地幔中的水与重大地质现象和过程

夏群科

浙江大学地球科学学院，杭州 310027

地幔中的水与重大地质现象和过程

夏群科†

浙江大学地球科学学院，杭州 310027

地球地幔中的矿物都只是名义上的无水矿物，它们的结构缺陷里包含的水含量(表示为H2O的质量分数)虽然都只是在ppm量级上，但是能够显著影响矿物(以至于岩石系统)的物理和化学性质。因此，地幔中的水在某种程度上决定着许多重大地质现象的出现和重大地质过程的发生。研究水与重大地质现象和过程之间的联系将成为今后发展地球科学理论的新生长点。

水；地幔；重大地质事件；重大地质过程

地幔主要物相的理想化学式中虽然不含氢(H)，但是它们的结构缺陷里都含有一定量的羟基(OH)或水分子(H2O)，因此它们都只是名义上的无水矿物[1]。这些矿物中的结构水含量(通常表示为H2O的质量分数)虽然不高(多为几十至几百ppm, 1 ppm=10-6)，也能显著地影响矿物的许多物理性质，如降低黏滞度、增强电导率、改变弹性模量、影响晶格优选方位。同时，由于微量水能够显著影响熔融温度、压力和程度，因而它也是触发地幔部分熔融的重要因素。水的存在不仅极大地增加了地幔内小规模熔融的机会，而且其含量影响着生成熔体的成分。地幔内的小规模熔融是调整地幔组分的重要机制之一，因此，地幔中的水不仅影响着地幔的物理化学性质乃至动力学过程，也是合理解释许多重大地质现象时必须考虑的重要因素。正因如此，近十年来，对于地幔水的研究不再仅仅局限于了解矿物中水的含量、分布和行为上了，考察微量水与重大地质现象和过程的关系成了新的热点和前沿。

1 地幔对流模型

地幔对流是板块构造运动发生的必要条件，了解对流性质、物理学过程以及伴生的化学变化是认识地球构造运动和物理化学性质演化的必要前提。由于上地幔来源的大洋中脊玄武岩(mid-oceanic ridge basalt，MORB)和下地幔来源的洋岛玄武岩(ocean island basalt，OIB)具有不同的地球化学特征，地球化学家们倾向于地幔分层对流(layered convection)模型：上下地幔各自对流，没有交换。然而，地球物理观测显示，俯冲板块可以穿过地幔过渡带(mantle transition zone，MTZ，地球深部410～660 km区间)进入下地幔，因此上下地幔之间应该是有交换的，而不应该是分层对流的。所以，地球物理学家们相信全地幔对流(whole-mantle convection)模型：地幔作为一个整体发生对流。支持分层对流模型的学者无法无视俯冲板块通过上地幔进入下地幔这个明确的地球物理观测，而支持全地幔对流模型的学者无法解释大洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩之间明显的化学性质差异[2]。这个争论从未得到过调和，直到有人开始考虑地幔不同层圈中矿物水含量的差异。

Bercovici和Karato(2003)[3]根据地幔矿物中水的分配关系，在《Science》发表了一个假说：“过渡带水过滤”全地幔对流模型(“transition-zone water filter” whole mantle convection)。地幔过渡带主要矿物瓦兹利石(wadsleyite)和林伍德石(ringwoodite)的水溶解度远远高于上地幔主要矿物橄榄石，过渡带的水含量(质量分数0.2%～2.0%)也远远大于上地幔。地幔对流过程中，从下地幔来的物质经过410 km界面时，瓦兹利石会发生相变成为橄榄石，同时释放出水引起熔融，形成富集不相容元素的熔体。在这个深度对应的压力下，熔体的密度大于周围矿物，因此熔体在过渡带的顶部停滞形成一个薄层。在俯冲带，这个熔体会被循环进入下地幔，因此下地幔总是富集不相容元素。亏损不相容元素的熔融残余物质将进入上地幔，因此上地幔总是亏损不相容元素。在这个模型中，地幔柱物质是例外，原因是地幔柱温度高，瓦兹利石中水的溶解度随温度升高而降低，但是橄榄石中水的溶解度随温度升高而升高，这样一来，在地幔柱通过410 km界面发生相转变(瓦兹利石→橄榄石)时没有足够的水引起熔融(因此不损失不相容元素)。因此，由地幔柱带来的洋岛玄武岩就总是表现出不相容元素富集的特征。这个模型很好地调和了地球物理观察和地球化学特征之间的“矛盾”，虽然模型本身还有许多待检验之处，但是后续的实验和自然观察的确证实了410 km处熔体层这个关键现象[4]。最近观察到的660 km处熔体层的存在[5]也有力地支持了这个模型。

2 软流圈的起源

岩石圈板块之所以能够移动并引起板块构造运动(plate tectonics)，是因为其下存在一个力学强度弱的软流圈(asthenosphere)。软流圈具有相对低的波速，在海洋地区从60～80 km深度向下延伸至大约220 km深度，而在大陆地区其上界面在120～150 km深度。由于其低速的特征，有人提出矿物间少量熔体形成连通的薄膜造就了软流圈，但是熔体是如何形成的一直是个谜。Mierdel等(2007)[6]实验观察了软流圈深度对应的主要矿物之一——斜方辉石的水溶解度与压力之间的关系，结合已有的另一种主要矿物——橄榄石的实验结果，发现软流圈对应于水溶解度呈现明显最小值的区域。正是由于水的溶解度在岩石圈与软流圈之间有明显的差异，造成了软流圈内小程度熔体的普遍存在。也就是说，正是地幔矿物中水含量的不同，造成了板块构造运动发生的前提——软流圈。

也有学者认为[7]，软流圈内矿物水含量明显高于岩石圈，由于水能显著降低矿物的黏滞度，因此不需要熔体的存在即可造成低黏滞度的软流圈。最近，Masuti等(2016)[8]观察了2012年印度洋8.6级大地震余波引起的瞬时变形，结合水对于矿物变形的影响，也认为海洋软流圈与岩石圈之间黏滞度的差异主要是由于软流圈含有大约10倍于岩石圈的水造成的。

3 岩浆的喷发速率

岩浆喷发是自然界的天灾之一，了解不同类型岩浆的喷发速率是进行火山喷发预警的前提条件。被岩浆从地幔源区携带至地表的矿物常常会由于压力的降低而发生元素扩散，根据元素扩散程度和扩散速率以及岩浆的来源深度，即可计算岩浆的喷发速率。H是矿物中扩散最快的元素，因此，对于快速喷发的岩浆来说，往往只有H能在矿物中以呈现环带的形式给出扩散程度，从而可以用来计算喷发速率。其他的元素(比如氧)由于扩散太慢，无法提供有效记录。

Demouchy等(2006)[9]根据玄武岩浆捕获的橄榄石的H扩散环带，得到碱性玄武岩浆的喷发速率为6±3 m/s。也就是说，对于一个位于地下100 km的玄武岩浆来说，喷发至地表只需要几个小时。因此，对于存在玄武岩岩浆房的地区来说，自岩浆启动上升才采取疏散人员等措施显然是来不及的。一旦某个地区探测到地下岩浆房的存在，就应启动预警模式。

4 金刚石的寻找标志

具有工业价值的金刚石通常都产在金伯利岩中，是深部地幔的产物。但含有金刚石的金伯利岩是不多见的，因此，如何鉴别金伯利岩是否可能含有金刚石就成了急需解决的问题，因为这涉及到采矿成本的巨大差异。

矿物中水含量的差异也能为鉴别金伯利岩是否含有金刚石提供有用的信息。例如，Matveev和Stachel(2007)[10]通过对比金伯利岩中橄榄石的OH红外光谱后发现，只要橄榄石的水含量＞60 ppm，且OH吸收峰主要在3 572 cm-1，那么其寄主的金伯利岩就能产出具有工业价值的金刚石。

5 大陆稳定性

大陆稳定存在是生物生存和繁衍的前提条件，大陆失稳则可能导致气候环境的极速转变，从而引起生物圈的剧变，乃至于生物灭绝。因此，研究大陆稳定性是地球科学家的经典任务。

由于矿物中的水对于黏滞度有显著影响，学界一直相信岩石圈中的水与大陆稳定性之间存在对应关系[11]，但是直到最近才有明确的证据。Peslier等(2010)[12]分析了来自长期稳定(＞25亿年)的南非克拉通岩石圈地幔底部的橄榄石，发现其水含量很低(＜5 ppm)，对应的黏滞度远远高于其下的软流圈，首次提供了低水含量与大陆稳定之间的对应关系的证据。Xia 等(2013)[13]研究了来自经历过大规模破坏的华北克拉通的岩石圈地幔样品，发现破坏发生时岩石圈地幔的水含量很高(橄榄石水含量＞180 ppm)，对应的黏滞度接近于其下的软流圈，这就将高水含量与大陆失稳联系了起来。

6 大火成岩省的形成

大火成岩省指的是短时(＜1～3 Ma)喷发形成的巨量(百万立方千米量级)岩浆岩，其主体是玄武质岩浆，这是地幔岩浆活动在地表最宏伟的展现，具有极其重要的环境(气候变化、生物灭绝等)和资源(超大型金属矿床等)效应。因此，认识大火成岩省是如何产生的就成了地球科学界最重要的课题之一。

从理论上，大火成岩省岩浆的产生与地幔内的异常高温、大幅降压、易熔组分和高水含量有关[14]。目前，核幔边界来源的地幔柱(mantle plume)模型为多数学者采用，其中异常高温、大幅降压和易熔组分是这个模型的核心因素。由于通常认为地幔柱来源的岩浆水含量低，因此水的影响甚微。但是这个模型预测的一些现象(如大规模火山作用之前的明显地壳抬升、放射状岩墙群、火山作用的物理特征、短时限火山作用、地幔柱岩浆的化学组成等)没有在任何一个已知的大火成岩省中全部出现。如果水在大火成岩省形成的过程中发挥了重要作用的话，那么不能同时见到异常高温、大幅降压和基性源岩的表征或者表征不十分明显也就很容易理解了。正因如此，最近学者们开始考虑水的影响。

Ivanov和Litasov (2014)[15]根据西伯利亚玄武岩的Nb/La比值(表征着俯冲再循环组分的多少)随着离开Mongolia-Okhotsk海沟的距离而逐渐升高的特点，提出由于俯冲造成的地幔过渡带高水含量应该与西伯利亚CFB的产生有关。Wang等(2015)[16]研究了中国河北赤峰溢流玄武岩的地球化学特征，也指出这些玄武岩可能源自含水的地幔过渡带。Xia等(2016)[17]通过分析塔里木玄武岩中单斜辉石的水含量，得到塔里木溢流玄武岩源区的水含量为2 500～5 000 ppm，远远高于大洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩的源区，这个结果明确显示了大火成岩省的地幔源区的确是高水含量的。由于水对岩石熔融温度、深度和程度的显著影响，因此在大火成岩省的形成过程中，水一定发挥了重要的作用，这在某种程度上缓解了经典地幔柱模型与自然观察之间的“矛盾”。

7 结语

我们现在已经认识到虽然地幔矿物中的水含量不高，但是显著地影响着一些重大的地质现象和过程。然而，我们对其中的细节还知之甚少。比如，大火成岩省源区中的水到底是来自原始地幔[18]还是来自板块俯冲[19]？水对大火成岩省形成过程中的岩浆演化是如何影响的？水如何影响岩浆的喷发型式？再如，大陆从稳定状态演变到失稳状态的过程中，水是如何起作用的？等等。此外，有些现象和水之间的关系还没有得到揭示。比如，超大型金属矿床的形成多认为与地幔活动有关，而流体是成矿金属元素迁移和富集的最重要载体，因此地幔中的水应该与超大型金属矿床的形成有关，但是目前还没有证据显示这种相关性。再如，超大陆(supercontinent)的裂解总是伴随着大规模的岩浆活动，而水是影响岩浆产生的重要因素，那么，是不是地幔内水分布的调整造成了脉冲式的超大陆裂解？等等。

显而易见，这个领域目前尚处在起步阶段，但由于其重要的科学意义和重大的应用前景，未来可望成为发展地球科学理论新的生长点之一。

(2016年10月28日收稿)

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(编辑：段艳芳)

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，国家杰出青年科学基金获得者，研究领域：地幔中水的分布、循环和大陆稳定性；板内玄武岩的成因和地幔演化；挥发分与大陆溢流玄武岩的形成；矿物中缺陷H-N-C的结合机理和扩散行为。E-mail: qkxia@zju.edu.cn