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地幔有多少水?说出来你可能不信

2018/9/13 17:23:39本站原创 字体:


地幔有多少水?那可是汪洋大海。但不是凡尔纳的科幻小说《地心游记》描绘的那个地底海洋,我们这里说的是地幔含水量是地表海洋总水量的量级。

我们心目中,水是这样:



这样:



还有这样:



其实水还可以是这样:


橄榄石斑晶中呈负晶体状的气液包裹体(邵济安,2000)


这样:


硅酸盐熔体和水的互溶(Shen and Keppler,1997)


还有这样:

矿物的结构缺陷中水的形式(Libowitzky,1998)



我们常见的固、液、气三种形态中的水是以H2O分子及其电离形式存在,与地表的自由水不同,地幔中的水有多种存在方式,包括OH-等与H有关的点缺陷以及自由水,其载体可以是矿物、熔体和流体等。因此地幔总水量可能远远超出地表水。

硅酸盐地幔可以划分为上地幔、过渡带和下地幔,大致以410km和670km深度为分界面。上地幔的组成矿物主要是橄榄石、辉石和石榴石, 过渡带主要是瓦兹利石、林伍德石和镁铁榴石,而下地幔主要是布里奇石和方镁铁矿,这些矿物都是名义无水矿物(理想化学式中不含H的矿物),硅酸盐地幔中的水主要以结构水(晶体结构中都可以含有与H有关的点缺陷(如OH-等))的形式储存在名义无水矿物中。

根据地幔矿物中水的溶解度实验得知,上地幔橄榄石中水的存储能力大体上随着深度的增加逐渐升高,而下地幔矿物中水的存储能力可能非常小,过渡带中瓦兹利石和林伍德石中水的溶解度可以高达约1~3wt%,比上地幔和下地幔中已知的名义无水矿物高出几个数量级, 这使得过渡带可能是硅酸盐地幔中最主要的水储库。

根据矿物中结构水的溶解度数据,结合地球物理资料,推测硅酸盐地幔的水含量随深度的变化趋势如图1所示。但是由高温高压实验获得的过渡带矿物的溶解度能反映真实地幔中矿物的含水性吗?地幔中多数地区是处于水不饱和状态的, 因此其实际水含量应当不超过高温高压实验测定的饱和状态下的水含量。

Pearson等(2014)对一颗超深起源的钻石样品中的林伍德石包裹体进行了研究,这块林伍德石被认为保存了过渡带的信息, 它的晶体结构中含有1wt%OH-形式的水。这在一定程度上可以与部分高温高压实验合成的过渡带条件下林伍德石中结构水的溶解度相比拟,意味着过渡带中至少局部地区可能储存有大量的水,硅酸盐地幔中水的储量可能是大洋中的好几倍。



图1 地幔的结构、组成和水储量示意图(杨晓志,2016)




在上地幔上部,水还以多种含水变质矿物(理想化学式中含有H)的形式存在。实验表明,在100km深度以内,可能稳定存在的含水变质矿物有绿泥石、韭闪石、蛇纹石和金云母等;100~200km,蛇纹石和金云母能够稳定存在;200~400km主要的含水变质矿物为富钾闪石、斜硅镁石和粒硅镁石类矿物。在这些矿物中水大多主要OH-形式参与矿物晶格,少数以结晶水的形式存在。含水变质矿物局限在较浅位置,在地球内部分布和含量都有限,因此对地球内部总体水储量贡献相对较小。



地幔中可能存在的含水变质矿物(谢鸿森,2005)


无论名义上无水还是含水矿物,都可能含有一些流体包裹体,这也是地幔中水的另一种载体。今年三月Tschauner及其团队发表在《Science》的一篇文章,发现来自中国和非洲的3块钻石内部包裹着“冰七”,这是水的一种晶体,密度大于普通的冰。地幔中的高温高压使碳元素结晶形成钻石,偶尔会将周围的尘埃或液体杂质包裹进去,钻石随火山活动上升到地表,包裹的液态水在钻石上升的过程中结晶。分析显示,410km至660km深处的地幔转换带可能富含液态水,这是迄今在地球最深处发现的水。

此外, 熔体和含水流体也是地幔中水的载体。地幔中的熔体主要是硅酸盐熔体和碳酸盐熔体,大多情况下,熔体分散于地幔矿物和岩石的孔隙和裂缝中,熔体中的水主要以H2O和OH-的形式存在。高温高压实验表明,水在熔体中的溶解度非常高,可达10wt%以上,且溶解度随压力的升高而增大,相似条件下,碳酸盐熔体中水的溶解能力更强(图2)。天然的硅酸盐和碳酸盐熔体样品中,也发现有较高的水含量,比如俯冲带的玄武岩浆中可以含有高达6~8wt%的水。



图2 熔体中水的溶解度(杨晓志,2016)




综合来说,由于含水变质矿物以及熔体在地幔中所占质量比很低,地幔中的水主要是以结构水的形式存在于名义无水矿物中。对地幔水含量的估计,对于上地幔,可以根据玄武岩水含量,以及上地幔岩石发生部分熔融期间水在地幔岩石与熔体间的分配系数,推断其上地幔源区的水含量;也可以在设定上地幔的成分与橄榄岩接近的前提下,根据地幔橄榄岩包体中主要矿物含水量的测定,并结合高温高压实验获得的橄榄岩主要矿物的水含量,估算出整个上地幔的水含量。

对于较深的过渡带和下地幔,由于缺乏源于深处的天然岩石样品,主要是利用高温高压实验,模拟地球内部的温度、压力、氧逸度等环境,并进行矿物谱学分析研究地幔矿物的含水相,计算出矿物的含水相中水的质量分数,从而估算地幔中的含水总量。例如,谢鸿森等(2005)对地幔各层圈的水含量作了估算,得到如下结果;

地幔各层圈主要含水量和总水量(谢鸿森,2005)

表中上地幔的主要含水相是α-橄榄石;过渡带和下地幔上部主要含水相β-橄榄石、γ-橄榄石;下地幔的主要含水相是钙钛矿相、方镁铁矿。地幔总水量占地球总质量的比例为0.34%,可以看出,在地幔各层圈中,过渡带和下地幔上部含水量最高,大约占地幔总水量的74%以上,与海洋水比较,地幔总水量为海洋的14倍以上。不同的学者对地幔含水量估算的数值上有所不同,但是毫无疑问,地幔中蕴藏了丰富的水

主要参考资料:

  1. 杨晓志,李岩.2016.高温高压实验和硅酸盐地幔中的水.中国科学: 地球科学,46:287-300.

  2.  谢鸿森,侯渭,周文戈.2005.地幔中水的存在形式和含水量.地学前缘,12(1): 55-60.

  3. Tschauner O, Huang S, Greenberg E, et al. Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth's deep mantle. Science, 2018, 359(6380): 1136-1139.



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