水是影响地球宜居性演化的重要挥发份，对地球表层和深部动力过程都起着至关重要的作用。地球深部水，与地表常见的水、冰、气等自由水不同，更多的是以与氢有关的缺陷或者结构水存在于岩石或矿物中，深部可能蕴藏着远超地表海洋总水量的"隐形水库"，揭秘地球深部水的存储和运移，是地球科学领域的前沿科学问题。
石榴石是地球深部最主要的名义无水硅酸盐矿物之一，是宝石中的璀璨明珠。其中，镁铝石榴石作为石榴石的重要端元组分，可以稳定存在地壳、上地幔、地幔过渡带和下地幔顶部，并占据地幔成分模型体积的40%-60%，这使得研究其水含量对于理解地球深部水循环变得至关重要。但受高温高压实验技术的限制，前人关于镁铝石榴石水含量的研究多集中在携带到地表的天然石榴石或者是上地幔的高温高压极端条件，在更深部的地幔过渡带到下地幔顶部410-700km温压条件下，镁铝石榴石可以含多少水？可以运移多少水到下地幔？这些问题一直是不清晰和有争议的。
针对上述科学问题，吉林大学地球科学学院、高压与超硬材料全国重点实验室、综合极端条件高压科学中心的许文良教授和刘兆东教授等“地球深部动力学创新团队”，联合地震预测所徐超文副研究员,发挥国家重大科技基础设施“综合极端条件实验装置—高温高压大体积材料研究系统”的装置和技术优势，通过高压与地质学、物理学、材料学的交叉综合研究，发现镁铝石榴石是地球深部水存储和运移的重要载体，系统讨论了富水镁铝石榴石对地球深部物质属性的影响，具体取得成果如下：
1.高温高压合成高品质、大尺寸镁铝石榴石大单晶。利用自主发展国产通用化大腔体超高压高温实验关键技术（Engineering，2025, 45,155; Chin. Phys. Lett., 2020, 37, 080701），在地球上地幔到下地幔顶部150-700km深度的温压条件下（5-25GPa, 1273-2000K）及富水环境下，合成系列100微米以上、不含包裹体、透明的镁铝石榴石大单晶（图1），红外光谱分析确认了水以羟基形式存在于石榴石的立方晶体结构中。
图1.（a）高温高压合成的镁铝石榴石大单晶，（b）镁铝石榴石的含水量随压力和温度的变化。
2.确认了镁铝石榴石是地球深部水存储的重要矿物相，同时确认了其含水量随地幔深度的变化关系。发现在地幔过渡带和下地幔顶部的温压条件下，镁铝石榴石的含水量最高达到0.2 wt. %，并且随着温度的增加而减少，随着压力的增加而增加（图1）。
3.估算了镁铝石榴石随着板块俯冲在地幔不同深度的运移水量。估算了镁铝石榴石沿着冷和热俯冲板片的地热温度在上地幔、地幔过渡带和下地幔顶部的携带含水量（图2），发现镁铝石榴石可以从上地幔携带高达0.1 wt%水进入地幔过渡带，进而携带高达0.4 wt%水进入下地幔。
图2.镁铝石榴石沿着冷和热俯冲板片在地幔不同深度的运移水量。
4.初步确定了富水镁铝石榴石对地球深部物质属性的影响。富水镁铝石榴石的富集可以解释俯冲板块的机械强度弱于附近的平均地幔，对镁铝石榴石向布里奇曼石的相转变边界可能产生重要影响，同时地幔富水镁铝石榴石的富集可以解释在西北太平洋俯冲板块的下地幔顶部观测到的高电导率异常的地球物理现象。
以上研究成果于2025年4月4日以“The Role of Pyrope Garnet in Water Transport into the Topmost Lower Mantle”为题发表于《National Science Review》期刊上。吉林大高压与超硬材料全国重点实验室陈陆瑶博士生是论文第一作者，赵鑫宇博士生是共同第一作者，吉林大学地球科学学院、高压与超硬材料全国重点实验室、综合极端条件高压科学中心许文良教授、刘兆东教授、胡阔助理研究员为该文的共同通讯作者，参与本项研究的还有地震预测所徐超文副研究员、吉林大学高压与超硬材料全国重点实验室、综合极端条件高压科学中心刘冰冰教授、李鑫副教授、丰丙涛博士生、化学学院张新然本科生。该工作由国家自然科学基金、国家重点研发计划、吉林大学科技创新研究团队和小米青年学者等项目联合资助。研究的详细信息请参考原文。
国家重大科技基础设施“综合极端条件实验装置—高温高压大体积材料研究系统”是国际规模最大、指标领先的高温高压极端条件前沿材料交叉研究平台，实施由固体环境高温高压、液体环境高温高压、非平衡高压极端条件三大子系统和高压用户辅助实验室组成，在大腔体快速增压体、液体高压原位监测和碳化钨超高压高温产生的技术水平达到国际领先，为物理、化学、材料、地球、行星等前沿交叉领域和“科学研究向极端条件迈进，不断突破人类认知边界”提供了源头创新的装置和技术支撑。
文章信息和链接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaf133/8106608
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