地球下地幔中的水：储层、分布与动力学意义

作者与发表信息
本文由Felix V. Kaminsky（KM Diamond Exploration Ltd., Canada）撰写，发表于2018年《Geochemistry International》第56卷第12期（原刊于俄文期刊《Geokhimiya》2018年第12期）。研究聚焦下地幔矿物中水的存在形式、分布及其对地球深部动力学的影响。

学术背景
下地幔占地球体积的55%，主要由名义上的无水矿物（nominally anhydrous minerals, NAMs）构成，如布里奇曼石（bridgmanite）、钙钛矿（CaSi-perovskite）、铁方镁石（ferropericlase）和斯石英（stishovite）。尽管这些矿物的化学式中不含氢，但晶格缺陷中可容纳羟基（OH⁻）。20世纪80年代，科学家首次在上地幔矿物中发现微量水（<0.1 wt%），但下地幔水的储量和循环机制长期存在争议。本研究旨在通过综合实验数据与理论模型，量化下地幔水的分布，揭示其来源及对地球深部过程的影响。

核心观点与论据

1. 下地幔矿物的水溶解度

   • 布里奇曼石：含Al³⁺的布里奇曼石（Al₂O₃ >2 wt%）可容纳1400–1800 ppm H₂O，远高于无Al样品（~100 ppm）。水通过氧空位机制（oxygen vacancy mechanism, OVM）进入晶格，即Al³⁺替代Si⁴⁺形成空位，羟基填充空位（图2）。支持数据来自高压实验（24–25 GPa）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。
     
   • 铁方镁石：水溶解度较低（10–80 ppm），与Fe³⁺含量负相关，氢以孤立羟基形式存在（图3）。
     
   • 斯石英：Al含量决定水溶解度（20–150 ppm），高压下Al³⁺–H⁺对替代Si⁴⁺是主要机制（图5）。
     

2. 分析方法差异

   • FTIR与SIMS的争议：二次离子质谱（SIMS）测得的水浓度通常高于FTIR（如布里奇曼石SIMS数据达0.2–0.8 wt%），可能因SIMS无法区分纳米级流体包裹体。FTIR通过偏振光定量OH⁻吸收峰（3300–3700 cm⁻¹），更可靠但需校准（如Paterson系数）。
     

3. 下地幔水储层规模

   • 综合矿物比例（80%布里奇曼石、11%铁方镁石等）与溶解度数据，估算下地幔平均含水量~1500 ppm，总储量达45.45×10²³克（约3.3个海洋质量）。D″层可能因铁氢化物（FeHₓ）存在更高水含量。
     

4. 水的来源与循环

   • 原始水：同位素证据（如OIBs中低δD、高³He/⁴He）支持深层地幔存在未脱气的原始水储层。
     
   • 俯冲贡献：仅约3%的俯冲板片水能到达下地幔，且与向上涌出的水流平衡，净输入可忽略。
     

5. 水对深部动力学的影响

   • 部分熔融区（如低剪切波速区）释放的水可促进熔体形成，影响地幔对流和地幔柱演化。
     
   • 水通过改变矿物弹性性质、相边界和电导率，调控下地幔的能量平衡。
     

研究意义与价值
1. 理论创新：首次系统量化下地幔各矿物的水溶解度，揭示Al³⁺对水储存的关键作用。
2. 方法学贡献：对比FTIR与SIMS的优劣，为后续实验提供校准依据。
3. 地球系统科学：提出下地幔是重要水储层，挑战传统“过渡带为最大水库”观点（如Pearson et al., 2014）。
4. 应用前景：为解释深源火山活动、地幔不均一性及早期地球演化提供新视角。

亮点
- 关键发现：下地幔储水量远超预期，原始水是主要来源。
- 方法特殊性：结合高压实验、同步辐射FTIR（sr-FTIR）与第一性原理计算。
- 争议点：SIMS与FTIR的数据差异需进一步验证，铁氢化物在D″层的作用待探索。

其他价值
- 提出下地幔“氧化物地球”（oxide earth）概念，区别于上地幔硅酸盐主导的组成。
- 指出水对核-幔边界相变（如后钙钛矿形成）的潜在影响，需后续实验支持。

（注：专业术语如bridgmanite首次出现时保留英文并标注中文译名，后续使用中文名称。）