水在地球内部的分布与循环是理解地球演化与动力学的核心。然而，水如何通过俯冲板块被带入地球深部，致密含水镁硅酸盐在水输运过程中发挥了什么作用，一直是地球科学的前沿问题。近日，地化所关键矿产成矿与预测全国重点实验室郭新转研究员团队在《Nature》旗下期刊《Communications Earth & Environment》上发表一项最新研究成果，系统揭示了地球地幔转换带中致密含水镁硅酸盐在低水活度条件下的稳定性与分布特征，为理解深部水循环和俯冲板片中水的储存与运移机制提供了新的实验依据，挑战了传统观点。该研究通过高温高压实验发现，在真实俯冲板块的低水含量条件下，水会优先储存在名义上的无水矿物中，而非此前认为的致密含水镁硅酸盐。这一发现意味着，大规模的地幔水循环可能被限制在660公里深度以上，对深入理解地球深部水的储存和运输机制具有里程碑意义。
地幔转换带位于地下约 410 至 660 公里之间，是连接上地幔与下地幔的重要区域，也是地球深部水循环的关键储库之一。长期以来，科学界一直关注俯冲洋壳和地幔物质中的水究竟以何种矿物形式存在，以及这些含水相能否作为“载水矿物”将水进一步带入更深部地幔。此前，不少研究认为致密含水镁硅酸盐可能是深部储水和输水的重要介质，但其在低含水条件下是否能够稳定存在，仍缺乏直接实验约束。
针对这一问题，研究团队在 16 和 21.5 GPa、1400 K 条件下，对 Mg-Si-H体系开展了高温高压实验，系统考察了不同整体含水量条件下含水相的形成与分布。团队通过实验和质量平衡计算，首次定量确定了DHMSs形成的“水含量阈值”。研究发现，在Mg/Si比为1.4的系统中，当地幔过渡带系统的整体水含量低于约1.22 wt%时，水会几乎全部进入名义上的无水矿物——瓦兹利石和林伍德石中，而不会形成致密含水镁硅酸盐。只有当水含量超过此阈值，DHMSs（如E相、超水合B相）才会出现（图1）。
这一发现对理解深部水循环具有重要意义。它表明，在自然俯冲板片中，地幔转换带的水储存方式可能主要受控于名义上无水矿物的含水能力，而不是依赖大量独立含水矿物相的形成。换言之，在低水活度条件下，水在地幔中的分布可能比传统认识更加不均一，也更受局部成分、温压条件和供水程度的共同控制。这种不均一性不仅会影响地幔流变性质，还可能进一步影响地震波速度异常、局部熔融以及板块俯冲过程中的物质循环。
研究还指出，在约 660 公里深度附近，林伍德石发生分解并释放水，可能形成含水熔体层；而真正能够将有限水分继续带入下地幔的，可能只有少数热稳定性更高的含水相，例如富铝相D、相H以及含水斯石英等。这一认识进一步细化了不同深度、不同岩性条件下的储水机制，也为解释地幔转换带及其下方某些地球物理异常提供了新的矿物学依据。
这项工作强调，在研究地球深部含水矿物稳定性时，除了压力和温度之外，水活度这一因素同样至关重要。与以往较多采用富水条件的实验相比，本研究更加接近天然俯冲体系中的低含水环境，因此所得结果对真实地球过程具有更强约束力。相关研究不仅有助于深化人们对地球内部水循环和地幔演化的认识，也为今后建立更真实的深部地球动力学模型提供了实验基础。
本研究由地化所和日本冈山大学惑星物质研究所合作完成，宋云珂博士为论文第一作者，郭新转研究员为通讯作者，日本冈山大学Takashi Yoshino教授为论文共同作者。研究得到了国家自然科学基金、中国科学院西部之光、国家留学基金管理委员会等项目以及地化所公共技术服务中心的支持。
论文信息：
Song Y, Guo* X, Zhai K, et al. Stability and distribution of dense hydrous magnesium silicates in the mantle transition zone under low water activity conditions. Communications Earth & Environment, 2026, 7: 265.
图1. 水在地球内部分布示意图。在俯冲板块中含水矿物的稳定性模拟（H₂O含量低于临界点1.22 wt%）。在300公里深处，几乎所有矿物都完全脱水。A相可能是水的主要载体，可下潜至400公里深度，在局部富水区域可能含有少量E相。在地幔过渡带，水主要储存在含水的瓦兹利石和林伍德石中。在660公里处，林伍德石发生分解，释放出水并形成含水熔体层。只有高热稳定性的相，例如富铝的D相、H相和含水的斯石英，可以将有限的水输送到下地幔。注：Zo：黝帘石，Amp：角闪石，Chl：绿泥石，Srp：蛇纹石，Hy-Wd：含水瓦兹利石，Hy-Rw：含水林伍德石，H-Sti：含水斯石英，Al-D：富铝D相，H：H相。
（关键矿产室/供稿）