水通过海洋板块输送到地球深处，改变矿物和岩石的性质，影响地球形成以来地球内部的物质循环和环境演变。由德国拜罗伊特大学巴伐利亚地质研究所和日本东北大学的TakayukiIshii博士和Ho-kwangMao博士(HPSTAR高压科学与技术高级研究中心)领导的一个国际研究小组揭示了铝硅石在下地幔中作为水载体起主要作用.他们确定了俯冲板块上部玄武岩地壳中的重要矿物二氧化硅矿物的氧化铝和水含量。

铝硅石下地幔的主要水载体

结果表明，在下地幔上部广泛稳定的金红石型二氧化硅(stishovite)在含有水和氧化铝时会发生相转变为CaCl2型相。CaCl2型铝硅石的含水量是其他下地幔矿物的10倍以上，即使在下地幔中的温度非常高的情况下也是如此。这一发现将有助于阐明下地幔中水的起源和地幔中的水循环。研究结果于10月24日发表在《美国国家科学院院刊》上。

自地球诞生以来，水就在地球表面和内部穿行，引发地震和火山活动，影响地球内部环境的演化。据估计，地球内部可储存的水量是地球表面海水的数倍。

水(海水)通过海洋板块输送到地球内部。为了防止水从板中泄漏出来，构成板的矿物质通过将水结合到它们的晶体结构中来有效地运输水。人们认为这些矿物质被板块运送到下地幔，然后通过上升流返回地球表面。目前尚不清楚地球内部储存了多少水以及它如何返回地球表面。要了解这些问题，重要的是要了解水幔矿物质可以包含多少以及它们可以保持水的稳定性。

已经发现，在大洋岛火山(例如热点)中发现的玄武岩比其他玄武岩含有更多的水，这些火山被认为起源于下地幔。这表明下地幔起着主要水库的作用。

然而，以往的高温高压实验表明，构成俯冲板块下部橄榄岩的主要下地幔矿物所含水量非常少。因此，俯冲到下地幔中的水极有可能储存在玄武质结壳的矿物中，也就是板块的上层。

在这项研究中，我们专注于在玄武质结壳中含量丰富的二氧化硅矿物。尽管已经提出这种矿物含有大量的水，但由于玄武岩也富含氧化铝，因此更可能存在于玄武岩结壳中的铝二氧化硅中的水溶性尚未在下地幔条件下进行深入研究。

我们通过高温高压实验在最高下地幔条件下合成了高质量的铝硅单晶，并通过红外光谱测定了其精确的含水量。结果，我们发现二氧化硅中的氧化铝含量随着温度的升高而增加，而在1700°C以上，地幔的平均温度，金红石型二氧化硅(stishovite)，在下地幔顶部稳定，经历相变到CaCl2型相。CaCl2型铝硅石比石英石含有更多(超过1wt.%)的水，甚至高于平均地幔温度。

这是其他下地幔矿物所能容纳的水含量的10多倍。由于氧化铝含量随温度增加，因此预计水含量也与温度成比例增加。先前报道的地幔矿物随着温度的升高而释放水：它们的水含量通常随着温度而降低。由于地球内部的温度随着深度的增加而增加，这一特性意味着矿物的持水能力随着深度的增加而降低。

当水从矿物中释放出来时，它与岩石反应形成含水岩浆，它从板块中分离出来并移动到地表。因此，矿物释放水的深度被认为是输水深度的上限。有人指出，在特别热的下地幔中，矿物质不能保持水分，也可能无法运水。与这一特性相反，本研究中合成的矿物质的含水量随温度升高而增加，即使在地幔中最热的羽流条件下也能容纳大量的水。

此外，其他矿物释放的水并没有从板块中分离出来，而是被板块玄武质层中的铝硅石重新捕获，从而使水在不损失水分的情况下被输送到地幔深处。此外，羽流还可以将水再次从下地幔输送到上地幔。因此，CaCl2型铝水合二氧化硅可能是下地幔最有希望的水载体。在过渡带和上地幔中，发生了从CaCl2型相到硅藻土的逆相转变，并且认为随着铝二氧化硅中的持水能力降低，水从二氧化硅中释放出来。

迄今为止发现的地幔局部结构，如过渡带-下地幔边界正下方的地震低速层、边界处的羽状积水和含水过渡带，被认为是由水的存在来解释的。，而铝水合二氧化硅的行为可以成功地解释这些现象。