橄榄石可能是生成地球地幔过渡带海洋的关键

新研究表明，由于橄榄石矿物独特的传热特性，只有最古老、下沉最快的海洋板块才能将水输送到地球地幔深处。由于橄榄石矿物通过辐射传导热量的方式，只有拥有超过 6000 万年历史并且以每年超过 10 厘米的速度向下移动的海洋构造板块才能保持足够低的温度，从而将水输送到地球地幔深处。

这一结论来自波茨坦大学和亥姆霍兹地球科学中心（GFZ）的研究团队以及国际合作伙伴。他们在测量地幔极端温度和压力条件下橄榄石对红外光的透明度后得出了这一结论。他们的研究发表在《自然通讯》杂志上。

地球的外壳被称为岩石圈，它被分解成坚硬的部分，称为构造板块。这些板块漂浮在其下方更热、更柔韧的地幔之上。当两块板块碰撞时，密度较大的板块会沉入地幔，这一过程称为俯冲。下沉的板块被称为“板坯”。海洋板块通常比大陆板块密度更大，这主要是因为它们富含橄榄石，而橄榄石这种矿物约占海洋岩石圈的80%。

俯冲板块与含水矿物向地幔过渡带的迁移示意图。图片来源：Enrico Marzotto

橄榄石也是地球外壳的主要矿物，占上地幔（深度40-410公里）的60%。俯冲过程中，冷的板块通过热扩散逐渐被周围温暖的地幔加热，这一过程涉及热传导和热辐射。了解板块加热过程对于解释深层地震的发生以及600公里以上深度水的存在至关重要。

“我们首次测量了地球内部橄榄石的透明度，”波茨坦大学地球科学研究所的地球动力学家恩里科·马尔佐托说道。“这些测量表明，即使在地球内部极端的压力和温度条件下，橄榄石也能实现红外透明。”

辐射热传输约占富含橄榄石的上地幔总扩散热量的40%。因此，辐射热导率在板块加热中起着重要作用，并对俯冲板块的密度和刚度及其将水输送到地球内部的能力产生深远的影响。

利用二维板块热演化模型，研究小组可以证明，辐射热传输增强的快速加热会导致较浅深度含水矿物的分解。

“这或许可以解释板块深度超过70公里时发生的地震，”马尔佐托说。“因此，只有超过6000万年历史且每年下沉速度超过10厘米的板块，才能保持足够低的温度，将含水矿物输送到410至660公里深的地幔过渡带（MTZ）。”

MTZ 被认为是地球上最大的水库，其水量可能比地球海洋多三倍。

“我们的研究还提供了数值工具，用于计算地幔热异常的寿命及其地球动力学行为，”恩里科·马佐托补充道。这些异常可能是热的（例如从地球深层地幔升起的柱状物），也可能是冷的（例如俯冲板块）。

编译自/scitechdaily