地幔中水的研究进展

地质科技情报990407

GEOLOGICAL SCIENCE AND

TECHNOLOGY INFORMATION

1999年 第18卷 第4期

Vol.18 No.4 1999

地幔中水的研究进展①

韩庆军　邵济安

摘　要　地幔中的水不但对地幔地球化学动力学、地球物理场有着重要的影响，而且对认识地球内部挥发分的再循环以及整个行星地球的演化均有着关键性的科学意义。简要评述了这一领域的研究进展，介绍了地幔中水的赋存状态、位置及其影响因素，并初步估算了地幔中水的含量。

关键词　地幔　水　高密度含水镁硅酸盐矿物(DHMS)　名义上的无水 矿物(NAMS) 分类号　P578.4+1

PROGRESS OF STUDY ON WATER IN THE EARTH’S MANTLE

　　　Han Qingjun　　　　　　Shao Ji'an

(Institute of Geology and Geophysics,CAS,Beijing,100029)　(Peking Unive rsity,

Beijing,1000871)

Abstract　Water plays an important role not only in geochemical d ynamic processes and geophysical fields in the Earth's upper mantle,but in the u nderstanding of recycling of volatiles in the Earth's interior and the evolution of the planet as a whole.Advances in the study of water in the mantle over the recent years are reviewed in the paper.The storing

states,storage sites and th eir control factors are briefly illustrated,and the content of water in the Eart h's mantle is evaluated.

Key words　mantle,water,density hydrous magnesian silicates(DHMS) ,nominally

anhydrous minerals(NAMS)

　　水在地幔地球动力学过程中起着重要的作用。研究表明微量的水可以降低上 地幔主要矿物相橄榄石和辉石的机械强度，增加离子扩散速度，改变介电特性，影响风化速 率〔1～4〕。

Karato〔5〕认为氢离子的迁移或水的存在是造成软流圈电导率 高异常的原因。确定地幔中水的含量及其赋存状态和位置对认识挥发分的地球化学再循环，甚至整个行星演化具有重要意义。有的研究者认为海洋和大气是通过地球内部连续脱气聚集 形成的，这些推断需要地幔中有合适的水储库。近期的研究也表明现今海洋中的水主要来自 于300 km深处(或更浅)的地幔熔体〔6〕。

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1　地幔矿物中的水

1.1　地幔高密度含水镁硅酸盐矿物中的水

　　自从高温高压下简单的MgO-SiO2-H2O体系中高密度含水镁硅酸盐矿物(DHMS)首次被报 道以来，许多研究人员认为这些矿物可以在地幔深部储存水。这些含水矿物相或在高温高压 实验中合成〔7，8〕，或根据矿物晶体结构方法预测得到〔9〕。目前已公开 发表的DHMS矿物有十几种(表1)。不同的DHMS矿物具有不同的温压稳定范围，因此对地幔中 水的行为和储存也会产生不同的影响。有关的实验表明含水A相在T＞1

000°C，p 为6～15 GPa条件下不稳定，粒硅镁石在T＞950°C，p为9～10 GPa下不稳定〔11〕。Liu〔12〕对蛇纹石在28 GPa，700～1 000°C条件下的实验结果表明，在不 同的压力范围内，许多DHMS矿物可以和斯石英及水镁石共存，如含水D相在接近660 km地震 波速不连续面附近的俯冲板片内仍可以保持稳定。Kanzaki〔11〕的实验结果也证明含水B相在10～15 G Pa下可以稳定于湿的地幔橄榄岩固相线之上的温度范围内。目前已有报道的DHMS矿物中具有 最高稳定温度的是超含水B相，在有氟存在的条件下，它可以稳定于

1 4 50°C，17.8～18.2 GPa〔13〕。

表1　地幔中的高密度含水镁硅酸盐矿物(DHMS)

Table 1　High-density hydrous magnesian silicate

minerals in the Earth's mantle

矿物相

含水A相

含水B相成　　分MgIV7 Si2O8(OH)6MgVI24SiIV2Si6O38

(OH)4)

MgVI10SiIV1Si2O14

(OH)4)

Mg(7-x)Si(2+x)O(9

+x)(OH，F)4 密度/ (g.cm-3)2.9593.36 8资料 来源〔9〕〔9〕超含水B相3. 210〔9〕含水C相

含水D相

含水E相

含水F相

硅镁石

??2 .890～ 3.200?3.150〔10〕〔8〕〔11〕〔11〕〔9〕MgSiO4H2(?)Mg2.27Si1.26H2.4O6Mg1.2Si1.8H2.4O6MgIV7Si3O12(OH)2

块硅镁石

粒硅镁石

斜硅镁石

10A含水相MgIV3Si1O4(OH)2MgIV5Si2O8(OH)2MgIV9Si4O16(OH)2Mg3Si4O14H63.0903.0603.1392.650〔9〕〔9〕〔9〕〔7，8〕

　　但是，绝大部分DHMS矿物热稳定性的温度上限都较低，约为1 000°C，意味着这些矿物只能 稳定存在于俯冲板片中而不能存在于地幔其它部位，因此，和DHMS矿物有关的地幔中水 的储存以及水的行为主要集中在俯冲板片中及其附近。

1.2　地幔普通含水矿物中的水

　　蛇纹石、滑石、水镁石、云母及角闪石等均是地幔中的普通含水矿物，其中金云母和角闪石 是大陆上地幔岩石捕虏体中最常见的含水矿物。据Kushiro等〔14〕的实验结果，在 橄榄岩地幔中，金云母至少可以稳定于1 300°C，4 GPa条件下。地幔中金云母的含量主要 取决于钾和H2O的丰度以及二者的相对含量。过量的钾要求有另外的含钾的矿物；过量的 水则会导致形成别的含水矿物，甚至是含水熔体。

　　Sudo等〔15〕证实在p＞6 GPa条件下，钾-碱镁闪石比金云母+透辉石更稳定。 其实验表明在p为6～11 GPa，T为1 000～1 300°C条件下，金云母+透辉石组 合被钾-碱镁闪石+橄榄石+单斜辉石+石榴子石所取代。实验结果中没提到有熔融作用发生 ，暗示钾-碱镁闪石在高于湿的橄榄岩固相线200°C的条件下还可以稳定存在。Tronne s等〔16，17〕的实验则证实在13～14 GPa条件下，钾-碱镁闪石又被另一低Al、高 钾的角闪石［其理论分子式为K3.2Mg6.5Al0.5Si7.0O22 (OH)2］所取代，共存的还有另一含水的钾质硅酸盐矿物。这表明钾-角闪石能够在上 地幔和过渡层中储存水，甚至在某种情况下还可以储存原生水。地幔中钾-角闪石的含量主 要取决于钾的数量。地幔过渡层中钾的含量约为(660～1 000)×10-6〔18，19〕 ，意味着钾-角闪石中可以储存约200×10-6的水。富K，Na的角闪石、金云母尽管 可以稳定于上地幔温压范围内，但由于它们的丰度以及储水能力明显受到地幔岩石平均碱含 量低的限制，因而这些含水矿物可能主要赋存于地幔中相对富集不相容元素的局部地区。

1.3　地幔名义上的无水矿物中的水

　　近年来，对一系列幔源名义上的无水矿物(NAMS)的红外光谱测定结果表明它们中的绝大多数 都含有微量的水。这些矿物包括石榴子石、橄榄石、辉石、金红石、锆石、刚玉、透长石、 蓝晶石、柯石英和金刚石等。Bell等〔20〕对245个幔源主要NAMS矿物(橄榄石、辉石 和石榴子石)的红外光谱研究结果显示其中的水含量可从10-6变化到数千10-6 。石榴子石中结构水含量的变化范围较宽，从10-6到200×10-6，大多数小于6 0×10-6，且(OH)含量和石榴子石的产状有一定的相关性，如王五一等〔21〕 的研究结果表明金伯利岩中镁铝榴石的含水量可以高达700×10-6，而碱性玄武岩中 则不含结构水。这种差异可能反映了地幔在较大尺度上含流体的不均一性。对上地幔岩石样 品中斜方辉石和单斜辉石的红外光谱系统研究表明，所有的斜方辉石都含有较高的结构水［ (100～450)×10-6］；不同组分的单斜辉石，包括透辉石、普通辉石和绿辉石也都含 有较高的结构水［(150～1 080)×10-6］〔20〕。在单斜辉石中，富钠的辉石 如绿辉石显示了很强的含水特性，其含水量可从1 000×10-6到1 840×10-6 〔22，23〕，这也是目前

已知的最富水的地幔辉石，它可能表明辉石，尤其是富钠的辉 石是上地幔中结构水最主要的寄主矿物相。相比较而言，橄榄石中结构水含量变化很大，从 小于10-6到100×10-6，且石榴辉石岩中的橄榄石较尖晶石二辉橄榄岩中的结 构水含量要高。目前已发现的含水量最丰富的橄榄石为其变种β-Mg2SiO4，含水 量可达4 000×10-6〔24〕。因此，在地幔过渡层中不含钾的部位，水可能主 要保存在β-Mg2SiO4中。这些名义上的无水矿物在上地幔中占了绝大多数，有很 宽的温压稳定范围，并且没有特定的成分上的要求。因此，它们作为地幔中水储库的意义也 就显得相当重要。

2　地幔中水的赋存状态及其制约

　　地幔中的水可以结构水(OH)形式赋存在矿物结构中，也可以作为自由流体相，或溶进硅酸盐 岩及碳酸盐岩熔体中，其赋存状态及分布主要受地幔热结构的控制。对流地幔中不同部位的 温度分布、各地幔矿物的稳定区间及熔融反应均可以导致地幔中水的分布及赋存状态不均一 化。此外，它和特定的大地构造背景也有一定的联系〔25〕。图1是由高温高压实验 岩石学以及地球物理资料共同制约的上地幔热结构图。图中ACMC为现今地幔平均绝热线，其 地表温度为1 280°C，相当于因大洋岩石圈伸展减薄导致地幔减压部分熔融形成大洋中脊玄 武岩的温度。地幔柱绝热线(PA)比ACMC高200°C。DPS和WPS分别为干的和湿的地幔橄榄岩固 相线。WPS比DPS低约500°C，且二者大致平行。因为固相线温度被降低的程度和熔体中溶解的水量呈正比，所以它有可能反映了水饱和的熔体中的含水量。 有关实验结果表明 在2 GPa熔体-蒸汽饱和情况下水的溶解度约为20%〔26〕，意味着沿整个WPS，熔体 中的水含量可以高达20%。ACMC和WPS相交于660 km附近，暗示上地幔和过渡层的任何自由水 均可以保存在熔体中，如其浮力较周围地幔大或密度较周围地幔小，则会沿绝热线向上运移 。换言之，如果含水矿物在温度高于ACMC时不能稳定，就会发生熔融并将水保存在熔体中。 图1中的“WL”为地幔中的水线，这一概念由Liu〔8〕提出。他在考察高温高压下Mg 2SiO4-MgSiO3体系相转变过程中水的作用时发现，地幔中只要有橄榄石和水共存(哪 怕只有极少量水)，就会发生以下反应：5Mg2SiO4(橄榄石)+3H2O=3MgSiO3(辉石)+M g7Si2O14H6(含水A相)，并由实验确定了其平衡反应边界：p(108Pa)=17 +0.074T(°

C)。这一反应即被称为“水线”，它表明当压力低于水线时，地幔深部含 水矿物相中的水将会释放出来，并以自由水形式存在。在某种意义上，水线即为深部含水矿 物相的脱水临界线。水线与WPS相交于1 250°C，10.5 GPa附近，意味着在此之上，水将从

含水矿物相中释放出来，并进入熔体中。

图1　上地幔热结构简图

Fig.1　Sketch map of thermal regime in the uppper mantle

ACMC为现今地幔平均绝热线；PA为地幔柱绝热线；DPS和WPS分别为 干的和湿的地幔橄榄岩固相线；WL为Liu提出的地幔水线。phl为金云母；amp为角闪石；K- amp为钾角闪石；olv为橄榄石；cpx为单斜辉石；opx为斜方辉石；grt为石榴子石；per为钙

钛矿；β为β-Mg2SiO4；γ为γ-Mg2SiO4

　　综上所述，水在地幔中的赋存和分布可以大致分为以下几种情况：①在水线以下区域，水主 要以结构水形式赋存于高温高压下能够稳定存在的含水矿物相中，其中包括绝大多数高密度 含水镁硅酸盐矿物、名义上的无水矿物及富钾的角闪石等；②在水线及WPS以上区域，水以 结构水形式存在于名义上的无水矿物及一些普通含水矿物如金云母中，但更多的是赋存在硅 酸盐岩或碳酸盐岩熔体中：③在水线以上、WPS以下区域，水可能主要以结构水形式存在于 普通含水矿物及名义上的无水矿物中，在水线附近，可能会有极少量水以自由流体相存在。

3　地幔中水的含量

　　地幔中不同部位热结构的差异以及地幔本身的地球化学不均一性，造成地幔中水的含量及赋 存具有较大的变化。对玄武岩玻璃的研究结果表明正常洋中脊(N-MORB)地幔源区含水量为( 100～200)×10-6〔27，28〕。如果将这一源区范围扩大到上地幔670 km，可 推算出其含水量约相当于现今大洋中水总量的10%。Bell等〔20〕由上地幔无水矿物 中羟基的最大含量估算出石榴石二辉橄榄岩含水量可达245×10-6，尖晶石二辉橄榄 岩可含水290×10-6，即NAMS矿物中结构水的含量几乎包揽了N-MORB源区地幔的含水 量。一般认为N-MORB是由地幔橄榄岩经5%～25%的部分熔融形成的，据水在玄武岩和部分熔 融残余间的总分配系数为0.01，可以大致估计残余橄榄岩中含水量约为(5～35)×10-6 。

　　据估计，洋岛(如夏威夷)相对未分异的玄武岩浆和E-MORB中可含水3 500×10-6

〔27〕，明显较N-MORB高。同样假定水的总分配系数为0.01，部分熔融程度为5%～15% ，则其源区水含量约为(200～550)×10-6。这一范围和Michael等〔28〕对E- MORB源区地幔含水量的估计一致［(250～450)×10-6］。依NAMS矿物中水的溶解度， 如此高的含水量很难完全存在于NAMS中， 这些源区可能还存在含水矿物或(和)流 体。俯冲带因为俯冲大洋岩石圈含水矿物的脱水作用而导致上覆地幔楔中含有较高的水量。 Rither等〔29〕曾报道弧岩浆中含水量w(H2O)=2%，意味着其源区未 发生部分熔融之前的含水量高达(1 200～5 000)×10-6。

　　不同学者对地幔平均含水量的估计不相同。按太阳系多阶段不均一增长模式，地幔含 水量为 (40～1 000)×10-6。Rubey〔30〕依“过量挥发分”(在大气中丰度很高，来 源于地球内部的成分)估计，地幔中平均含水量为400×10-6。而Ringwood〔31〕 由大陆面积推测该值应为1 200×10-6。Bell等〔20〕认为，如果以地幔NAM S矿物中羟基最大含量来估算，则整个地幔可以容纳现今大洋水量的85%。

①国家自然科学基金资助项目(49672156)成果

第一作者简介：韩庆军，男，1973年5月生，现正攻读构造地质学博士学位

作者单位：韩庆军　中国科学院地质与地球物理研究所，北京，100029

　　　　　邵济安　北京大学，北京，100871

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收稿日期：1999-05-04

地幔中水的研究进展

作者：

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年，卷(期)：

被引用次数：韩庆军， 邵济安， Han Qingjun， Shao Ji'an韩庆军,Han Qingjun(中国科学院地质与地球物理研究所,北京,100029)， 邵济安,Shao Ji'an(北京大学,北京,100871)地质科技情报GEOLOGICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION1999,18(4)5次

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引用本文格式：韩庆军.邵济安.Han Qingjun.Shao Ji'an 地幔中水的研究进展[期刊论文]-地质科技情报 1999(4)