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探秘地球深处:西北大学和新墨西哥大学科学家发现庞大地下水库(作者:Megan Fellman)

已有 636 次阅读 2023-12-2 14:16 |系统分类:科普集锦

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西北大学和新墨西哥大学的研究人员报告了有潜在海量水存在于美国深处的证据。尽管不是在熟悉的液态形式,水的成分被困在地球地幔深处的岩石中,这一发现可能代表了地球上最大的水库。

地表上液态水的存在是使我们的“蓝色星球”适于居住的原因,科学家们长期以来一直试图弄清楚通过板块构造,地球表面和内部储层之间的水循环有多少水。

西北大学地球物理学家史蒂夫·雅各布森和新墨西哥大学地震学家布兰登·施曼特发现,在北美下方约400英里处存在深层岩浆囊,这很可能是这些深度存在水的迹象。这一发现表明,地球表面的水可以被板块构造推动到这样的深度,最终导致地幔深处的岩石部分熔化。这项研究于2014年6月13日发表在《科学》杂志上,将有助于科学家理解地球的形成过程、其当前的组成和内部运作,以及地幔岩石中困住的水量有多少。

雅各布森是这篇论文的共同作者,他说:“地球表面的地质过程,比如地震或火山爆发,是我们看不见的地球内部正在发生的事情的体现。我认为我们终于看到了整个地球的水循环的证据,这可能有助于解释我们居住星球表面上巨大的液态水量。科学家们几十年来一直在寻找这个消失的深层水。”

科学家们长期以来一直推测水被困在地球地幔的岩石层中,位于下地幔和上地幔之间,深度在250英里到410英里之间。雅各布森和施曼特是第一批在区域尺度上提供这一地幔区域(被称为“过渡带”)可能含水的直接证据的科学家。该区域横跨美国大部分内陆地区。施曼特是新墨西哥大学地球物理学助理教授,他利用地震波来研究深层地壳和地幔的结构。雅各布森是西北大学魏恩伯格艺术与科学学院的地球与行星科学副教授,他利用实验室观察来预测远离我们直接观察的地球上发生的地球物理过程。

这项研究结合了雅各布森在实验室进行的实验,他在模拟地球表面以下400英里高压条件下研究地幔岩石,以及施曼特使用美国阵列的大量地震数据的观察,这是一个由超过2,000个地震仪组成的密集网络,遍布美国。

雅各布森通过在他的西北大学实验室中合成榴辉石,这种矿物呈蓝宝石般的蓝色,通过在高压条件下使绿色的橄榄石矿物与水反应来合成。他发现榴辉石晶体结构的重量超过1%可能由水组成,大致相当于《自然》论文中报道的样品中发现的水量。雅各布森说:“榴辉石就像一个海绵,吸收水。榴辉石的晶体结构有一些非常特殊的地方,使它能够吸引氢并困住水。在深层地幔的条件下,这种矿物可以容纳大量水。”

在《科学》杂志报告的研究中,雅各布森将他合成的榴辉石置于地球表面以下约400英里的条件下,并发现在被推到这些条件时会形成少量的部分熔体。他在阿贡国家实验室先进光子源和布鲁克黑文国家实验室国家同步辐射光源进行的实验中检测到了熔体。雅各森使用小的宝石钻石作为坚硬的砧杵,将矿物压缩到深地球条件。他说:“由于钻石窗口是透明的,我们可以观察高压设备中发生的反应,这些反应发生在地幔的条件下。我们使用强烈的X射线、电子和红外光束来研究在钻石电池中发生的化学反应。”

雅各布森的发现产生了施曼特在使用地震波在北美下方检测到的部分熔体或岩浆的相同证据。由于深层地幔超出了科学家的直接观察范围,他们使用地震波——不同速度的声波——来成像地球的内部。施曼特说:“来自USArray的地震数据让我们对北美下方地球的内部结构有了比以往更清晰的了解。我们看到的熔化似乎是由俯冲驱动的——来自地表的地幔物质的下沉。”

研究得出的熔化被称为脱水熔融。过渡带岩石中可以保存大量的H2O,但下地幔顶部的岩石几乎不能保存水。当过渡带中的ringwoodite中包含的水深入地层(进入下地幔)并形成一种称为硅酸盐橄榄石的更高压矿物时,这些水就会被排出。这种矿物无法吸收水,导致过渡带和下地幔之间的岩石部分熔化。

施曼特说:“当富含H2O的岩石从过渡带移动到下地幔时,它需要以某种方式摆脱H2O,所以它会融化一点。这被称为脱水熔融。”“一旦水被释放,其中的大部分可能会在过渡带中被困住,”雅各布森补充道。由于新的地震仪阵列对这个地幔区域的观测,只有很少一部分,约1%的熔化是可以检测到的,因为熔化会减缓地震波的速度,施曼特说。USArray是国家科学基金会“地球范围”计划的一部分,该计划部署了成千上万的地震、GPS和其他地球物理仪器来研究北美大陆的结构和演变,以及引起地震和火山喷发的过程。

国家科学基金会(资助号EAR-0748797和EAR-1215720)和大卫与露西尔·帕卡德基金会支持了这项研究。

原文连接:

https://news.northwestern.edu/stories/2014/06/new-evidence-for-oceans-of-water-deep-in-the-earth/




https://m.sciencenet.cn/blog-3549522-1412141.html

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1 郑永军

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