我國學者在地球深部水循環研究中取得重要進展

   在國家自然科學基金項目（項目編號：U1530402、41574080）等資助下，北京高壓科學研究中心張莉課題組與美國阿貢國家實驗室先進光子源和上海光源合作，在地球深部水循環研究中取得重要進展。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的發現）為題，于2018年3月5日在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（《美國科學院院刊》）上發表。論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.1720510115。

　　下地幔從地表以下670公里一直延伸到2900公里，占整個地球體積的一半，是地球水循環研究的主要對象之一。下地幔的儲水能力很大程度上取決于是否有穩定的含水礦物，可以把水輸送到它的深部。張莉課題組利用同步輻射X射線衍射技術，在百萬大氣壓和2400K的下地幔高溫高壓條件下，發現(Fe_0.8Al_0.2)OOH具有致密的六方結構，在110 GPa的晶胞參數為a=10.5803(6) ? 和 c=2.5897(3) ?。課題組還確定了數十個符合該六方晶胞的亞微米晶粒，各自具有不同的晶面取向，從而確定該六方含水相的存在及其基本性質。在107 GPa的壓力下從激光加溫卸溫到室溫后，六方相逐步轉化為立方相(黃鐵礦結構)。通過X射線衍射原位監控樣品的變化，發現10分鐘后接近三分之二的六方相轉化為立方相（如圖）。近期由毛河光院士領導的研究工作已經證明含水礦物FeOOH具有黃鐵礦結構，且立方相FeOOH可由鐵和其它儲水載體在核幔邊界釋放出來的水反應生成。該六方相和立方相含水礦物隨溫度的變化而相互轉化是可逆并且可重復的，證明鋁元素的加入改變了下地幔深部含水礦物的性質和相穩定性。

　　此項研究工作為推動原位研究高溫高壓下地球深部物質循環邁出了重要一步，對水和其它揮發性元素在地球內部的分布和性質提出了新的認識，對人類理解礦產資源形成、地球演變過程以及地球內部組成具有重要意義。

　　圖. 同步輻射X射線衍射原位監控樣品從六方含水相到立方含水相的轉化。在107GPa，從剛卸溫到10分鐘后，從下往上的衍射譜（X射線波長為0.3738 ?）表示，六方相在低溫下逐漸轉變為立方相，而作為壓力介質的氖氣的衍射峰強則保持不變。其中，Py指黃鐵礦結構立方相；HH指六方含水相；Ne指氖氣。