我国学者在地球深部水循环研究中取得重要进展

   在国家自然科学基金项目（项目编号：U1530402、41574080）等资助下，北京高压科学研究中心张莉课题组与美国阿贡国家实验室先进光子源和上海光源合作，在地球深部水循环研究中取得重要进展。研究成果以“Discovery of a Hexagonal Ultradense Hydrous Phase in (Fe,Al)OOH”（致密六方含水相(Fe,Al)OOH的发现）为题，于2018年3月5日在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（《美国科学院院刊》）上发表。论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.1720510115。

　　下地幔从地表以下670公里一直延伸到2900公里，占整个地球体积的一半，是地球水循环研究的主要对象之一。下地幔的储水能力很大程度上取决于是否有稳定的含水矿物，可以把水输送到它的深部。张莉课题组利用同步辐射X射线衍射技术，在百万大气压和2400K的下地幔高温高压条件下，发现(Fe_0.8Al_0.2)OOH具有致密的六方结构，在110 GPa的晶胞参数为a=10.5803(6) Å 和 c=2.5897(3) Å。课题组还确定了数十个符合该六方晶胞的亚微米晶粒，各自具有不同的晶面取向，从而确定该六方含水相的存在及其基本性质。在107 GPa的压力下从激光加温卸温到室温后，六方相逐步转化为立方相(黄铁矿结构)。通过X射线衍射原位监控样品的变化，发现10分钟后接近三分之二的六方相转化为立方相（如图）。近期由毛河光院士领导的研究工作已经证明含水矿物FeOOH具有黄铁矿结构，且立方相FeOOH可由铁和其它储水载体在核幔边界释放出来的水反应生成。该六方相和立方相含水矿物随温度的变化而相互转化是可逆并且可重复的，证明铝元素的加入改变了下地幔深部含水矿物的性质和相稳定性。

　　此项研究工作为推动原位研究高温高压下地球深部物质循环迈出了重要一步，对水和其它挥发性元素在地球内部的分布和性质提出了新的认识，对人类理解矿产资源形成、地球演变过程以及地球内部组成具有重要意义。

　　图. 同步辐射X射线衍射原位监控样品从六方含水相到立方含水相的转化。在107GPa，从刚卸温到10分钟后，从下往上的衍射谱（X射线波长为0.3738 Å）表示，六方相在低温下逐渐转变为立方相，而作为压力介质的氖气的衍射峰强则保持不变。其中，Py指黄铁矿结构立方相；HH指六方含水相；Ne指氖气。