（研究者：韩国延世大学Yoonah Bang等）
地球内部的水循环主要依赖于俯冲带的作用，俯冲板块通常由沉积物、洋壳和上地幔的一部分组成，沉积物主要由含水粘土矿物组成。近日，韩国延世大学地球系统科学系的Yoonah Bang等撰文阐释了俯冲粘土在向地球下地幔输水过程中的作用。该研究通过高温高压实验，调查了俯冲带中的代表粘土矿物叶蜡石在高压和水饱和俯冲条件下的稳定性；展示了叶蜡石进一步向水合矿物（三水铝石和硬水铝石）的转变，以及它们在不同深度的后续脱水。该研究提出，叶蜡石等粘土矿物在高压、水饱和条件下的稳定性和分解对于理解俯冲带中的水运输至关重要。
研究背景
地球表面约70%被水覆盖，而地球内部也存在大量的储水，这些水主要存在于地幔中。俯冲带是地壳板块相互碰撞并向下俯冲的区域，是地球表面水进入地球内部的主要途径。俯冲带中会发生一系列的物理化学反应，例如脱水反应、相变等，这些反应会释放出水分，并将水输送至地幔。然而，关于这些水如何在深层循环流动的机制，尚缺乏深入的理解。在过往的科研探索中，研究者们的目光主要聚焦在蛇纹石等含水量丰富的岩石对深层水循环的贡献上，相对而言，粘土矿物在俯冲带中扮演的角色并未得到足够的关注。然而，粘土矿物实际上是沉积层中不可或缺的组成部分，而且它们本身就含有一定的水分。这意味着，在深层水循环的过程中，粘土矿物有可能发挥着举足轻重的作用。尽管已有研究指出粘土矿物在俯冲带环境下会发生某些转变，但对于其在极端高压高温条件下的稳定性以及这些转变对深层水循环的影响，仍然缺乏明确而深入的理解。
结果与讨论
图1.叶蜡石及其分解产物沿富水冷俯冲地热的实验P-T条件和原位X射线衍射图
图2是不同俯冲粘土在将水运入地球下地幔中的作用，标明了关键事件和深度范围。在俯冲带的表面和上部区域，存在叶蜡石。在约135公里的深度，叶蜡石分解为三水铝石和硬水铝石，在此分解过程中发生吸水（约1.8重量％）。在约185公里的深度，三水铝石和硬水铝石脱水，在此过程中发生释水（约1.8重量％）。从185公里到约660公里的深度，剩余的水合相（δ-AlOOH和AlSiO3(OH)）是稳定的，这些相保留了结晶水含量，有助于将水运送到下地幔。
图3.叶蜡石转化为分解产物的反应路径和结构演变
叶蜡石在冷俯冲环境下会发生水化分解，形成三水铝石（Al(OH)3）和硬水铝石（AlO(OH)），并释放出二氧化硅（SiO2）。随着压力和温度的进一步升高，硬水铝石会发生脱水分解，形成硬水铝石+柯石英（coesite）的组合，如图3所示。
图4.俯冲沉积层的总沉积物和H2O通量
图5.叶蜡石（和高岭石）的顺序分解及其对俯冲带H2O通量的影响
该研究还发现（图4、5），叶蜡石在冷俯冲环境的特定条件下会经历相变，这一过程中其密度会经历先上升后下降的变化。这种密度的变化可能对俯冲带的地震活动以及整个岩石圈的演化产生深远的影响。值得一提的是，叶蜡石在俯冲过程中会展现出惊人的超水化能力，即这种原本就含有水分的矿物能够吸收更多的水，从而变得更加富含水。
该研究论文以“A role for subducting clays in the water transportation into the Earth’s lower mantle”为题，发表于Nature Communications（2024 May 24;15(1):4428）。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48501-z（点击“阅读原文”可转至论文原文）
