兰州大学研究团队揭示地球深部水循环机制

水是人类生存与发展的重要资源，也在地球及生命的起源与演化过程中发挥了关键作用。因此，地球深部水循环及其地质效应长期以来一直是地球科学领域的研究前沿和热点问题。研究表明，俯冲板块中的含水矿物是地表水进入地球深部的主要携带者。然而，诸多含水矿物仅能沿着冷俯冲地温梯度在不超过地幔300 km的深度保持稳定，探索能够在地幔高温高压环境下稳定存在的含水矿物，是深入理解地球深部水循环机制的关键所在。

Al₂O₃-SiO₂-H₂O体系可代表简化的大洋沉积物，是少数能在地幔正常地温梯度下稳定的含水体系。近日，兰州大学地质科学与矿产资源学院岩石圈演化与战略矿产团队王宝云博士与国内外多个单位的学者合作，通过电子探针、纳米离子探针、拉曼光谱以及单晶X射线衍射等手段，系统研究了该体系的含水铝硅酸盐（包括Egg相、羟基黄玉相、Psi相和Al-D相等）的晶体结构，发现在地幔过渡带冷俯冲地温梯度下合成的含水铝硅酸盐的晶体结构普遍呈现有序态，而在正常地温梯度下合成的含水铝硅酸盐的晶体结构普遍呈现无序态（图1）。尤其是，Al和Si原子广泛占据了新的四面体和八面体位置，而这些位置在其有序端元中原本是空缺的（图2）。

图1. 含水铝硅酸盐在地幔过渡带条件下的晶体结构演化示意图。实心符号表示无序晶体结构，空心符号表示有序晶体结构。

图2. 典型含水铝硅酸盐中代表性的晶体结构无序机制示意图。

同时，研究团队系统分析了各类含水铝硅酸盐的晶体结构，厘清了它们之间的结构关联。研究发现，晶体结构的无序性在多个相变过程中起到了关键作用，例如诱导了羟基黄玉I相向羟基黄玉II相、Psi相向Al-D相的转变。研究团队进一步提出，含水铝硅酸盐结构中的无序引入了额外的熵，是它们在地幔过渡带条件下普遍能稳定至高达2000 ℃的关键机制。同时，这种结构无序性还促进了更多氢元素掺入晶体结构，从而显著影响地幔深部水循环过程（图 3）。

图3 含水铝硅酸盐参与地幔深部水循环示意图。

上述研究成果发表于《Nature Communications》期刊。兰州大学地质科学与矿产资源学院为第一单位，参与的研究单位包括燕山大学、美国斯坦福大学、中国科学院地质与地球物理研究所、重庆大学、中国科学院广州地球化学研究所。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-56312-z