超水相B的声速和地幔中水的存在

在含1.5 wt.% H 2 O的钻石中发现含水林伍德石包裹体，无可辩驳地表明地球深层地幔中存在水。这些水是由地震学研究观察到的众多俯冲板块之一提供的，还是在地球地幔从岩浆海洋结晶后立即出现的，以及地球内部水的总预算仍有待商榷.

岩石学研究表明，当水存在于深层地幔中时，它可以结合现有的矿物，形成致密的含水矿物相，或者通过降低地幔岩石的熔点(例如脱水熔化)来促进部分熔化。哪个过程占主导地位仍然不是很清楚，因为难以合成足够的含水矿物用于实验室测量，因此含水矿物的声速数据很少，这限制了与地震观测的比较。

在此背景下，爱媛大学的一个研究小组决定研究一种称为超水相 B (SuB) 的矿物，该矿物被认为是最丰富的致密含水矿物之一，也是地幔中重要的水沉积点过渡带(MTZ，深度 410-660 公里)和上下地幔(ULM，深度 660-800 公里)。一些研究报道了 SuB 的声速，但他们的数据仅限于室温，这很难约束该相在深部地幔 P 和 T 条件下的弹性。

爱媛的研究人员首先使用地球动力学研究中心的多砧装置在高压下合成了 SuB 的多晶体。然后，他们将他们的 SuB 样品运送到位于日本兵库县的同步加速器设施 SPring-8，在那里他们使用超声波干涉测量法结合同步加速器 X 射线技术在光束线 BL04B1 上研究了其高达 21 GPa 和 900 K 的声速。

他们的实验结果表明，与其他深部地幔矿物相比，SuB 的压缩速度 (VP) 和剪切速度 (VS) 特别低。在 MTZ 的 P 和 T 条件下，只有多数石榴石(他们小组也研究过的一种矿物)的速度低于 SuB。

根据他们的新数据，他们估计了一个假设的水合地幔的速度和密度，其中 SuB 作为主要的水载体存在，并将他们的结果与沿冷热温度分布的干燥地幔进行了比较。从这些模型中，他们表明冷水合地幔区域的特征是在 MTZ 和 ULM 的多个深度处地震可检测到负 P 波和 S 波异常，例如在日本东北部和汤加下方的冷俯冲带中观察到的那些。

他们的结果进一步表明，ULM 中水合地幔的存在可以解释局部大的负 P 波和 S 波以及 670-700 公里深度的密度异常，例如地震学研究在 660 公里以下观察到的密度异常。这一新数据应该极大地有助于追踪深层地幔中含水岩石的存在，并最终对地球下地幔的水收支提供更准确的估计。

这项工作发表在《地球物理研究快报》杂志上。

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