新研究表明，由于橄欖石礦物獨特的傳熱特性，只有最古老、下沉最快的海洋板塊才能將水輸送到地球地幔深處。由于橄欖石礦物通過輻射傳導(dǎo)熱量的方式，只有擁有超過 6000 萬年歷史并且以每年超過 10 厘米的速度向下移動的海洋構(gòu)造板塊才能保持足夠低的溫度，從而將水輸送到地球地幔深處。

這一結(jié)論來自波茨坦大學(xué)和亥姆霍茲地球科學(xué)中心（GFZ）的研究團隊以及國際合作伙伴。他們在測量地幔極端溫度和壓力條件下橄欖石對紅外光的透明度后得出了這一結(jié)論。他們的研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

地球的外殼被稱為巖石圈，它被分解成堅硬的部分，稱為構(gòu)造板塊。這些板塊漂浮在其下方更熱、更柔韌的地幔之上。當(dāng)兩塊板塊碰撞時，密度較大的板塊會沉入地幔，這一過程稱為俯沖。下沉的板塊被稱為“板坯”。海洋板塊通常比大陸板塊密度更大，這主要是因為它們富含橄欖石，而橄欖石這種礦物約占海洋巖石圈的80%。

俯沖板塊與含水礦物向地幔過渡帶的遷移示意圖。圖片來源：Enrico Marzotto

橄欖石也是地球外殼的主要礦物，占上地幔（深度40-410公里）的60%。俯沖過程中，冷的板塊通過熱擴散逐漸被周圍溫暖的地幔加熱，這一過程涉及熱傳導(dǎo)和熱輻射。了解板塊加熱過程對于解釋深層地震的發(fā)生以及600公里以上深度水的存在至關(guān)重要。

“我們首次測量了地球內(nèi)部橄欖石的透明度，”波茨坦大學(xué)地球科學(xué)研究所的地球動力學(xué)家恩里科·馬爾佐托說道。“這些測量表明，即使在地球內(nèi)部極端的壓力和溫度條件下，橄欖石也能實現(xiàn)紅外透明。”

輻射熱傳輸約占富含橄欖石的上地幔總擴散熱量的40%。因此，輻射熱導(dǎo)率在板塊加熱中起著重要作用，并對俯沖板塊的密度和剛度及其將水輸送到地球內(nèi)部的能力產(chǎn)生深遠的影響。

利用二維板塊熱演化模型，研究小組可以證明，輻射熱傳輸增強的快速加熱會導(dǎo)致較淺深度含水礦物的分解。

“這或許可以解釋板塊深度超過70公里時發(fā)生的地震，”馬爾佐托說。“因此，只有超過6000萬年歷史且每年下沉速度超過10厘米的板塊，才能保持足夠低的溫度，將含水礦物輸送到410至660公里深的地幔過渡帶（MTZ）。”

MTZ 被認(rèn)為是地球上最大的水庫，其水量可能比地球海洋多三倍。

“我們的研究還提供了數(shù)值工具，用于計算地幔熱異常的壽命及其地球動力學(xué)行為，”恩里科·馬佐托補充道。這些異常可能是熱的（例如從地球深層地幔升起的柱狀物），也可能是冷的（例如俯沖板塊）。

編譯自/scitechdaily