含水矿物在地球内部水输运和储存方面起着至关重要的作用。现有研究表明，在正常地温梯度条件下，含水矿物在随板块俯冲过程中会逐渐发生脱水作用。然而，在冷俯冲或者超冷俯冲的条件下，含水矿物的脱水作用可能会受到低温的抑制，使其可以随着俯冲板片进入更深的地球深部，进而对地球深部地质作用过程产生重要影响。因此，研究含水矿物在不同温度和压力条件下的稳定性及热物理化学性质对精确了解水在地球内部，特别是俯冲带中的存在形式、俯冲带中的物质组成与结构状态以及俯冲作用动力学过程具有非常重要地学意义。

黝帘石是俯冲板片中重要的含水矿物之一，含有约2 wt.%的水。黝帘石属于绿帘石族矿物，主要产出于各种不同地质环境（如大陆碰撞带和俯冲带等）的高压或超高压变质岩中。但是，不同于其他绿帘石族矿物属于单斜晶系矿物，黝帘石属于斜方晶系矿物。

在地球内部分布着许多速度异常区域，其中，Farallon板块是典型的冷俯冲板块，其比周围上地幔的地温低~ 200℃。现有地球物理观测结果表明，Farallon板块在100-300 km范围内存在高波速异常。但是，关于造成此高波速异常的具体原因仍然存在争议。通过分析现有Farallon板块中出露的榴辉岩的矿物组成可以发现，Farallon板块中的榴辉岩通常富含黝帘石，平均含量可达~16.0 vol.%。因此，Farallon板块中富黝帘石榴辉岩的存在也可能是造成其在100-300 km范围内存在高波速异常的原因之一，但目前仍缺乏相关的实验研究工作加以证实。

针对上述科学问题，中国科学院地球化学研究所范大伟研究员团队，利用金刚石压腔实验装置并结合同步辐射单晶X射线衍射实验技术，系统研究了天然黝帘石在原位高温高压条件下的稳定性及热弹性，获得的主要研究结果如下：

1）在24.8 GPa和700 K的压力和温度条件下，黝帘石是亚稳定的。

2）获得了黝帘石的晶胞体积、零压体弹模量、体弹模量的温度导数和热膨胀系数等参数。依据上述参数并结合前人研究成果，构建了沿Farallon板块地温梯度的黝帘石榴辉岩的密度和体波速度分布模型。

3）在冷俯冲板块内，黝帘石可以将水带到~ 300 km深处。

4）富黝帘石榴辉岩（~ 61.0 vol.%绿辉石、~ 23.0 vol.%石榴子石和~ 16.0 vol.%黝帘石）是引起Farallon板块100-300 km深处高波速异常的可能原因之一。

 

图1：（a）黝帘石的P-T稳定域;（b）黝帘石和黝帘石榴辉岩的密度；（c）黝帘石和黝帘石榴辉岩的体波波速; （d）在100 ~ 300 km深度，3种榴辉岩岩石学模型沿Farallon板状地温梯度与AK135模型之间的速度差。

上述研究成果以Thermal equation of state for zoisite: Implications for the transportation of water into the upper mantle and the high-velocity anomaly in the Farallon plate为题发表在国际地学著名期刊《Geological Society of America Bulletin》上。黄仕杰博士为文章第一作者，范大伟研究员和许金贵研究员为文章共同通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金项目（U2032118、42172048和41802043）、中国科学院青年创新促进会专项基金（2018434）、中国科学院“西部之光”人才培养引进计划“西部青年学者”B类项目、贵州省科技计划基础研究（科学技术基金）重点项目（黔科合基础-ZK[2021]重点042）等项目的联合资助。

文章信息如下：Huang S.J., Ye Z.L., Fan D.W.*, Xu J.G.*, Zhang D.Z., Chen W., Kuang Y.Q., and Zhou W.G. (2023) Thermal equation of state of zoisite: Implications for the transportation of water into the upper mantle and the high-velocity anomaly in the Farallon plate. Geological Society of America Bulletin, 135(5-6): 1178–1186

文章链接：https://doi.org/10.1130/B36479.1

延伸阅读1：Li B., Xu J.G., Zhang D.Z., Ye Z.L., Huang S.J., Fan D.W.*, Zhou W.G., and Xie H.S. (2021) Thermoelasticity and stability of natural epidote at high pressure and high temperature: Implications for water transport during cold slab subduction. Geoscience Frontiers, 12(2), 921–928

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.gsf.2020.05.022

延伸阅读2：Huang S. J., Xu J. G., Liu D. R., Li B., Ye Z. L., Chen W., Kuang Y. Q., Chi F. L., Fan D. W.*, Ma M. N.*, and Zhou W. G. (2021) Stability and Thermoelasticity of Diaspore by Synchrotron X-ray Diffraction and Raman Spectroscopy. Frontiers in Earth Science, 9, 752566

文章链接：https://doi.org/10.3389/feart.2021.752566

 

（高压室 范大伟课题组/供稿）