近日，吉林大学许文良教授、刘兆东教授团队在地球深部水的存储和分布取得重要进展，相关成果于2025年4月16日以“Water solubility in nominally anhydrous minerals in a silica-rich system at the top lower mantle”为题发表在Earth and Planetary Science Letters。
下地幔是地球内部最主要、也是最复杂的区域，从地表以下660公里一直延伸到2890公里，占地球整体体积的55%，水在下地幔的存储和分布的研究对于理解地球深部运行机制、多圈层协同演化以及对地球宜居性的调控等重要地质过程至关重要，但下地幔温压条件极为苛刻（23-135 GPa, 1800-4000 K），天然样品非常稀少，目前对于下地幔矿物含水量的认识非常有限，水在下地幔的赋存形式与分布一直存在争议。
针对上述科学问题，吉林大学许文良教授和刘兆东教授等“地球深部动力学创新团队”，联合中国地震局地震预测研究所徐超文副研究员和中国科学院地球化学研究所杜蔚研究员,在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”上开展了水在下地幔顶部的赋存和分布以及对地球深部物质属性影响的系统研究，取得如下成果：
1.高温高压极端条件下合成了系列下地幔主要矿物相的大单晶。自主研发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），在地球下地幔顶部（660-850km深度）温压条件（23-32GPa, 1273-2100K）及富水环境下，合成了含铝斯石英、石榴石、含水相phaseD、布里奇曼石、方镁石、刚玉或后尖晶石相单晶（图1a）；红外光谱分析结果表明水以羟基形式存在于含铝斯石英、刚玉、方镁石和石榴石的矿物晶体结构中。
图1.（a）高温高压合成的下地幔主要矿物, (b)高温高压下含铝斯石英的含水量
2.确认了含铝斯石英是下地幔顶部的主要含水矿物相。在下地幔顶部的温压条件下，含铝斯石英的含水量最高达到0.36 wt. %，水以氢和铝离子替代硅离子的电荷耦合替代方式进入斯石英晶体结构，含水量与温度、压力、铝含量紧密相关（图1b），实验结果发现与熔体共存的含铝斯石英的含水量远远高于与含水相phaseD共存的含铝斯石英。
3.确认了水在含铝斯石英和共存的石榴石、布里奇曼石等主要名义无水矿物相间的分布。实验结果表明，水主要存储于含铝斯石英中，与含铝斯石英共存的石榴石、方镁石和刚玉含水量较低(<150ppm. wt)，布里奇曼石和后尖晶石相基本不含水（图2）。
图2下地幔顶部温压条件下布里奇曼石和方镁石含水量
4.讨论了下地幔主要矿物相对地球深部物质属性的影响。下地幔含铝斯石英的存在可能阻止俯冲板块中水的释放，含铝斯石英与其它含水相形成的化学固溶体将进一步锁住水，进而阻止俯冲板块进入热的下地幔产生的部分熔融现象;以布里奇曼石和方镁石为主要成分的地幔岩,在下地幔顶部660-850km基本上是干的；富水含铝斯石英的富集可以解释北美西部地区地幔过渡带下部和下地幔顶部存在显著高导电异常体的地球物理现象。
吉林大物理学院高压与超硬材料全国重点实验室陈陆瑶博士生是论文的第一作者，吉林大学物理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、地球科学学院许文良教授、刘兆东教授为该文的共同通讯作者，合作者包括中国地震局地震预测研究所徐超文副研究员、中国科学院地球化学研究所杜蔚研究员、鞠东阳博士生、吉林大学综合极端条件高压科学中心、高压与超硬材料全国重点实验室刘冰冰教授、刘然研究员、李新阳副教授、赵鑫宇博士生、丰丙涛博士生、何金泽硕士生。该工作由国家自然科学基金(42272041)、国家重点研发计划（2022YFB3706602）、吉林大学科技创新研究团队（2021TD-05）和小米青年学者项目共同资助。
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。
研究的详细信息请参考文章原文：
Luyao Chen, Zhaodong Liu, Xinyu Zhao, Chaowen Xu, Dongyang Ju, Bingtao Feng, Jinze He, Ran Liu, Xinyang Li, Wei Du, Bingbing Liu, Wenliang Xu,Water solubility in nominally anhydrous minerals in a silica-rich system at the top lower mantle,Earth and Planetary Science Letters, 660,119360, 2025. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119360.
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