地幔过渡带条件下石榴石中水分赋存的独特红外吸收特征及其地球动力学意义

本研究针对地幔过渡带石榴石中水分赋存机制不明这一关键科学问题，通过15-21 GPa、1300-1500°C高温高压实验结合FTIR光谱分析，首次发现所有样品均呈现3630 cm-1特征吸收峰，揭示了压力温度对OH键局域环境的重塑作用，为理解地幔水循环提供了重要实验依据。

　　

地球深部的水循环一直是地球科学领域的前沿课题。地幔过渡带（410-660 km深度）作为上下地幔物质交换的关键区域，其含水量直接影响地幔对流、部分熔融和地震波速等地球物理过程。石榴石作为该区域占比约40%的主要矿物相，其水分赋存特征对理解深部水循环至关重要。然而，前人关于石榴石中水分红外吸收特征的报道存在显著差异（3560-3630 cm^-1不等），且赋存机制尚不明确。这些矛盾数据使得学界难以准确评估石榴石对地幔过渡带水储库的贡献，也制约着对深部水循环模型的构建。

为破解这一难题，中国国家自然科学基金委资助的研究团队选取三种天然宝石级镁铝榴石单晶作为初始材料，在15-21 GPa（相当于450-600 km深度）、1300-1500°C条件下开展水热退火实验，通过精确控制Fe-FeO缓冲氧化还原条件，结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，系统研究了地幔过渡带条件下石榴石的水分赋存特征。

研究采用三大关键技术方法：1）多砧高压装置实现地幔过渡带温压条件；2）Fe-FeO缓冲剂控制氧逸度；3）显微FTIR光谱进行水分定量和赋存状态分析。实验选用不同化学成分的天然镁铝榴石单晶，确保结果的地质代表性。

【结果】

1. 红外光谱特征
   所有回收样品无论初始成分差异（Mg#=78-92）或实验条件变化，均呈现3630 cm^-1的单一不对称吸收峰。这与纯镁铝榴石中氢石榴石替代（hydrogarnet substitution）产生的特征峰一致，表明高压高温条件重塑了H的局域键合环境。

2. 成分影响规律
   FeO和MgO含量与水分含量呈显著相关性，其中Fe²⁺促进水分 incorporation，而其他组分（如CaO、Cr₂O₃）影响较弱。但所有样品均保持3630 cm^-1主峰，暗示Fe/Mg相关替代机制产生的红外信号与氢石榴石替代峰相互叠加。

3. 相平衡证据
   实验产物中橄榄石相变为瓦兹利石或林伍德石，且未发现熔体相，证实实验处于水饱和亚固相线条件，排除了熔体包裹体对红外信号的干扰。

【讨论与结论】
该研究首次确立3630 cm^-1作为地幔过渡带石榴石的"指纹"吸收峰，其形成机制可解释为：当压力超过15 GPa时，石榴石晶格中[SiO₄]^4-四面体的扭曲度增加，促使H⁺以(Si⁴⁺+4H⁺)替代方式进入晶格，形成稳定的氢石榴石缺陷。这一发现调和了前人研究中吸收峰位置差异的矛盾，为利用地震波速反演地幔过渡带含水量提供了关键矿物物理参数。

研究还揭示Fe-Mg成分通过影响晶格空位浓度间接调控水分溶解度，但不会改变主要赋存机制。这一认识对理解地幔化学不均一性区域（如俯冲板片）的水分分布规律具有启示意义。论文成果发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》，为建立更精确的深部水循环模型奠定了实验基础，也将促进对水影响下地幔流变性和电导率的重新评估。