夏群科

浙江大學地球科學學院，杭州 310027

地幔中的水與重大地質現(xiàn)象和過程

夏群科?

浙江大學地球科學學院，杭州 310027

地球地幔中的礦物都只是名義上的無水礦物，它們的結構缺陷里包含的水含量(表示為H2O的質量分數(shù))雖然都只是在ppm量級上，但是能夠顯著影響礦物(以至于巖石系統(tǒng))的物理和化學性質。因此，地幔中的水在某種程度上決定著許多重大地質現(xiàn)象的出現(xiàn)和重大地質過程的發(fā)生。研究水與重大地質現(xiàn)象和過程之間的聯(lián)系將成為今后發(fā)展地球科學理論的新生長點。

水；地幔；重大地質事件；重大地質過程

地幔主要物相的理想化學式中雖然不含氫(H)，但是它們的結構缺陷里都含有一定量的羥基(OH)或水分子(H2O)，因此它們都只是名義上的無水礦物[1]。這些礦物中的結構水含量(通常表示為H2O的質量分數(shù))雖然不高(多為幾十至幾百ppm, 1 ppm=10-6)，也能顯著地影響礦物的許多物理性質，如降低黏滯度、增強電導率、改變彈性模量、影響晶格優(yōu)選方位。同時，由于微量水能夠顯著影響熔融溫度、壓力和程度，因而它也是觸發(fā)地幔部分熔融的重要因素。水的存在不僅極大地增加了地幔內小規(guī)模熔融的機會，而且其含量影響著生成熔體的成分。地幔內的小規(guī)模熔融是調整地幔組分的重要機制之一，因此，地幔中的水不僅影響著地幔的物理化學性質乃至動力學過程，也是合理解釋許多重大地質現(xiàn)象時必須考慮的重要因素。正因如此，近十年來，對于地幔水的研究不再僅僅局限于了解礦物中水的含量、分布和行為上了，考察微量水與重大地質現(xiàn)象和過程的關系成了新的熱點和前沿。

1 地幔對流模型

地幔對流是板塊構造運動發(fā)生的必要條件，了解對流性質、物理學過程以及伴生的化學變化是認識地球構造運動和物理化學性質演化的必要前提。由于上地幔來源的大洋中脊玄武巖(mid-oceanic ridge basalt，MORB)和下地幔來源的洋島玄武巖(ocean island basalt，OIB)具有不同的地球化學特征，地球化學家們傾向于地幔分層對流(layered convection)模型：上下地幔各自對流，沒有交換。然而，地球物理觀測顯示，俯沖板塊可以穿過地幔過渡帶(mantle transition zone，MTZ，地球深部410～660 km區(qū)間)進入下地幔，因此上下地幔之間應該是有交換的，而不應該是分層對流的。所以，地球物理學家們相信全地幔對流(whole-mantle convection)模型：地幔作為一個整體發(fā)生對流。支持分層對流模型的學者無法無視俯沖板塊通過上地幔進入下地幔這個明確的地球物理觀測，而支持全地幔對流模型的學者無法解釋大洋中脊玄武巖和洋島玄武巖之間明顯的化學性質差異[2]。這個爭論從未得到過調和，直到有人開始考慮地幔不同層圈中礦物水含量的差異。

Bercovici和Karato(2003)[3]根據(jù)地幔礦物中水的分配關系，在《Science》發(fā)表了一個假說：“過渡帶水過濾”全地幔對流模型(“transition-zone water filter” whole mantle convection)。地幔過渡帶主要礦物瓦茲利石(wadsleyite)和林伍德石(ringwoodite)的水溶解度遠遠高于上地幔主要礦物橄欖石，過渡帶的水含量(質量分數(shù)0.2%～2.0%)也遠遠大于上地幔。地幔對流過程中，從下地幔來的物質經(jīng)過410 km界面時，瓦茲利石會發(fā)生相變成為橄欖石，同時釋放出水引起熔融，形成富集不相容元素的熔體。在這個深度對應的壓力下，熔體的密度大于周圍礦物，因此熔體在過渡帶的頂部停滯形成一個薄層。在俯沖帶，這個熔體會被循環(huán)進入下地幔，因此下地幔總是富集不相容元素。虧損不相容元素的熔融殘余物質將進入上地幔，因此上地幔總是虧損不相容元素。在這個模型中，地幔柱物質是例外，原因是地幔柱溫度高，瓦茲利石中水的溶解度隨溫度升高而降低，但是橄欖石中水的溶解度隨溫度升高而升高，這樣一來，在地幔柱通過410 km界面發(fā)生相轉變(瓦茲利石→橄欖石)時沒有足夠的水引起熔融(因此不損失不相容元素)。因此，由地幔柱帶來的洋島玄武巖就總是表現(xiàn)出不相容元素富集的特征。這個模型很好地調和了地球物理觀察和地球化學特征之間的“矛盾”，雖然模型本身還有許多待檢驗之處，但是后續(xù)的實驗和自然觀察的確證實了410 km處熔體層這個關鍵現(xiàn)象[4]。最近觀察到的660 km處熔體層的存在[5]也有力地支持了這個模型。

2 軟流圈的起源

巖石圈板塊之所以能夠移動并引起板塊構造運動(plate tectonics)，是因為其下存在一個力學強度弱的軟流圈(asthenosphere)。軟流圈具有相對低的波速，在海洋地區(qū)從60～80 km深度向下延伸至大約220 km深度，而在大陸地區(qū)其上界面在120～150 km深度。由于其低速的特征，有人提出礦物間少量熔體形成連通的薄膜造就了軟流圈，但是熔體是如何形成的一直是個謎。Mierdel等(2007)[6]實驗觀察了軟流圈深度對應的主要礦物之一——斜方輝石的水溶解度與壓力之間的關系，結合已有的另一種主要礦物——橄欖石的實驗結果，發(fā)現(xiàn)軟流圈對應于水溶解度呈現(xiàn)明顯最小值的區(qū)域。正是由于水的溶解度在巖石圈與軟流圈之間有明顯的差異，造成了軟流圈內小程度熔體的普遍存在。也就是說，正是地幔礦物中水含量的不同，造成了板塊構造運動發(fā)生的前提——軟流圈。

也有學者認為[7]，軟流圈內礦物水含量明顯高于巖石圈，由于水能顯著降低礦物的黏滯度，因此不需要熔體的存在即可造成低黏滯度的軟流圈。最近，Masuti等(2016)[8]觀察了2012年印度洋8.6級大地震余波引起的瞬時變形，結合水對于礦物變形的影響，也認為海洋軟流圈與巖石圈之間黏滯度的差異主要是由于軟流圈含有大約10倍于巖石圈的水造成的。

3 巖漿的噴發(fā)速率

巖漿噴發(fā)是自然界的天災之一，了解不同類型巖漿的噴發(fā)速率是進行火山噴發(fā)預警的前提條件。被巖漿從地幔源區(qū)攜帶至地表的礦物常常會由于壓力的降低而發(fā)生元素擴散，根據(jù)元素擴散程度和擴散速率以及巖漿的來源深度，即可計算巖漿的噴發(fā)速率。H是礦物中擴散最快的元素，因此，對于快速噴發(fā)的巖漿來說，往往只有H能在礦物中以呈現(xiàn)環(huán)帶的形式給出擴散程度，從而可以用來計算噴發(fā)速率。其他的元素(比如氧)由于擴散太慢，無法提供有效記錄。

Demouchy等(2006)[9]根據(jù)玄武巖漿捕獲的橄欖石的H擴散環(huán)帶，得到堿性玄武巖漿的噴發(fā)速率為6±3 m/s。也就是說，對于一個位于地下100 km的玄武巖漿來說，噴發(fā)至地表只需要幾個小時。因此，對于存在玄武巖巖漿房的地區(qū)來說，自巖漿啟動上升才采取疏散人員等措施顯然是來不及的。一旦某個地區(qū)探測到地下巖漿房的存在，就應啟動預警模式。

4 金剛石的尋找標志

具有工業(yè)價值的金剛石通常都產在金伯利巖中，是深部地幔的產物。但含有金剛石的金伯利巖是不多見的，因此，如何鑒別金伯利巖是否可能含有金剛石就成了急需解決的問題，因為這涉及到采礦成本的巨大差異。

礦物中水含量的差異也能為鑒別金伯利巖是否含有金剛石提供有用的信息。例如，Matveev和Stachel(2007)[10]通過對比金伯利巖中橄欖石的OH紅外光譜后發(fā)現(xiàn)，只要橄欖石的水含量＞60 ppm，且OH吸收峰主要在3 572 cm-1，那么其寄主的金伯利巖就能產出具有工業(yè)價值的金剛石。

5 大陸穩(wěn)定性

大陸穩(wěn)定存在是生物生存和繁衍的前提條件，大陸失穩(wěn)則可能導致氣候環(huán)境的極速轉變，從而引起生物圈的劇變，乃至于生物滅絕。因此，研究大陸穩(wěn)定性是地球科學家的經(jīng)典任務。

由于礦物中的水對于黏滯度有顯著影響，學界一直相信巖石圈中的水與大陸穩(wěn)定性之間存在對應關系[11]，但是直到最近才有明確的證據(jù)。Peslier等(2010)[12]分析了來自長期穩(wěn)定(＞25億年)的南非克拉通巖石圈地幔底部的橄欖石，發(fā)現(xiàn)其水含量很低(＜5 ppm)，對應的黏滯度遠遠高于其下的軟流圈，首次提供了低水含量與大陸穩(wěn)定之間的對應關系的證據(jù)。Xia 等(2013)[13]研究了來自經(jīng)歷過大規(guī)模破壞的華北克拉通的巖石圈地幔樣品，發(fā)現(xiàn)破壞發(fā)生時巖石圈地幔的水含量很高(橄欖石水含量＞180 ppm)，對應的黏滯度接近于其下的軟流圈，這就將高水含量與大陸失穩(wěn)聯(lián)系了起來。

6 大火成巖省的形成

大火成巖省指的是短時(＜1～3 Ma)噴發(fā)形成的巨量(百萬立方千米量級)巖漿巖，其主體是玄武質巖漿，這是地幔巖漿活動在地表最宏偉的展現(xiàn)，具有極其重要的環(huán)境(氣候變化、生物滅絕等)和資源(超大型金屬礦床等)效應。因此，認識大火成巖省是如何產生的就成了地球科學界最重要的課題之一。

從理論上，大火成巖省巖漿的產生與地幔內的異常高溫、大幅降壓、易熔組分和高水含量有關[14]。目前，核幔邊界來源的地幔柱(mantle plume)模型為多數(shù)學者采用，其中異常高溫、大幅降壓和易熔組分是這個模型的核心因素。由于通常認為地幔柱來源的巖漿水含量低，因此水的影響甚微。但是這個模型預測的一些現(xiàn)象(如大規(guī)?；鹕阶饔弥暗拿黠@地殼抬升、放射狀巖墻群、火山作用的物理特征、短時限火山作用、地幔柱巖漿的化學組成等)沒有在任何一個已知的大火成巖省中全部出現(xiàn)。如果水在大火成巖省形成的過程中發(fā)揮了重要作用的話，那么不能同時見到異常高溫、大幅降壓和基性源巖的表征或者表征不十分明顯也就很容易理解了。正因如此，最近學者們開始考慮水的影響。

Ivanov和Litasov (2014)[15]根據(jù)西伯利亞玄武巖的Nb/La比值(表征著俯沖再循環(huán)組分的多少)隨著離開Mongolia-Okhotsk海溝的距離而逐漸升高的特點，提出由于俯沖造成的地幔過渡帶高水含量應該與西伯利亞CFB的產生有關。Wang等(2015)[16]研究了中國河北赤峰溢流玄武巖的地球化學特征，也指出這些玄武巖可能源自含水的地幔過渡帶。Xia等(2016)[17]通過分析塔里木玄武巖中單斜輝石的水含量，得到塔里木溢流玄武巖源區(qū)的水含量為2 500～5 000 ppm，遠遠高于大洋中脊玄武巖和洋島玄武巖的源區(qū)，這個結果明確顯示了大火成巖省的地幔源區(qū)的確是高水含量的。由于水對巖石熔融溫度、深度和程度的顯著影響，因此在大火成巖省的形成過程中，水一定發(fā)揮了重要的作用，這在某種程度上緩解了經(jīng)典地幔柱模型與自然觀察之間的“矛盾”。

7 結語

我們現(xiàn)在已經(jīng)認識到雖然地幔礦物中的水含量不高，但是顯著地影響著一些重大的地質現(xiàn)象和過程。然而，我們對其中的細節(jié)還知之甚少。比如，大火成巖省源區(qū)中的水到底是來自原始地幔[18]還是來自板塊俯沖[19]？水對大火成巖省形成過程中的巖漿演化是如何影響的？水如何影響巖漿的噴發(fā)型式？再如，大陸從穩(wěn)定狀態(tài)演變到失穩(wěn)狀態(tài)的過程中，水是如何起作用的？等等。此外，有些現(xiàn)象和水之間的關系還沒有得到揭示。比如，超大型金屬礦床的形成多認為與地?；顒佑嘘P，而流體是成礦金屬元素遷移和富集的最重要載體，因此地幔中的水應該與超大型金屬礦床的形成有關，但是目前還沒有證據(jù)顯示這種相關性。再如，超大陸(supercontinent)的裂解總是伴隨著大規(guī)模的巖漿活動，而水是影響巖漿產生的重要因素，那么，是不是地幔內水分布的調整造成了脈沖式的超大陸裂解？等等。

顯而易見，這個領域目前尚處在起步階段，但由于其重要的科學意義和重大的應用前景，未來可望成為發(fā)展地球科學理論新的生長點之一。

(2016年10月28日收稿)

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(編輯：段艷芳)

Water in the mantle connects with important geological events and processes

XIA Qunke
School of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

Minerals in the Earth’s mantle are nominally anhydrous. Although the water content in their structural defects is low with ppm level (H2O, wt.), it can greatly affect the physical and chemical properties of the mantle minerals and thus the rock systems. Water in the mantle is, therefore, tightly connected with many important geological events and processes. Exploring the relationship between mantle water and geological events and processes is expected to be a right point to develop basic theories in geosciences.

water, Earth’s mantle, important geological event, important geological process

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.01.001

?通信作者，國家杰出青年科學基金獲得者，研究領域：地幔中水的分布、循環(huán)和大陸穩(wěn)定性；板內玄武巖的成因和地幔演化；揮發(fā)分與大陸溢流玄武巖的形成；礦物中缺陷H-N-C的結合機理和擴散行為。E-mail: qkxia@zju.edu.cn