中科院地化所在上地幔岩石储水能力的高温高压实验研究取得新进展

地幔是地球内部潜在的重要储水库。水在名义上无水矿物（NAMs）中主要以结构OH-的形式赋存。大量的实验及理论研究表明，微量的水可以深刻改变矿物和岩石的各种物理、化学性质以及地球内部动力学。 

影响水在地球内部赋存的主要因素包括温度、压强、成份、氧逸度和水逸度。以往关于水在NAMs中溶解度的实验研究主要是在纯水体系（高水逸度、活度）下开展的，没有考虑地球内部流体成份的复杂性。由此，中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压重点实验室郭新转研究员团队系统开展了斜方辉石在复杂流体条件及二辉橄榄岩体系中携水能力的高温高压实验研究。 

团队利用偏振红外光谱测定了实验后单晶样品中的水含量，首次定量计算了在1.5GPa和1100℃条件下斜方辉石中水含量与水逸度之间的关系，并估算了岩石圈地幔的最大储水能力。研究表明：（1）水在斜方辉石中的溶解度随着流体中CO₂含量的增加而降低；（2）在1.5GPa和1100℃条件下水在斜方辉石中的溶解度与水逸度之间满足：c(H2O) = 25.21 × f(H2O)^1.24，1.24的逸度指数表明水在含铝斜方辉石中的替代机制必然包含Si⁴⁺  ⇔ 4H⁺；（3）斜方辉石在二辉橄榄岩体系及复杂流体条件下，最大含水能力远低于在纯水体系下的数值，前人对上地幔最大含水能力的估计可能高估三倍以上（图1）。 

该研究确立真实地幔环境和复杂流体（低水活度、逸度）条件下，上地幔矿物、岩石的携水能力并没有大家原先估计的大，是地球内部水分布研究的重要进展。成果发表在 Journal of Geophysical Research: Solid Earth，郭新转为文章的第一作者和通讯作者。 Guo* X.Z., Bai J., Wang C., Wu X., Zhou X. (2020) CO₂ induced a small water solubility in orthopyroxene and its implications for water storage in the upper mantle. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125: e2019JB018745。 

图1. 上地幔岩石在1.5GPa和1100℃条件下最大储水能力与流体中CO₂之间的关系 

（郭新转课题组/供稿）