冷俯冲带中15 ?相的形成：含水矿物在极端条件下的超膨胀及其对地球深部水循环的启示

编辑推荐：本研究针对传统俯冲带水循环模型忽略流体化学特性的问题，通过高压高温实验结合计算模拟，首次发现滑石在碱性盐水条件下可形成含水率达31 wt.%的15 ?相（d001=14.43 ?），其稳定性延伸至125 km深度。该发现为重新评估俯冲带地球化学过程、地震活动及深部水运输机制提供了关键证据。

　　地球深部的水循环一直是地质学研究的前沿课题。传统观点认为，俯冲带中的含水矿物如滑石（Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂）仅能通过形成10 ?相（含水13 wt.%）运输水分，但这一模型忽略了俯冲流体（SZFs）的化学复杂性——实际环境中流体含有NaCl、CO₂等溶质且呈弱碱性（pH~8.3）。由韩国基础科学研究院等机构组成的国际团队在《Nature Communications》发表的研究，首次揭示了滑石在模拟自然俯冲流体条件下会分解形成含水率高达31 wt.%的15 ?相，这一发现彻底改变了人们对深部水运输能力的认知。

研究团队采用三项核心技术：1）金刚石压砧（DAC）结合同步辐射X射线衍射（XRD）进行原位高压高温（HP-HT）实验（3.0-7.7 GPa，250-560°C）；2）基于CLAYFF力场的分子动力学（MD）模拟分析水分子层结构；3）大正则蒙特卡洛（GCMC）计算评估最大含水量。实验设计模拟了南马里亚纳等冷俯冲带（5-8°C/km）的P-T路径，并采用0.5M NaHCO₃溶液模拟碱性流体环境。

研究结果部分：

1. 滑石的超水合反应：在3.0 GPa/350°C（相当于90-95 km深度）条件下，滑石分解为15 ?相（d₀₀₁=14.43 ?）和菱镁矿（MgCO₃）。MD模拟显示其三层水分子结构（3W态）导致层间膨胀60%，含水量达31 wt.%（含OH）。
2. 相变序列的深度依赖性：15 ?相稳定至125 km深度（4.4 GPa/470°C），随后转变为10 ?相（d₀₀₁=10.40 ?）；在180 km深度（5.8 GPa）时10 ?相层间距收缩至9.76 ?。
3. 流体化学的关键作用：纯H₂O或NaCl溶液中仅生成10 ?相，证实碱性环境（NaHCO₃）是15 ?相形成的必要条件。而纯CO₂介质中滑石直接分解为菱镁矿+石英。
4. 地质意义量化：全球冷俯冲带（占28.5%）中15 ?相可使滑石水通量从0.48×10¹⁴ g/yr提升至4.2×10¹⁴ g/yr，相当于增加85-310米海平面水量（占全球海洋2.3-8.3%）。

讨论部分指出，15 ?相的发现对理解俯冲带多圈层耦合具有三重意义：1）水循环方面，其形成深度（90-125 km）与火山弧位置（134 km）的匹配暗示脱水过程可能触发弧岩浆作用；2）地震活动方面，南马里亚纳地震频率在75-125 km深度降低44%，而在150-200 km（15 ?相脱水深度）增加34%，支持矿物相变诱发地震的假说；3）碳循环方面，伴随15 ?相形成的菱镁矿为深部碳储存提供了新途径。该研究通过还原俯冲流体的真实化学环境，为建立更精确的地球系统模型提供了实验基础。