橄榄石高辐射导热性使板块温度升高达200K：对地幔水循环和板块构造的新启示

本研究通过高压高温光学实验首次证实橄榄石(olivine)的辐射热导率(Λrad)占上地幔总热导率的40%。结合二维热运动学模型，发现考虑辐射传热时板块温度比传统模型高100-200K，显著影响含水矿物分解深度。该成果发表于《Nature Communications》，为理解板块俯冲动力学和深部水循环提供了关键实验依据。

　　

地球是已知唯一具有板块构造的行星，而板块俯冲是这一过程的核心驱动力。长期以来，科学家们面临一个关键难题：传统板块热演化模型往往忽略辐射热导率(Λ_rad)的贡献，主要源于缺乏矿物在高压(P)高温(T)条件下不透明度的精确数据。这种认知缺口直接影响对俯冲板块温度分布、含水矿物稳定性以及深部水循环的准确预测。

德国亥姆霍兹研究中心领衔的国际团队通过创新性实验和建模研究，揭示了橄榄石——上地幔最主要矿物——在极端条件下的光学特性。研究发现，即使在相当于上地幔的高压高温条件下，橄榄石仍保持对红外光的相对透明性，其辐射热导率可达总热导率的40%。这一发现彻底改变了传统认为铁镁硅酸盐矿物在深部地幔条件下不透明的观点。

研究采用两大关键技术：1）激光加热金刚石压砧（LH-DAC）结合超连续激光探针，首次实现铁橄榄石(Fa100)在1.1-10 GPa和≤1210K条件下的原位光学吸收系数测量；2）基于MATLAB开发的二维热扩散模型，整合P-T依赖的热导率公式，模拟不同年龄（20-80 Myrs）和俯冲速度（2.5-12.5 cm/yr）板块的热演化。

主要研究结果

橄榄石的高压高温吸收系数
通过LH-DAC测得铁橄榄石在1.1 GPa下的吸收系数α^Fa100显示：

所有频率段的吸收系数均随温度升高而增加，且该过程完全可逆。与常压炉测量结果的高度吻合证实了实验数据的可靠性。特别值得注意的是，在波数<4000 cm^-1区域，晶格振动带的显著拓宽直接挑战了前人关于仅晶体场带(d-d跃迁)主导高温吸收的假设。

橄榄石的辐射热导率特征
推导出的橄榄石辐射热导率Λ_rad^Ol沿上地幔P-T剖面呈现：

在岩石圈底部（<150 km），辐射传热占主导地位（Λ_rad^Ol > 0.5Λ^Ol）；至410 km深处仍贡献约40%总热导率。与经典模型相比，新测量的Λ_rad^Ol高出6-7倍，且温度导数(?Λ_rad/?T)_P呈现相反符号。

板块热演化的辐射效应
二维模型对比显示：

考虑辐射传热时，板块温度普遍升高100-200K，最大温差出现在板块表面至40 km深度区域。这种升温使80 Myrs老板块的脱水反应深度平均上移25 km，仅在高俯冲速度（≥10 cm/yr）时含水矿物才能到达地幔过渡带（410-660 km）。

研究结论与意义
该研究建立了首个整合辐射与晶格热导率的橄榄石热传输模型，证实辐射传热是上地幔不可忽视的能量传输机制。这一发现具有三重重要意义：1）修正传统板块热模型，解释观测与模拟的温度差异；2）揭示快速辐射加热会促进板块塑性变形（黏度降低2个数量级）和停滞；3）为深源地震机制和地幔水循环提供新解释框架。Enrico Marzotto和Sergey S. Lobanov团队的工作表明，未来地球动力学模型必须纳入辐射热传输机制，才能准确预测板块俯冲过程及其全球效应。