这篇文档的作者是Marc M. Hirschmann，来自美国明尼苏达大学双城分校地质与地球物理系。文章标题为“Water, Melting, and the Deep Earth H₂O Cycle”，作为一篇综述文章，发表于《Annual Review of Earth and Planetary Sciences》期刊的2006年第34卷，并于当年1月31日在线上提前发布。
文章的主题聚焦于地球深部的水循环，特别是水（H₂O）在地幔中的储存、迁移及其对熔融过程的调控作用。核心论点是：地幔中H₂O的储存能力随深度和温度变化，这种变化可能导致在上地幔底部、过渡带附近及下地幔顶部发生由H₂O驱动的熔融作用，进而深刻影响全球水循环、地幔对流、玄武岩成因乃至地球表面的长期稳定（如海平面）。
主要观点阐述如下：
观点一：地幔中H₂O的储存能力（Storage Capacity）是控制水分布和熔融发生的关键因素，且在不同地幔圈层存在巨大差异。 H₂O储存能力是指矿物或矿物组合在其结构中能容纳H₂O而不析出富水流体或含水熔体的最大量。文章系统回顾了矿物物理和实验岩石学的进展，指出： * 上地幔：主要由橄榄石、辉石和石榴石等名义上无水矿物（Nominally Anhydrous Minerals, NAMs）组成。橄榄石的H₂O储存能力随压力（深度）增加而显著增加，在410公里深处可能接近0.4 wt.%（重量百分比）。辉石在低压下储存H₂O的能力强于橄榄石，因此可能是上地幔中H₂O的主要载体。上地幔的H₂O含量（50-200 ppm）可能低于其在410公里附近的储存能力，这意味着如果从富水的过渡带上涌物质进入上地幔，可能因过饱和而发生熔融。 * 过渡带（410-670公里）：以瓦茨利石（Wadsleyite）和林伍德石（Ringwoodite）为主，这些高压橄榄石多形体具有极高的H₂O储存能力（可达百分之几重量），堪称地幔的“海绵”。然而，高温（>1200°C）会因共存流体成分趋于硅酸盐熔体化而降低其储存能力。 * 下地幔：主要由镁钙钛矿（Mg-perovskite）、钙钛矿（Ca-perovskite）和铁方镁石（ferropericlase）组成。关于其H₂O储存能力存在巨大争议。一些研究（如Murakami等，2002）报告了高达数千ppm的储存能力，而另一些研究（如Bolfan-Casanova等，2000，2003）则指出这些矿物的储存能力极低（<20 ppm）。文章倾向于后一种观点，认为如果下地幔矿物储存能力确实很低，那么下地幔可能非常“干旱”，且从过渡带下沉的物质即使只携带正常上地幔水平的H₂O（50-200 ppm），也可能因超过下地幔矿物的储存能力而发生熔融。
观点二：基于玄武岩地球化学可反演地幔源区的水含量，揭示出地幔水分布的不均一性。 文章总结了利用大洋中脊玄武岩（Mid-Ocean Ridge Basalts, MORB）和洋岛玄武岩（Oceanic Island Basalts, OIB）的地球化学数据（特别是H₂O/Ce比值）估算地幔源区水含量的方法。结果表明： * 正常MORB的源区（代表上地幔主体）含水量较低，约为50-200 ppm H₂O。 * OIB及与地幔柱有关的玄武岩源区则明显富水，估计为300-1000 ppm H₂O。 * 因此，地幔中至少存在一个相对贫水（MORB源）和一个或多个相对富水（OIB源）的储库。MORB源区是已知最干的地球化学储库。对全地幔水总量的估算取决于这些储库的相对比例，范围可能在0.5到1.5个现代海洋质量之间。
观点三：少量H₂O能显著降低地幔的固相线温度，影响大洋玄武岩的熔融过程。 即使在仅有50-200 ppm H₂O的情况下，也能使上地幔橄榄岩的固相线温度大幅下降。文章对比了不同的理论模型（如Hirth & Kohlstedt, 1996的模型和基于低温晶法的模型）来估算这一效应。结果表明，对于MORB源区，H₂O可使熔融开始深度比干固相线深5-20公里；对于更富水的OIB源区，熔融可能始于170-230公里的深度，远深于干固相线。这解释了OIB源区更深部熔融的特征。这部分研究的关键约束来自H₂O在名义上无水矿物与熔体之间分配系数（D_mineral/melt^H₂O）的实验测定，文章指出当时的数据主要集中在1-2 GPa压力范围，更高压的数据缺乏，且H₂O在硅酸盐熔体中的热力学性质在高压下高度不确定，是未来研究的难点。
观点四：上地幔现有的水含量（50-200 ppm）可能源自多种过程的混合，而非单一熔融残留。 文章评估了三种关于上地幔水含量成因的假说： 1. 410公里不连续面处熔融的残留：认为从富水过渡带上涌的物质在穿过410公里界面时，因储存能力降低而发生熔融，残留固体进入上地幔。但文章指出，即使在高温下，上地幔矿物在410公里处的储存能力下限（约1000 ppm）也远高于观测到的上地幔水含量，因此该机制不太可能是上地幔水的主要来源。 2. 俯冲带上方地幔楔熔融的残留：弧岩浆作用后的地幔楔残留物可能具有与上地幔相似的水含量（180-540 ppm）。然而，地幔楔残留物通常具有高H₂O/Ce比值等独特的俯冲带地球化学印记，这与MORB源区特征不符。 3. 地幔柱熔融的残留：OIB源区经历小程度熔融后，残留物可能具有与上地幔相近的水含量。但这一模型需要地幔柱通量与洋脊下的上地幔通量相当，目前估计前者比后者小一个数量级，且可能与惰性气体数据存在矛盾。 因此，文章得出结论：上地幔及其特征水含量更可能源自多种来源的混合，包括局部410公里熔融残留、古老的地幔楔以及近期被耗竭的地幔柱物质等，是亏损组分与富集组分（来自再循环地壳或原始物质）混合的结果。
观点五：低H₂O储存能力的下地幔可能导致下沉物质发生含水熔融，并挑战富水OIB源区位于下地幔的传统观点。 如果下地幔矿物的H₂O储存能力确实极低（<20 ppm），将产生两个重要推论： 1. 下沉过程中的熔融：从过渡带下沉的物质，即使只携带正常上地幔水平的水（50-200 ppm），在进入下地幔后也会因超过储存能力极限而发生含水熔融。熔体的去向（上浮回过渡带或下沉至核幔边界）取决于其与周围固岩的密度对比，但这一问题尚无定论。 2. 对地幔柱源区的启示：如果下地幔是“干旱的沙漠”，那么富水的OIB源区就不可能主要位于下地幔。这暗示地幔柱可能主要是浅部起源的特征（来自上地幔或过渡带），或者深部起源的地幔柱在上升过程中裹挟了浅部的富水组分。这直接挑战了将OIB富水特征与下地幔或核幔边界储库联系起来的传统地球化学模型。
观点六：地幔水循环与地表水储量在长达数十亿年的时间尺度上保持近稳态平衡，这对理解各储库的演化历史施加了严格约束。 地质记录表明，至少在过去30-40亿年间，大陆高出海平面的程度（continental freeboard）基本恒定，这意味着海洋体积与地幔储水总量之比保持稳定。然而，俯冲带输入地幔的水通量很大，足以在10-20亿年内将海洋抽干。因此，从地幔返回地表（主要通过洋脊去气）的水通量必须与俯冲输入的水通量精密平衡。这种近稳态平衡意味着： * 上地幔的平均水含量在长时间尺度上未发生剧烈变化。 * 如果过渡带或核幔边界（D’’区）是重要的储水库，那么它们的水储量要么在地球历史早期就已建立，要么其变化是通过与地幔其他储库交换实现，而非来自海洋。例如，如果下地幔含水熔体下沉至D’’区，那么在过去30-40亿年间，要么这一过程的总通量可忽略不计，要么必须有上升的地幔柱将水从D’’区循环回浅部地幔。
这篇综述文章的意义与价值在于： 1. 系统性整合：首次将地幔矿物的H₂O储存能力、玄武岩地球化学对地幔水含量的反演、含水熔融的理论与实验模型，以及全球水循环的动力学约束等多个领域的进展进行了系统性的梳理和整合，构建了一个关于深部地球水循环的连贯框架。 2. 提出关键科学问题：明确指出了当时研究中的核心争议（如下地幔储存能力）和知识缺口（如高压下H₂O在熔体中的热力学、矿物/熔体分配系数的高压数据），为后续实验和理论研究指明了方向。 3. 挑战传统观念：通过深入分析，对“过渡带是巨大水箱”、“富水OIB源区位于下地幔”、“上地幔水是单一过程残留”等流行假说提出了有力质疑，推动了地幔水循环模型的精细化思考。 4. 强调跨学科联系：深刻阐述了地幔中水的行为如何链接地球内部的物理性质（流变学、电导率）、化学演化（储库形成与混合）、动力学过程（对流、熔融）乃至地表系统的长期稳定（海平面），凸显了水作为连接地球各圈层关键纽带的核心作用。
这篇综述是21世纪初地球深部水研究领域的一份纲领性文献，其提出的问题和分析框架至今仍深刻影响着该领域的研究。