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[小科普：随我看地球 - XXVI]隐匿于地幔深处的“大洋”与地球水循环的奥秘
中华新闻网 2025-03-15 10:34
中华新闻社多伦多电（记者 马淼） 众所周知，地球表面的海洋占地球面积的71%，然而鲜为人知的是，在地壳之下约660公里的地幔深处，还隐藏着几个规模惊人的“大洋”。它以结晶水的形式锁存在高压矿物中，其总储量或为地表海洋的3倍以上。这一发现不仅颠覆了人类对地球水循环的认知，更揭示了水在地球演化、板块运动乃至生命起源中的核心作用，并改写地球和海洋的构成理论。
地幔中的“隐形海洋” - 矿物晶格中的水世界。我们知道，我们的地球主要由地壳，上地幔，下地幔，地心外核和内核组成（图1）。地幔并非干燥的岩石层，而是通过高压矿物结构储存着巨量水分。以地幔过渡带（410-660公里深度）为例 （图2），富含铁的尖晶石结
图1，地球的内部结构图， 图片来自网络。
图2，林伍德石（Ringwoodite）在上，下地幔之间过渡带(Transition Zone, 410-660公里)中的分布图，图片来自网络。
构矿物林伍德石（Ringwoodite）是关键储水介质, 学名叫尖晶橄榄石。实验显示，林伍德石可容纳高达2.5%重量的水分子，这些水并非液态，固态，或气态，而是以氢氧根离子（Hydroxide, OH-）形式嵌入橄榄石晶体结构的氧空位中，通常称结构水或化合水。为便于理解，可以不形象地比喻为"含水棉球”。根据地震波速度异常反演，过渡带若达到1%含水饱和度，其储水量即可达地表海洋水总和。
林伍德石一般而言是一种深蓝色的矿物（图3），当然也有红色，紫色或无色，属硅酸镁（Mg2SiO4）的高压相，是橄榄石的一种同质多相变体，形成于地幔 525 至 660 公里深度的高温高压下，呈多晶型。
图3，林伍德石（Ringwoodite），图片来自网络。
林伍德石是以澳大利亚科学家名字Ringwood命名的。林伍德石于1969年首次发现于陨石中。2009年，加拿大艾伯塔大学研究人员John McNeil在英国《自然》杂志上报告说，他们首次发现了来自上下地幔过渡带的钻石中收现了林伍德石（图4），其含水量为1.5%，从而证明有关过渡区含有大量水的理论是正确的。
图4，钻石晶体中的林伍德石（Ringwoodite, 红方块所示），图片来自网络。
在上、下地幔的过渡带，还存在另外一种矿物，叫瓦兹利石（Wadsleyite），是以矿物学家Arthur Wadsley的名字命名的，化学式为β-(Mg, Fe)2SiO4，属硅锰矿, 橄榄石的一种高压相。尽管的化学式中不含氢，但它可能含有3%以上的水，并且可能在过渡区高压、高温度条件下与含水熔融体共存。
2022年，美国普渡大学的钻石专家谷婷婷（Tingting Gu）等人分析了来自博茨瓦纳（Botswana）Karowe矿IaB型宝石钻石时，发现其中的矿物包裹体林伍德石在660 km间断面（此处压力相当于23.5GPa , 温度相当于1,650°C）处的水饱和环境中会分解成布里古奇曼石（Bridgmanite）和 铁方镁石（Ferropericlase）（图5），证明橄榄岩成分和含水条件至少穿过过渡带并延伸进入下地幔。
图5，钻石晶体中的林伍德石（Ringwoodite），布里奇曼石（Bridgmanite）, 和 铁方镁石（Ferropericlase）和顽火辉石（Enstatite）分解演化图，图片来自网络。
下地幔的主导矿物布里奇曼石（Bridgmanite，占地球体积38%）同样具有储水能力。它是由林伍德石分解而来（图5）。尽管其含水量仅约0.1%，但考虑到下地幔占据地幔总体积的55%，其储水总量仍可能达到地表海洋的1.5倍。
布里奇曼石是一种高压矿物，最早发现在45 亿年前的特纳姆（Tenham）陨石中，也叫镁铁硅酸盐 (Mg, Fe)SiO₃，是地球下地幔中最丰富的矿物。它以物理学家珀西·布里奇曼 (Percy Bridgman) 的名字命名。Bridgman因在高压物理学方面的成功而获得诺贝尔奖。 布里奇曼石很重要，因为它构成了地球内部的很大一部分，了解其特性有助于科学家更多地了解地球深处以及驱动板块构造和火山活动的过程。
值得一提的是，在上期（XXV）科普中，我们介绍了非洲和太平洋底下的下地幔存在着二个几十亿年前的超级残余大陆，其主要的矿物成份就是布里奇曼石，大约占70-80%左右。由此可见，残余古大陆可能存在着更多的水。
在上地幔顶部，因布里奇曼石减压降温后分解而来的顽火辉石（Enstatite，见图5）在俯冲板块脱水过程中扮演关键角色，其含水相变可引发深源地震。
除了上述的结构水， 地幔中可能还有另外一种水，叫游离水，即水分子直接溶解在熔岩和岩石中。游离水虽然数量不多， 但是它的影响会更加显著， 因此，对地球的地质活动和地壳运动的意义也是不言而喻。
另外，由于板块运动引发的俯冲作用，地壳碎块和沉积物下沉到地幔中时，会将大量海水带入地幔， 比如， 光是一个马里亚纳海沟每年向地幔注入的水就有30亿吨。在世界各大洋，这样的海沟和张裂带星如其布，可以想象， 每年向地幔注入的水无法估量。
所有这些水无疑会对地球内部活动，地内岩石的物理, 化学和同位素变化，热量传递，物质的密度，粘度和摩擦，板块移动，地震和火山活动，地球内部的能量释放和内外循环的规模及速度会产生重大影响。
水对地幔动力学的调控堪称精妙。在俯冲带，含水矿物相变释放的水使地幔楔熔点下降200-300℃，诱发部分熔融形成安山质岩浆，这是环太平洋火山链的能量之源。数值模拟显示，地幔含水量每增加0.1%，对流速度提升15%，板块俯冲深度增加20公里。
海底扩张脊则呈现反向过程。上涌地幔在减压脱水时，释放的水量控制着洋壳厚度，大西洋中脊下方地幔含水0.1%，形成8公里标准洋壳；而东太平洋隆起因地幔更干燥，洋壳仅6公里。这种差异最终通过重力均衡作用，导致大西洋平均水深比太平洋浅500米。
地表海洋与地幔水库通过俯冲-火山循环实现物质交换。当前全球俯冲带每年向地幔输入1×10¹²吨水，而火山脱气每年释放6×10¹¹吨，净亏损速率使得地表海平面每百万年下降10米。
地幔“大洋”的发现重塑了行星水循环理论：水不仅是地表活跃组分，更是贯穿地球各圈层的“地质血液”。它降低岩石强度促进板块运动，调控地幔对流样式，甚至可能通过海底热液活动为生命起源提供持续的能量-物质交换界面。未来，结合矿物物理实验、高分辨率地震层析成像和纳米级同位素分析技术，人类或将揭示更多关于地球深部水循环的奥秘。这不仅关乎我们对蓝色星球的认知，也为系外类地行星的水分布研究提供了关键参照系。这颗蓝色行星的真正奥秘，或许正隐藏在那片涌动于岩石之间的无形深洋之中。章纪君（2025-3-1）
地幔中的“隐形海洋” - 矿物晶格中的水世界。我们知道，我们的地球主要由地壳，上地幔，下地幔，地心外核和内核组成（图1）。地幔并非干燥的岩石层，而是通过高压矿物结构储存着巨量水分。以地幔过渡带（410-660公里深度）为例 （图2），富含铁的尖晶石结
图1，地球的内部结构图， 图片来自网络。
图2，林伍德石（Ringwoodite）在上，下地幔之间过渡带(Transition Zone, 410-660公里)中的分布图，图片来自网络。
构矿物林伍德石（Ringwoodite）是关键储水介质, 学名叫尖晶橄榄石。实验显示，林伍德石可容纳高达2.5%重量的水分子，这些水并非液态，固态，或气态，而是以氢氧根离子（Hydroxide, OH-）形式嵌入橄榄石晶体结构的氧空位中，通常称结构水或化合水。为便于理解，可以不形象地比喻为"含水棉球”。根据地震波速度异常反演，过渡带若达到1%含水饱和度，其储水量即可达地表海洋水总和。
林伍德石一般而言是一种深蓝色的矿物（图3），当然也有红色，紫色或无色，属硅酸镁（Mg2SiO4）的高压相，是橄榄石的一种同质多相变体，形成于地幔 525 至 660 公里深度的高温高压下，呈多晶型。
图3，林伍德石（Ringwoodite），图片来自网络。
林伍德石是以澳大利亚科学家名字Ringwood命名的。林伍德石于1969年首次发现于陨石中。2009年，加拿大艾伯塔大学研究人员John McNeil在英国《自然》杂志上报告说，他们首次发现了来自上下地幔过渡带的钻石中收现了林伍德石（图4），其含水量为1.5%，从而证明有关过渡区含有大量水的理论是正确的。
图4，钻石晶体中的林伍德石（Ringwoodite, 红方块所示），图片来自网络。
在上、下地幔的过渡带，还存在另外一种矿物，叫瓦兹利石（Wadsleyite），是以矿物学家Arthur Wadsley的名字命名的，化学式为β-(Mg, Fe)2SiO4，属硅锰矿, 橄榄石的一种高压相。尽管的化学式中不含氢，但它可能含有3%以上的水，并且可能在过渡区高压、高温度条件下与含水熔融体共存。
2022年，美国普渡大学的钻石专家谷婷婷（Tingting Gu）等人分析了来自博茨瓦纳（Botswana）Karowe矿IaB型宝石钻石时，发现其中的矿物包裹体林伍德石在660 km间断面（此处压力相当于23.5GPa , 温度相当于1,650°C）处的水饱和环境中会分解成布里古奇曼石（Bridgmanite）和 铁方镁石（Ferropericlase）（图5），证明橄榄岩成分和含水条件至少穿过过渡带并延伸进入下地幔。
图5，钻石晶体中的林伍德石（Ringwoodite），布里奇曼石（Bridgmanite）, 和 铁方镁石（Ferropericlase）和顽火辉石（Enstatite）分解演化图，图片来自网络。
下地幔的主导矿物布里奇曼石（Bridgmanite，占地球体积38%）同样具有储水能力。它是由林伍德石分解而来（图5）。尽管其含水量仅约0.1%，但考虑到下地幔占据地幔总体积的55%，其储水总量仍可能达到地表海洋的1.5倍。
布里奇曼石是一种高压矿物，最早发现在45 亿年前的特纳姆（Tenham）陨石中，也叫镁铁硅酸盐 (Mg, Fe)SiO₃，是地球下地幔中最丰富的矿物。它以物理学家珀西·布里奇曼 (Percy Bridgman) 的名字命名。Bridgman因在高压物理学方面的成功而获得诺贝尔奖。 布里奇曼石很重要，因为它构成了地球内部的很大一部分，了解其特性有助于科学家更多地了解地球深处以及驱动板块构造和火山活动的过程。
值得一提的是，在上期（XXV）科普中，我们介绍了非洲和太平洋底下的下地幔存在着二个几十亿年前的超级残余大陆，其主要的矿物成份就是布里奇曼石，大约占70-80%左右。由此可见，残余古大陆可能存在着更多的水。
在上地幔顶部，因布里奇曼石减压降温后分解而来的顽火辉石（Enstatite，见图5）在俯冲板块脱水过程中扮演关键角色，其含水相变可引发深源地震。
除了上述的结构水， 地幔中可能还有另外一种水，叫游离水，即水分子直接溶解在熔岩和岩石中。游离水虽然数量不多， 但是它的影响会更加显著， 因此，对地球的地质活动和地壳运动的意义也是不言而喻。
另外，由于板块运动引发的俯冲作用，地壳碎块和沉积物下沉到地幔中时，会将大量海水带入地幔， 比如， 光是一个马里亚纳海沟每年向地幔注入的水就有30亿吨。在世界各大洋，这样的海沟和张裂带星如其布，可以想象， 每年向地幔注入的水无法估量。
所有这些水无疑会对地球内部活动，地内岩石的物理, 化学和同位素变化，热量传递，物质的密度，粘度和摩擦，板块移动，地震和火山活动，地球内部的能量释放和内外循环的规模及速度会产生重大影响。
水对地幔动力学的调控堪称精妙。在俯冲带，含水矿物相变释放的水使地幔楔熔点下降200-300℃，诱发部分熔融形成安山质岩浆，这是环太平洋火山链的能量之源。数值模拟显示，地幔含水量每增加0.1%，对流速度提升15%，板块俯冲深度增加20公里。
海底扩张脊则呈现反向过程。上涌地幔在减压脱水时，释放的水量控制着洋壳厚度，大西洋中脊下方地幔含水0.1%，形成8公里标准洋壳；而东太平洋隆起因地幔更干燥，洋壳仅6公里。这种差异最终通过重力均衡作用，导致大西洋平均水深比太平洋浅500米。
地表海洋与地幔水库通过俯冲-火山循环实现物质交换。当前全球俯冲带每年向地幔输入1×10¹²吨水，而火山脱气每年释放6×10¹¹吨，净亏损速率使得地表海平面每百万年下降10米。
地幔“大洋”的发现重塑了行星水循环理论：水不仅是地表活跃组分，更是贯穿地球各圈层的“地质血液”。它降低岩石强度促进板块运动，调控地幔对流样式，甚至可能通过海底热液活动为生命起源提供持续的能量-物质交换界面。未来，结合矿物物理实验、高分辨率地震层析成像和纳米级同位素分析技术，人类或将揭示更多关于地球深部水循环的奥秘。这不仅关乎我们对蓝色星球的认知，也为系外类地行星的水分布研究提供了关键参照系。这颗蓝色行星的真正奥秘，或许正隐藏在那片涌动于岩石之间的无形深洋之中。章纪君（2025-3-1）
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