本研究的主要作者是Greg Hirth（来自美国伍兹霍尔海洋研究所地质与地球物理系）和David L. Kohlstedt（来自美国明尼苏达大学地质与地球物理系）。该项研究发表在《Earth and Planetary Science Letters》期刊，于1996年7月29日被接受，最终发表于该刊第144卷（1996年）93-108页。

本研究的学术背景聚焦于地球科学领域的地球内部动力学，特别是洋脊玄武岩（Mid-Ocean Ridge Basalt， MORB）源区的地幔流变学。长期以来，人们推测地幔中微量的水（以氢的形式存在于名义上无水矿物中）可能对地幔矿物的物理性质产生深远影响。然而，在1990年代中期，关于水对橄榄石（地幔最主要矿物）流变强度具体影响的程度、以及这种影响如何控制大洋岩石圈（lithosphere）演化、熔体提取和板块动力学，尚缺乏定量的、整合了最新实验约束的评估。作者进行这项研究的原因在于，当时出现了两项关键的实验进展：一是关于水在地幔矿物（尤其是橄榄石）中溶解度的新数据，二是更精确的橄榄石流变学实验研究。这些新约束使得重新评估水对大洋上地幔动力学的影响成为可能。研究的背景知识包括：1） 洋脊玄武岩（MORB）的源区含有少量但显著的水；2） 水的存在会降低矿物的强度（即“水致弱化”， water weakening）；3） 熔融过程会将水从残留的固相中提取出来；4） 大洋板块的厚度和强度可能与热边界层和/或成分边界层有关。本研究的主要目标是：利用新的实验约束，重新评估水对橄榄石集合体粘度（viscosity）的影响；估算MORB源区橄榄石中的水含量；计算大洋中脊下方熔融开始发生的深度；评估熔体提取导致的水分耗竭对大洋上地幔粘度结构的影响；并最终探讨这些发现对大洋岩石圈形成、熔体提取和地震各向异性（seismic anisotropy）演化的意义。

研究的详细工作流程并非基于作者自身进行的一系列新实验，而是对前人已发表的大量实验数据进行综合性的再分析和理论建模。研究流程主要包括以下几个紧密关联的步骤：

第一步：重新评估水对橄榄石集合体流变强度的影响。 研究首先对已有橄榄石流变学实验数据进行批判性再分析，特别是Chopra和Paterson（1984， 1991）在300 MPa围压（confining pressure）下对天然纯橄岩（dunite，主要成分为橄榄石集合体）的变形实验数据。作者重新处理了这些数据，以排除部分熔融和半脆性变形过程的干扰，重新确定了“湿”条件下的应力指数（stress exponent）为3.5±0.2，与“干”条件相同。通过构建阿伦尼乌斯图（Arrhenius plot）并将数据归一化至200 MPa差应力，他们比较了“湿”和“干”条件下橄榄石集合体的应变率（strain rate）。结果显示，在300 MPa围压下，水的存在使橄榄石集合体的粘度降低了约180倍。作者还整合了其他研究的实验数据，包括橄榄石单晶实验、更高压力（1.0 GPa）的实验以及部分熔融体系下的实验。通过对这些数据的综合分析，他们得出两个关键结论：1）在300 MPa压力下，水饱和的橄榄石集合体粘度比干橄榄石集合体低约100-180倍；2）水对粘度的弱化效应依赖于橄榄石中水（氢）的浓度（concentration of water in olivine）。他们假设粘度与橄榄石水含量成反比，并基于300 MPa下橄榄石的水溶解度（约250 H/10^6 Si），将粘度降低因子量化为约140倍。

第二步：估算大洋上地幔（MORB源区）橄榄石中的水含量。 这一步采用了地球化学和矿物物理相结合的方法。首先，基于MORB中约0.1 wt% H₂O的“原生”水含量、约10-20%的熔融程度以及水的总分配系数（bulk partition coefficient）约0.01等地球化学约束，估算出MORB源区的整体水含量约为125 ± 75 wt ppm H₂O。然后，使用一个关键的研究方法——建立地幔矿物（橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、石榴石）之间的水分配系数表。这些系数基于当时已有的水溶解度和天然样品测量数据（如Bell和Rossman， 1992的研究）进行估算。通过质量平衡计算，对于一个由56%橄榄石、19%斜方辉石、10%单斜辉石和15%石榴石组成的榴辉岩模型（garnet pyrolite），估算出MORB源区橄榄石的水含量为810 ± 490 H/10^6 Si（约50 ± 30 wt ppm）。这个值显著高于300 MPa压力下橄榄石的水溶解度，表明MORB源区的粘度应比干橄榄石低约500 ± 300倍。

第三步：计算大洋中脊下方熔融开始的深度。 本步骤结合了第二步得到的橄榄石水含量数据和第一步中水溶解度随压力变化的规律（图2a）。核心是利用水在橄榄石中的溶解度（代表饱和水含量）与MORB源区橄榄石实际估算水含量的比值（饱和度百分比），结合地幔绝热梯度线（mantle adiabat），来预测熔融开始的压力（深度）。作者构建了一个温度-压力相图（图3），图中标绘了干地幔固相线（dry peridotite solidus）、湿（水饱和）地幔固相线，以及一系列代表不同水活度（aH₂O）的固相线（这些是示意性的，基于长石-水体系类推）。关键创新在于，他们将橄榄石水含量（810 H/10^6 Si）及其变化范围，通过溶解度关系转化为对应的“水影响固相线”。当地幔绝热梯度线与这条特定水含量对应的固相线相交时，交点对应的深度即为熔融开始的深度。计算结果表明，对于含810 H/10^6 Si水的橄榄石，熔融在约3.7 GPa压力下开始，对应深度约115公里。这与某些地球化学观测（如MORB中的“石榴石印记”）所要求的熔融起始深度（>约80公里，石榴石稳定区）一致，而传统基于主量元素的地压计（barometer）通常指示熔融起始于60-70公里。

第四步：模拟熔融过程中橄榄石水含量的变化及“湿-干”转变。 在确定了熔融起始深度后，作者进一步模拟了从深部（约115公里）向上到“干”固相线（约60-70公里）的熔融过程中，橄榄石水含量如何随深度变化。他们考虑了两种端元熔融模式：批式熔融（batch melting）和分离（分馏）熔融（fractional melting）。计算方法基于痕量元素熔融方程。关键参数是水在固相和熔体间的总分配系数（D_H₂O(solid-melt)）。作者利用水在橄榄石和玄武质熔体中的溶解度数据，指出该分配系数随压力增加而增大（因为在高压下，水在橄榄石中的溶解度相对于熔体增加更快）。在MORB熔融起始深度（约2.5 GPa），他们估算D_H₂O(solid-melt)约为0.003，而总分配系数约为0.01。模拟结果（图4）显示，无论是在批式还是分离熔融模式下，由于水被强烈分配进入熔体相（D远小于1），橄榄石的水含量会随熔融进行而迅速降低。在深度约60-70公里处，当达到“干”固相线、熔融程度急剧增加时，残留橄榄石中的水几乎被完全提取，导致其粘度急剧升高。这个过程在约60-70公里深度处形成了一个显著的粘度跃变，即“湿-干”转变（wet-to-dry transition）。

第五步：计算并构建大洋上地幔的粘度结构剖面。 这是对前四步结果的综合应用和可视化。作者使用修正后的Chopra和Paterson“湿”和“干”流变律参数（表2），结合压力对粘度的修正（通过活化体积，activation volume），并引入从第四步获得的随深度变化的橄榄石水含量（假设为分离熔融情景），计算了沿大洋中脊下方和随洋壳年龄演化的粘度剖面。计算时假设位错蠕变（dislocation creep）是主导变形机制，并选取了一个典型的差应力值（0.3 MPa）。对于随年龄演化的剖面（图6），他们假设洋脊处形成的水含量分层结构在离开洋脊后保持不变（因为氢扩散距离有限，不足以在数百万年尺度上使60公里以上的地幔重新水化），仅考虑传导冷却（conductive cooling）引起的温度变化对粘度的影响。

本研究的主要结果体现在各个计算步骤得出的定量结论和构建的模型中： 1. 水致弱化的量化结果：明确得出在300 MPa压力下，水使橄榄石集合体粘度降低约140倍，且该效应与水浓度相关（图1）。 2. MORB源区橄榄石水含量估算：橄榄石水含量为810 ± 490 H/10^6 Si，这意味着MORB源区地幔粘度比干地幔低约500 ± 300倍。 3. 熔融起始深度预测：熔融开始于约115公里深度（图3），为MORB的“石榴石印记”提供了一个合理解释，同时表明水的影响不足以显著增加总熔体产量（在“湿”和“干”固相线之间仅产生约1-2%的熔体）。 4. “湿-干”转变的明确展示：通过模拟（图4），清晰显示了在60-70公里深度，由于熔体提取导致的水分耗尽，橄榄石水含量急剧下降，预示着一个显著的粘度不连续面。 5. 大洋上地幔粘度结构剖面：计算结果（图5, 6）表明，在洋中脊下方，深度大于约115公里的深部地幔（水饱和）粘度较低（~10^19 Pa s），而经过熔融提取后的浅部（<65公里）地幔（“干”）粘度很高（>10^21 Pa s）。在两者之间（约65-115公里），粘度存在一个梯度变化区。随年龄演化，高粘度“盖层”（lid）的深度受传导冷却影响而逐渐加深，但其基底始终受控于60-70公里处的成分边界（图6a）。

这些结果层层递进，逻辑严密。水致弱化的量化（结果1）和源区水含量估算（结果2）是计算粘度变化（结果5）的基础。源区水含量（结果2）与溶解度-压力关系结合，预测了熔融起始深度（结果3）。而熔融过程本身（结合分配系数）则决定了水如何被提取，从而产生了“湿-干”转变（结果4）。这个转变的位置（~65公里）直接决定了粘度剖面（结果5）中高粘度“盖层”的基底深度。所有这些结果共同支撑了最终的地球动力学推论。

本研究得出的结论及其意义是多方面的。首先，研究证实水是控制上地幔流变强度的关键因素，MORB源区地幔因其含有足够的水而显著弱化。其次，研究提出大洋岩石圈的底部是由一个成分边界层（即因熔体提取而变干的残留地幔）定义的，而不仅仅是一个热边界层；或者至少热边界层的位置受到这个成分边界的强烈影响。这意味着大洋板块的“机械根”本质上是熔融过程的产物。第三，研究为熔体在洋脊处的聚焦迁移（focused melt migration）提供了一个新机制：洋脊轴下方的高粘度“干”盖层可以产生足够大的侧向压力梯度，将熔体驱向洋脊轴。第四，研究解释了某些地球物理观测，如在大约60-70公里深度观测到的地震波速不连续面（如Gaherty等人1996年的研究），可能正是这个“湿-干”转变的化石记录，因为水的存在也会影响地震波速（通过滞弹性松弛）。最后，研究提出地震各向异性随年龄的演化（从年轻洋脊下的约200公里变浅到老洋壳下的约100公里）可能与干/湿边界控制的小尺度对流（small-scale convection）活动深度有关，小尺度对流会扰乱化石应变（有限应变）的方向。

本研究的重要亮点在于：1） 研究方法的创新性：它不是进行新实验，而是创造性地整合了当时看似分散的不同领域的实验数据（流变学、溶解度、地球化学），通过严谨的再分析和建模，构建了一个自洽的、定量化的理论框架。2） 关键概念的提出和量化：明确提出了“粘度与水浓度成反比”的定量关系，并预测了“湿-干转变”这一关键界面及其深度。3） 广泛的地球动力学意义：将微观的矿物物理过程（水致弱化、水在矿物中的赋存）与宏观的板块构造现象（岩石圈厚度、熔体聚焦、地震不连续面、各向异性演化）直接联系起来，提供了一个统一的理论解释。4） 预测能力：研究预测了熔融起始深度（~115公里）和粘度不连续面深度（~60-70公里），这些都与当时或稍后出现的地球化学和地球物理观测相符，显示了模型的强大预测力。

此外，文中还讨论了其他有价值的观点，例如：考虑了CO₂对固相线的潜在影响，但认为在MORB环境下其影响可忽略；探讨了熔体存在本身（不改变水含量时）对粘度的可能影响，并指出在低熔体分数（<~4%）下影响不大；分析了氢扩散的速率，论证了洋脊处形成的水分分层结构在板块寿命内能够得以保存。这些细致的讨论增强了整个理论的完整性和稳健性。