发生脱水熔融。脱水熔融产生的熔体将富集大量水，可能影响该区域的地震波特征并参与全球水循环过程。

本研究的亮点在于：第一，通过长时间缓慢生长法成功合成了数百微米级、无包裹体的含铝铁布里奇曼石单晶，解决了以往研究中因包裹体污染导致水含量测定不可靠的关键问题；第二，采用微米至纳米尺度的多手段表征（EPMA、SEM‐EDS、TEM、HRTEM、同步辐射XRD、拉曼光谱）系统验证了晶体的化学均一性和无包裹体特征；第三，联合FTIR和NanoSIMS两种互补分析方法，获得了晶格水的可靠浓度，并通过FTIR光谱特征揭示了可能的氢替代机制；第四，将实验结果直接应用于下地幔顶部脱水熔融条件的定量评估，为深部水循环模型提供了关键参数。