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地幔有多少水?說出來你可能不信

2018/9/13 17:23:39本站原創 字體:


地幔有多少水?那可是汪洋大海。但不是凡爾納的科幻小說《地心游記》描繪的那個地底海洋,我們這里說的是地幔含水量是地表海洋總水量的量級。

我們心目中,水是這樣:



這樣:



還有這樣:



其實水還可以是這樣:


橄欖石斑晶中呈負晶體狀的氣液包裹體(邵濟安,2000)


這樣:


硅酸鹽熔體和水的互溶(Shen and Keppler,1997)


還有這樣:

礦物的結構缺陷中水的形式(Libowitzky,1998)




我們常見的固、液、氣三種形態中的水是以H2O分子及其電離形式存在,與地表的自由水不同,地幔中的水有多種存在方式,包括OH-等與H有關的點缺陷以及自由水,其載體可以是礦物、熔體和流體等。因此地幔總水量可能遠遠超出地表水。

硅酸鹽地幔可以劃分為上地幔、過渡帶和下地幔,大致以410km和670km深度為分界面。上地幔的組成礦物主要是橄欖石、輝石和石榴石, 過渡帶主要是瓦茲利石、林伍德石和鎂鐵榴石,而下地幔主要是布里奇石和方鎂鐵礦,這些礦物都是名義無水礦物(理想化學式中不含H的礦物),硅酸鹽地幔中的水主要以結構水(晶體結構中都可以含有與H有關的點缺陷(如OH-等))的形式儲存在名義無水礦物中。

根據地幔礦物中水的溶解度實驗得知,上地幔橄欖石中水的存儲能力大體上隨著深度的增加逐漸升高,而下地幔礦物中水的存儲能力可能非常小,過渡帶中瓦茲利石和林伍德石中水的溶解度可以高達約1~3wt%,比上地幔和下地幔中已知的名義無水礦物高出幾個數量級, 這使得過渡帶可能是硅酸鹽地幔中最主要的水儲庫。

根據礦物中結構水的溶解度數據,結合地球物理資料,推測硅酸鹽地幔的水含量隨深度的變化趨勢如圖1所示。但是由高溫高壓實驗獲得的過渡帶礦物的溶解度能反映真實地幔中礦物的含水性嗎?地幔中多數地區是處于水不飽和狀態的, 因此其實際水含量應當不超過高溫高壓實驗測定的飽和狀態下的水含量。

Pearson等(2014)對一顆超深起源的鉆石樣品中的林伍德石包裹體進行了研究,這塊林伍德石被認為保存了過渡帶的信息, 它的晶體結構中含有1wt%OH-形式的水。這在一定程度上可以與部分高溫高壓實驗合成的過渡帶條件下林伍德石中結構水的溶解度相比擬,意味著過渡帶中至少局部地區可能儲存有大量的水,硅酸鹽地幔中水的儲量可能是大洋中的好幾倍。




圖1 地幔的結構、組成和水儲量示意圖(楊曉志,2016)





在上地幔上部,水還以多種含水變質礦物(理想化學式中含有H)的形式存在。實驗表明,在100km深度以內,可能穩定存在的含水變質礦物有綠泥石、韭閃石、蛇紋石和金云母等;100~200km,蛇紋石和金云母能夠穩定存在;200~400km主要的含水變質礦物為富鉀閃石、斜硅鎂石和粒硅鎂石類礦物。在這些礦物中水大多主要OH-形式參與礦物晶格,少數以結晶水的形式存在。含水變質礦物局限在較淺位置,在地球內部分布和含量都有限,因此對地球內部總體水儲量貢獻相對較小。




地幔中可能存在的含水變質礦物(謝鴻森,2005)



無論名義上無水還是含水礦物,都可能含有一些流體包裹體,這也是地幔中水的另一種載體。今年三月Tschauner及其團隊發表在《Science》的一篇文章,發現來自中國和非洲的3塊鉆石內部包裹著“冰七”,這是水的一種晶體,密度大于普通的冰。地幔中的高溫高壓使碳元素結晶形成鉆石,偶爾會將周圍的塵埃或液體雜質包裹進去,鉆石隨火山活動上升到地表,包裹的液態水在鉆石上升的過程中結晶。分析顯示,410km至660km深處的地幔轉換帶可能富含液態水,這是迄今在地球最深處發現的水。

此外, 熔體和含水流體也是地幔中水的載體。地幔中的熔體主要是硅酸鹽熔體和碳酸鹽熔體,大多情況下,熔體分散于地幔礦物和巖石的孔隙和裂縫中,熔體中的水主要以H2O和OH-的形式存在。高溫高壓實驗表明,水在熔體中的溶解度非常高,可達10wt%以上,且溶解度隨壓力的升高而增大,相似條件下,碳酸鹽熔體中水的溶解能力更強(圖2)。天然的硅酸鹽和碳酸鹽熔體樣品中,也發現有較高的水含量,比如俯沖帶的玄武巖漿中可以含有高達6~8wt%的水。




圖2 熔體中水的溶解度(楊曉志,2016)





綜合來說,由于含水變質礦物以及熔體在地幔中所占質量比很低,地幔中的水主要是以結構水的形式存在于名義無水礦物中。對地幔水含量的估計,對于上地幔,可以根據玄武巖水含量,以及上地幔巖石發生部分熔融期間水在地幔巖石與熔體間的分配系數,推斷其上地幔源區的水含量;也可以在設定上地幔的成分與橄欖巖接近的前提下,根據地幔橄欖巖包體中主要礦物含水量的測定,并結合高溫高壓實驗獲得的橄欖巖主要礦物的水含量,估算出整個上地幔的水含量。

對于較深的過渡帶和下地幔,由于缺乏源于深處的天然巖石樣品,主要是利用高溫高壓實驗,模擬地球內部的溫度、壓力、氧逸度等環境,并進行礦物譜學分析研究地幔礦物的含水相,計算出礦物的含水相中水的質量分數,從而估算地幔中的含水總量。例如,謝鴻森等(2005)對地幔各層圈的水含量作了估算,得到如下結果;

地幔各層圈主要含水量和總水量(謝鴻森,2005)

表中上地幔的主要含水相是α-橄欖石;過渡帶和下地幔上部主要含水相β-橄欖石、γ-橄欖石;下地幔的主要含水相是鈣鈦礦相、方鎂鐵礦。地幔總水量占地球總質量的比例為0.34%,可以看出,在地幔各層圈中,過渡帶和下地幔上部含水量最高,大約占地幔總水量的74%以上,與海洋水比較,地幔總水量為海洋的14倍以上。不同的學者對地幔含水量估算的數值上有所不同,但是毫無疑問,地幔中蘊藏了豐富的水

主要參考資料:

  1. 楊曉志,李巖.2016.高溫高壓實驗和硅酸鹽地幔中的水.中國科學: 地球科學,46:287-300.

  2.  謝鴻森,侯渭,周文戈.2005.地幔中水的存在形式和含水量.地學前緣,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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