我系在橄榄石和斜方辉石中氢的分配研究中取得新进展
水（氢）对矿物和岩石的许多物理和化学性质有很大的影响，因此氢在地球深处的分布得到了广泛的研究。对于上地幔，可以获得一些天然岩石样品，可以直接确定这些矿物中的氢含量。然而，从不同地区采集的样品经历了不同的热力学过程，并且在运输到地表的过程中失去了水分。因此，如果想要从这些岩石样品中了解氢在地球上的分布，就需要对热力学历史的影响进行修正。针对这一问题，西北大学地质学系康磊和美国耶鲁大学Shun Karato教授合作，利用高温高压实验开展了不同热力学条件（压力、温度和水逸度）下，水在橄榄石和斜方辉石之间的分配系数研究，限定了地球内部不同深度水的分布特征以及其对圈层物理性质的影响。
高温高压实验初始物中的橄榄石来自San Carlos橄榄岩，斜方辉石为含1.5-5wt% Al2O3的合成样品，实验条件为水饱和、P = 3–5 GPa 和T = 1373–1573 K。结果显示，在水饱和条件下，氢在橄榄石中的溶解度随压力和温度的升高而增加，与前人的结果相似。在Al2O3含量一定的条件下，氢在含Al2O3的斜方辉石中的溶解度也随着温度和压力的增加而增加。
图1 斜方辉石中氢的溶解度和温度、压力以及Al2O3含量的关系
在此基础上，作者计算了氢在斜方辉石和橄榄石之间的分配系数，结果表明，该分配系数与温度的相关性很弱，而与压力和水逸度的相关性很强。该结果可能解释了天然样品中氢在斜方辉石和橄榄石分配系数变化较大的原因。
图2 和温度、压力以及水逸度的关系
进一步，作者将实验结果推广到开放系统，在相对较低的压力和较低的水逸度(在岩石圈中＜50km)，较高高，氢主要存在于斜方辉石中，在较高的压力和较高的水逸度(在软流层中)，较小，氢大量存在于橄榄石中。
图3 在典型地温梯度下估算的上地幔中水的最大含量(wt. ppm)与深度的关系
该成果发表于国际权威地学期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth上，西北大学地质学系康磊为第一作者，美国耶鲁大学Shun-ichiro Karato为通讯作者。
文章链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JB025259
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