PETRA III实验揭示下地幔条件下斯石英储水能力有限

来自拜罗伊特大学巴伐利亚地质研究所、德国电子同步加速器中心以及日本、中国合作机构的研究团队，利用PETRA III P61B光束线上的大体积压力实验装置“Aster-15”，研究了高压石英矿物斯石英在地球深部典型条件下的储水能力。相关成果已发表在《地球物理研究快报》上。

这是德国电子同步加速器中心 (DESY) PETRA III P61B 光束线上的 LVP 装置 Aster-15 在高压高温实验后移除 4 个砧座的多砧座组件示例。如图所示，入射光束(来自左下角)和衍射 X 射线会穿过碳化钨砧座(每个砧座尺寸为 32 毫米)之间的压碎垫片(灰色岩石)。样品嵌入中心的传压介质(MgO)中，压力集中于此，从而产生高压。(图片来源：DESY)

斯石英是一种高压二氧化硅多晶型物，在俯冲洋壳中含量可达五分之一。由于它具有较高稳定性，即使进入下地幔环境仍可能存在，因此曾被认为可能是水进入深部地幔的重要载体。不过，围绕斯石英储水能力，既有研究结论并不一致：有研究认为其可形成高含水量的“超水合斯石英”，也有研究显示其含水能力很低。

为进一步厘清这一问题，研究团队在33至38吉帕斯卡压力、430至930摄氏度温度范围内，对无铝斯石英的水溶性进行了测量。这一温压范围相当于地球下地幔约900至1050公里深处的环境。实验使用无水二氧化硅粉末和含水二氧化硅凝胶两类材料，并通过同步辐射X射线衍射技术，跟踪含水斯石英在压缩、加热和逐步淬火过程中的晶胞体积变化。

研究人员首先确定了无水斯石英的精确热状态方程，用于描述其在不同压力和温度下的晶胞体积。随后，他们在相同压力范围内测量含水样品的晶胞体积，并据此推算含水斯石英相对于干燥斯石英的过剩体积，从而估算其含水量。

实验结果显示，含水量约为3 wt.%的超水合斯石英在38吉帕斯卡下地幔压力条件下可以存在，但仅限于低于430摄氏度的较低温环境。随着温度升高，其含水量迅速下降;当温度超过730摄氏度后，含水量几乎可以忽略，低于1000 ppm。

研究团队认为，由于俯冲板块在地幔过渡带底部的温度高于730摄氏度，纯斯石英难以将大量水输送至下地幔，因此不太可能成为下地幔中的主要储水矿物。

该研究还显示，PETRA III P61B光束线上的Aster-15装置能够在极端压力条件下分辨微小体积变化，并精确调控高温环境。研究人员表示，这使他们能够在接近下地幔压力的条件下直接观察斯石英，并追踪水在可控高压高温环境中从晶体结构中释放的过程。