2019-08-20 00:13:02
深层地球内部的水循环

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H相是含水矿物,被认为是深入地球的重要水载体。我们通过基于量子力学的理论计算确定了H相的解离条件。 H相在1000K下以大约60GPa分解。这表明H相的水输送可以在下地幔中部的大约1,500km的深度处终止。

地球深层水的存在被认为在地球动力学中起着重要作用,因为水会大大改变地幔岩石的物理性质,如熔化温度,电导率和流变性质。水由俯冲冷板中的含水矿物质输送到地下深处。含水矿物,如蛇纹石,云母和粘土矿物,在晶体结构中含有羟基(-OH)形式的H2O。由于高温和高压条件,大多数含水矿物在被运输到40-100公里深的深地球时会分解成无水矿物和水(H2O)。

然而,据报道,如果俯冲板比周围的地幔明显更冷,一些含水矿物,称为致密的含水硅酸镁(DHMSs),可以在地球内部的较深部分存活。 DHMS是一系列含水矿物质,在地球深处内部的压力下具有高稳定性。 DHMS也称为“字母相”:A相,B相,D相等。

直到最近,已知D相(化学组成:MgSi2O6H2)是DHMS的最高压力相。然而,Tsuchiya 2013进行了第一原理计算(基于量子力学的理论计算方法)来研究D相在压力下的稳定性,发现该相转变为化学成分为MgSiO4H2的新相(加上stishovite,高压如果系统保持相同的化学组成,则SiO 2的形式高于40 GPa(GPa = 109 Pa)。 Nishi等人已经通过实验证实了这一预测阶段。 2014年并命名为“H期”(图1)。 Tsuchiya 2013的理论计算还表明,H相通过进一步压缩释放H2O最终分解成无水矿物MgSiO3。

虽然理论计算估算了下地幔中部(从660公里到2900公里深)的H相的分解压力,但尚未实现详细的测定,因为需要估算H2O的吉布斯自由能。确定相H的分解压力。吉布斯自由能是一种热力学势,可以决定系统的稳定性。在较低的地幔条件下,H2O相具有氢无序位置的晶体结构,即氢位置在几个不同位置之间统计分布。为了计算氢的无序状态,Tsuchiya和Umemoto 2019计算了几种不同的氢位置,并使用基于统计力学的技术估算了H2O的吉布斯自由能。

结果,他们估计H相的分解压力在大约62 GPa时在1000 K,对应于〜1500 km深度(图2)。该结果表明,通过俯冲板的水输送终止于Mg-Si-O系统中下地幔的中部。 Tsuchiya和Umemoto 2019也提出,可以通过俯冲板中H相的分解来稳定超离子冰。在超离子冰中,氧原子在晶格点处结晶,而氢原子可自由移动。尚未确定超离子冰与周围矿物之间的化学反应,但超离子冰中氢的高扩散性可能比固体冰中的反应更快,但不同于水,即H2O的液相。

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