Ocean Wave Underwater Loop

地下海洋? 科学家在地球深处发现水

海浪水下循环

科学家们发现了数百公里深的水的证据。

由歌德大学教授领导的国际研究小组分析钻石内含物。

地球上地幔和下地幔之间的边界层被称为过渡带(TZ)。 它位于地表以下 410 至 660 公里(255 至 410 英里)之间。 橄榄绿色矿物橄榄石,俗称橄榄石,约占地球上地幔的 70%,在 TZ 中高达 23,000 巴的极压下会改变其晶体结构。 在大约 410 公里(255 英里)的深度,在过渡带的上边缘,它变成了更密集的硅镁石,在 520 公里(323 英里)的深度,它变成了更密集的菱镁矿。

“这些矿物转变极大地阻碍了地幔中岩石的运动,”法兰克福歌德大学地球科学研究所的 Frank Brenker 教授解释说。 例如,地幔柱——从地幔深处升起的热岩柱——有时会直接停在过渡带的下方。 质量向相反方向的运动也停止了。 Brenker 说:“俯冲板块通常难以突破整个过渡带。 因此,在欧洲下方的这个地区,有一整片这样的板块墓地。”

钻石歌德大学

这颗来自博茨瓦纳的钻石向科学家透露,在 600 多公里深处的岩石中储存了大量的水。 图片来源:Tingting Gu,美国宝石学院,纽约,纽约,美国

然而,直到现在还不知道“吸”物质进入过渡带的长期影响对其地球化学成分有什么影响,以及那里是否存在大量的水。 Brenker 解释说:“俯冲板块还将深海沉积物搭载到地球内部。 这些沉积物可以容纳大量的水和二氧化碳。 但直到现在还不清楚有多少以更稳定的含水矿物和碳酸盐的形式进入过渡带——因此也不清楚那里是否真的储存了大量的水。”

目前的情况无疑将有利于这一点。 厚厚的矿物 wadsleyite 和 ringwoodite 可以容纳大量的水(与较低深度的橄榄石不同),以至于过渡带可以假设吸收六倍于我们海洋中的水量。 “所以我们知道边界层具有巨大的储水能力,”布伦克说。 “但是,我们不知道它是否真的这样做了。”

现在,一项国际研究提供了答案。 研究小组分析了一颗来自非洲博茨瓦纳的钻石。 它起源于 660 公里的深度,直接位于过渡带和下地幔之间的界面,那里的主要矿物是菱镁矿。 来自这个地方的钻石非常稀有,即使在极其稀有的超深层钻石中,也仅占所有钻石的 1%。 研究发现,由于存在许多菱镁石内含物,这块石头的含水量很高。 研究小组还能够确定石头的化学成分。

它几乎与世界上任何地方玄武岩中发现的几乎所有地幔岩石碎片完全相同。 这表明钻石肯定来自地幔的正常部分。 “在这项研究中,我们已经证明过渡带不是干海绵,而是含有大量的水,”布伦克说,并补充说:“这也让我们更接近儒勒·凡尔纳关于地球内部海洋的想法。 ” 不同之处在于那里没有海洋,而是含水岩石,根据布伦克的说法,它既不会感到潮湿,也不会滴水。

早在 2014 年,就在过渡带的一颗钻石中首次发现了含水菱镁矿。Brenker 也参与了这项研究。 然而,由于它太小,无法确定石头的精确化学成分。 因此,目前尚不清楚第一次研究对地幔的代表性有多大,因为该钻石的含水量也可能是由奇异的化学环境造成的。 相比之下,研究小组在本研究中调查的博茨瓦纳 1.5 厘米(0.6 英寸)钻石中的内含物大到足以确定精确的化学成分,这为初步结果提供了最终确认从 2014 年开始。

过渡带的高含水量对地球内部的动态状况产生了深远的影响。 这导致了什么,例如,在来自下方的热地幔羽流中可以看到,这些羽流卡在过渡带中。 在那里,它们加热了富含水的过渡带,进而导致形成新的较小的地幔柱,吸收过渡带中储存的水。

如果这些较小的富含水的地幔柱现在进一步向上迁移并突破边界到达上地幔,则会发生以下情况:地幔柱中所含的水被释放,从而降低了新兴物质的熔点。 因此,它会立即融化,而不是像通常发生的那样在它到达表面之前融化。 因此,地幔这一部分的岩体整体上不再那么坚硬,这使岩体运动更具活力。 过渡区原本是那里的动态障碍,突然成为全球物质循环的驱动力。

参考文献:“由钻石采样的地球地幔 660 公里间断面的含水橄榄岩碎片”,作者:Tingting Gu、Martha G. Pamato、Davide Novella、Matteo Alvaro、John Fournelle、Frank E. Brenker、Wuyi Wang 和 Fabrizio Nestola,2022 年 9 月 26 日,


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