韩国研究团队利用同步辐射光源揭示冷俯冲板片“储水”能力被低估

韩国延世大学地球系统科学系教授李永宰(Yongjae Lee)领衔的研究团队近日发现，在寒冷、快速下沉的构造俯冲带中，地壳岩石每年可能向地幔输送多达1万亿千克水，这一数值约为此前估计的两倍。相关成果已发表于《自然·通讯》。

俯冲带是地球板块相互交汇、一块板块俯冲到另一块板块之下的区域，常伴随火山和地震活动。长期以来，学界普遍认为，含水岩石蛇纹岩在随板块下沉过程中，会因压力和温度升高而逐渐脱水，释放出的水进一步促成上覆板块熔融，并与弧形火山链形成有关。

这项新研究显示，情况可能更复杂。研究团队自2019年起开展多项高压、高温实验，利用德国DESY的PETRA III同步辐射光源、美国阿贡国家实验室先进光子源以及韩国浦项加速器实验室等设施，对蛇纹石矿物在深地条件下的结构变化进行观测。其中，在PETRA III的P02.2和P61B实验站，团队分别开展了高压高温X射线衍射实验和超声波速度测量，以分析蛇纹石稳定性及其对应的地震波性质。

实验结果显示，在下沉板片较温暖的边缘区域，水确实会在约220千米深处释放，并使岩石密度增加约16%，进而影响地震波传播。然而，在板片中部较冷的环境中，蛇纹石在约280千米深处会发生此前虽被怀疑、但尚未由实验直接观测到的反应。在富水环境下，形成的新结构可额外吸收相当于自身重量约6%的水;在水分较少的环境中，另一种结构则会继续保留原有水分。

研究团队据此认为，冷俯冲板片中的蛇纹岩保水能力约为以往认知的3倍。随着地壳在下沉过程中发生弯曲并形成断层，额外水分可能沿这些通道进入俯冲带，在不同压力、温度和水含量条件下发生多种吸水或保水反应。

在全球尺度上，研究人员进一步结合模型分析了56个俯冲带中的16个冷或超冷俯冲带，估算这些区域每年最多可将1万亿千克水带入地幔。研究团队表示，这一发现意味着冷俯冲板片可能像“巨型海绵”一样，将大量水保存并输送至更深部地球内部;有关板块内水循环、地球内部演化以及地震和火山数据解释的现有模型，可能需要重新审视。