地球深部的水循环一直是地球科学研究的前沿。俯冲板块是将地表水输送到地球深部的主要载体。然而，俯冲带的热结构是控制俯冲板片能否将水输送到地球深部的关键因素。传统上认为，在暖俯冲带，俯冲板片很难将水带入到下地幔，如北美的法拉隆板块。然而，已有研究表明，在北美西部地幔转换带和下地幔中存在大量的水，那么问题是在暖俯冲带结构区，俯冲板片是如何将水输送到地幔过渡带和下地幔的？
针对这一关键科学问题，吉林大学地球深部动力学创新团队、地球探测科学与技术学院翁爱华教授课题组选择已俯冲至下地幔的法拉隆板块为研究对象，利用北美地区长期的地磁观测数据，借助三维地磁测深反演技术，获得了该地区深部高分辨率的地幔的电导率图像（图1）。基于最新的高温高压岩石电导率实验结果，结合法拉隆板块的地震速度成像结果，确认在该地区地幔转换带和下地幔顶部发现的高导异常是由暖的法拉隆板片携带的水所致。具体研究成果如下：
图1 北美西部地区的地磁测深台站位置及地幔电性结构图
1）发现了北美西部地区下方地幔转换带和上地幔顶部附近存在一个显著的高导电异常体（图1），其中下地幔顶部的高导异常体与滞留的法拉隆板块位置相重合。
2）该高导异常体是由地幔高的含水量所引起。其中，地幔转换带中的高导异常体应是由含水林伍德石（Ringwoodite）的存在（其含水量可能高达1 wt.%；图2A），而下地幔顶部的异常体则应归因于含水斯石英（Stishovite）的存在，其平均含水量可能达到4.5 wt.% （图2B，2C）。
3）暖俯冲板块可以将水带入下地幔，最关键的机制是上地幔深部致密含水镁硅酸盐（DHMSs）和斯石英的接力式输水作用（图3）。在俯冲过程中，暖法拉隆板块岩石圈中的致密含水镁硅酸盐等矿物在上地幔深部发生分解，将大量的水释放到上地幔中。然而，在向上穿过板块进入地幔过程中，这些水会重新水化洋壳中的斯石英。斯石英的高压稳定性达可到70 GPa，因此可以将水带到下地幔深度。在那里，斯石英会释放少量的水，引起轻微的部分熔融，含水熔体上升到达转换带中，水被林伍德石吸收，形成转换带中的水富集区。
图2 用于高导异常性质解释的岩石物理分析模型
图3 由俯冲法拉隆板块构建的跨地幔转换带水传输系统
以上研究成果于2023年3月以“A water transport system across the mantle transition zone beneath western North America as imaged by electrical conductivity data”为题发表于国际地学期刊《Geology》上。吉林大学“鼎新学者”博士后李世文是论文第一作者（Email: lisw1031@jlu.edu.cn），翁爱华教授是论文通讯作者（Email: wengah@jlu.edu.cn），吉林大学是论文通讯单位；参与这项研究的还有吉林大学地球探测科学与技术学院李亚彬博士、郭峻豪博士、周子琨博士。成文过程得到了吉林大学许文良教授和北京高压科学研究中心胡清扬研究员的指导。该工作由国家自然科学基金（42074080、42130302、42204076）和吉林大学科技创新研究团队（2021TD-050）资助。研究的详细信息请参照原文。
原文信息：Li SW, Li YB, Guo JH, Zhou ZK, Weng AH*. A water transport system across the mantle transition zone beneath western North America as imaged by electrical conductivity data. Geology, 2023.
原文链接：https://doi.org/10.1130/G51005.1
