我国学者与海外学者合作在地幔过渡带水含量探测研究领域取得进展

　　

图1 全球地磁台网台站分布与日变数据拟合相对误差

 

图2 （A）陆地平均电导率-深度剖面;（B）矿物电导率随含水量的变化

　　在国家自然科学基金项目（批准号：42021003、41804072）的资助下，北京大学黄清华教授团队与美国学者合作，在地幔过渡带含水量探测研究领域取得进展。研究成果以“地磁日变化信号揭示了相对干燥的地幔过渡带（A relatively dry mantle transition zone revealed by geomagnetic diurnal variations）”为题，于2022年8月3日发表在《科学·进展》（Science Advances）杂志上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo3293。

　　水是影响地球深部动力、过程的关键因素之一，其分布可以改变地幔矿物的熔融状态和流变学性质，因此，探明地幔各个圈层中水的分布特征是研究地球深部水循环和地球结构演化的关键内容。已有研究表明，与上地幔和下地幔相比，地幔过渡带（410—660 km）因其主要矿物（瓦兹利石与林伍德石）强大的储水能力（理论储水量是地表海洋总水量的4倍以上），是地球深部最具潜力的“水库”。然而，基于地球物理和地球化学探测得出的地幔过渡带含水量却与上述研究结果大相径庭。地幔过渡带的实际含水量情况到底如何？回答这一关键问题需要综合多学科观测资料对地幔过渡带结构进行高精度成像表征。在众多的岩石物理参数中，电导率对含水量较为敏感。因此，如果能够准确获取地幔过渡带电导率模型，同时结合高温高压矿物物理实验结果，就能有效反演水在其中的分布。

　　黄清华教授团队及其合作者结合全球地磁台网观测资料和热层-电离层耦合物理模型，建立了针对地磁日变信号交替反演电离层场源结构和地幔电导率分布的方法，攻克了日变信号场源空间形态复杂、难以应用于地球内部结构探测的难点，突破了传统方法只使用长周期磁层信号的限制，提高了地幔过渡带模型模拟的分辨率。研究发现，上地幔电性结构存在显著的横向不均匀性，尽管电导率的三维分布对单台日变信号的解释影响较大，但全球数据的同时反演（图1）能够有效约束200－600 km深度范围内的电导率结构，从而揭示全球地幔过渡带的平均含水量。反演得到的陆地平均电导率-深度剖面表明（图2A），上地幔（200－410 km）与过渡带上层（410－520 km）的电性结构无明显差异，平均电导率约为0.03 S/m，而地幔过渡带下层（520－660 km）电导率明显增加。结合地幔主要矿物电导率的高温高压实验测量结果和全球地幔绝热温度模型，根据上地幔及地幔过渡带上下层的平均电导率，分别估算出了各层的含水量（图2B）。结果表明，地幔过渡带的含水量为0.03 wt.%，远小于瓦兹利石的储水能力。

　　该研究融合全球地磁台网观测资料、高温高压实验、热层-电离层耦合物理模型、全球地幔绝热温度模型等，对地幔过渡带的含水量进行了估算。结果表明，尽管俯冲板片能够携带大量的水进入地球深部，但大部分陆地下方地幔过渡带内水含量并未达到饱和的状态，为地球深部结构演化研究提供了新思路。