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地球內(nèi)部的氟、氯、水、碳等鹵素元素，既控制著金剛石等戰(zhàn)略礦產(chǎn)的形成，也影響著火山地震的分布，甚至在地球長(zhǎng)期氣候演變中扮演重要角色。按照傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，這類元素在俯沖早期會(huì)隨含水礦物分解而大量流失，難以進(jìn)入數(shù)百公里深的地幔。然而，部分地幔礦物中卻記錄有它們的身影。這些本應(yīng)在淺部“半路流失”的元素，究竟是如何進(jìn)入地球深處的，一直是深部揮發(fā)分循環(huán)研究中的關(guān)鍵謎題。

近日，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所王煜研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）教授陳春飛等，通過(guò)高溫高壓實(shí)驗(yàn)找到了這一謎題背后的關(guān)鍵線索。研究表明，一種在俯沖帶中廣泛分布的礦物——多硅白云母，正是將鹵素帶入深地的關(guān)鍵“搬運(yùn)者”。該成果于4月2日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》在線發(fā)表。

俯沖帶是地表物質(zhì)從地表返回地球深部的核心通道，多硅白云母是俯沖帶中廣泛分布的一種礦物。研究團(tuán)隊(duì)基于富鉀蝕變洋殼模擬初始物，在相當(dāng)于地下150—330公里深處的壓力（5至11 GPa）、850至1200℃條件下，系統(tǒng)研究多硅白云母的穩(wěn)定性及其攜帶氟、氯的能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多硅白云母在地下約330公里深度的條件下仍可保持穩(wěn)定，這意味著它能將氟、氯此類鹵素“護(hù)送”到以往認(rèn)為難以企及的地球深處。

更出人意料的是，多硅白云母并非簡(jiǎn)單地將兩種元素“一路帶到底”。當(dāng)它在更深處失穩(wěn)分解或發(fā)生熔融時(shí)，氯更容易隨深部流體遷移，而氟則會(huì)被新的礦物相“接力”帶往更深處。

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步估算了多硅白云母每年向深部地幔輸送的鹵素總量：氟約為170萬(wàn)至260萬(wàn)噸，氯約為52萬(wàn)至110萬(wàn)噸。若以杭州西湖約1450萬(wàn)噸的水量為參照，這意味著平均每5年，此過(guò)程向地幔輸送的鹵素質(zhì)量就相當(dāng)于“一個(gè)西湖”。

據(jù)介紹，該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)還為解釋深部金剛石的形成機(jī)制提供了新線索。研究顯示，俯沖洋殼中的多硅白云母在深部分解，很可能就是深部高鹽流體的“源頭”，而它們正是促進(jìn)金剛石生長(zhǎng)的理想“催化劑”。

該結(jié)果表明，多硅白云母是全球深地鹵素循環(huán)中不可忽視的重要載體，并為解釋“淺部易流失、深部卻富集”的鹵素循環(huán)矛盾提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為理解深部流體活動(dòng)、金剛石形成以及地球內(nèi)部長(zhǎng)期化學(xué)演化提供了新的認(rèn)識(shí)。

（中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所供圖）