DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.18765146
تاريخ النشر: 2026-02-25
المؤلف: Yunke Song وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيولوجيا الفيزيائية عالية الضغط والمواد
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في دور الماء في منطقة انتقال الوشاح الأرضي (MTZ)، مع التركيز بشكل خاص على كيفية تخزين الماء في الألواح الغاطسة على أعماق تتراوح بين 410 و 660 كيلومتر. من خلال تجارب مختبرية تحت ضغط ودرجة حرارة عالية على نظام Mg-Si-H، تقيم الدراسة استقرار المراحل المائية تحت ظروف تمثل MTZ. تشير النتائج إلى أنه عندما يكون محتوى الماء الكلي أقل من 1.22 wt%، يتم دمج الماء بشكل أساسي في وادسليت (Wd) ورينغووديت (Rw)، بدلاً من تشكيل سيليكات المغنيسيوم المائية الكثيفة (DHMSs). نظرًا لأن محتويات الماء النموذجية في الألواح المحيطية الغاطسة أقل من هذا العتبة، فإن تشكيل DHMSs يعتبر غير محتمل، مما يشير إلى أن MTZ قد تحد من النقل الكبير للماء إلى الوشاح السفلي.
تعزز الاستنتاجات المستخلصة من هذه الدراسة فهم آليات تخزين ونقل الماء داخل الوشاح الأرضي. تبرز أن استقرار DHMSs يعتمد على تجاوز محتوى ماء حرج لا يقل عن 1.22 wt% في MTZ. على عكس الرأي التقليدي الذي يعتبر DHMSs هي الحاملات الرئيسية للماء إلى الوشاح العميق، تشير النتائج إلى أن Wd و Rw هما الحاملتان الرئيسيتان للماء في هذه المنطقة. وبالتالي، تقترح الدراسة أن إعادة تدوير الماء على نطاق واسع من المحتمل أن تكون مقيدة إلى أعماق أقل من حوالي 660 كم، مما يتحدى الافتراضات السابقة حول ديناميات الماء في داخل الأرض.
طرق
في هذه الدراسة، تم إعداد فورسترايت (Mg₂SiO₄) وإنستاتيت (MgSiO₃) الاصطناعيين من خلطات ستويكيو مترية من مسحوق MgO و SiO₂. تم تخليق الفورسترايت من خلال تفاعلات الحالة الصلبة بنسبة مولية 2:1، تلاها الطحن، والتكوير، والتلبيد عند 1400 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. تم إنتاج الإنستاتيت من خليط مولاري بنسبة 1:1 من MgO و SiO₂، وتم تسخينه عند 1273 كلفن لمدة ساعة، وطحنه إلى حوالي 1 ميكرومتر، وتعرضه لظروف ضغط عالية تبلغ 2 غيغاباسكال و1473 كلفن لمدة 20 ساعة في كبسولة من الموليبدينوم. تم الحفاظ على نسبة Mg/Si الكلية عند 1.4، بما يتماشى مع نموذج البايروليت، مع محتويات متغيرة من H₂O (0.1 إلى 5 wt%).
تم إجراء تجارب الضغط العالي باستخدام أجهزة متعددة السندان من نوع KAWAI في مرفقين مختلفين، باستخدام MgO المخلوط بالكروم (Cr₂O₃) كوسيط ضغط. تضمنت إعدادات التجربة ضغط العينات إلى ضغوط تبلغ 16 غيغاباسكال و21.5 غيغاباسكال، مع درجات حرارة تصل إلى 1400 كلفن. ثم تم معالجة العينات لفترات تتراوح بين 6 و12 أو 24 ساعة قبل أن يتم تبريدها واستعادتها بعد فترة تخفيف ضغط مدتها 15 ساعة. تم تسهيل قياسات درجة الحرارة بواسطة ثنائي حراري W 97 Re₃-W 75 Re₂₅، وتم احتواء العينات في كبسولات ذهبية طوال مدة التجارب.
نتائج
في التجارب تحت الضغط العالي التي أجريت عند 16 غيغاباسكال و1400 كلفن، أدى وجود 0.1 wt% من الماء الكلي إلى تشكيل وادسليت (Wd) وإنستاتيت عالي الضغط (En). مع زيادة محتوى الماء الكلي إلى 1.6 wt%، ظهرت المرحلة E، مع ارتباط حجمها بشكل إيجابي مع محتوى الماء الأولي في المواد البدائية. أكدت تحليل حيود الإلكترون الخلفي (EBSD) توزيعًا متجانسًا لكل مرحلة، على الرغم من فقدان بعض الحبيبات أثناء التلميع.
عند 21.5 غيغاباسكال و1400 كلفن، مع 1 wt% من الماء الكلي، تضمنت المنتجات أكيموتيت (Ak) ورينغووديت (Rw). أدى زيادة محتوى الماء إلى 1.6 و3 و5 wt% إلى انتقال في تجميعات المراحل من Rw + Ak + المرحلة المائية الفائقة B (SuB) إلى Ak + SuB + ستشوفايت (St)، وأخيرًا إلى SuB + St، مما يتماشى مع الدراسات السابقة حول محتويات الماء الأعلى. من الجدير بالذكر أن نسبة Mg/Si الأعلى من 2 أدت إلى زيادة Rw، بينما أدت نسبة قريبة من 1 إلى وجود المرحلة الزائدة D عند محتويات الماء المرتفعة. تم قياس محتويات الماء في Rw وWd باستخدام مطيافية الكتلة للأيونات الثانوية (NanoSIMS)، مع إجراء المعايرة مقابل معايير Rw المائية الاصطناعية. تم توثيق ظروف التجربة التفصيلية والنتائج في الجدول 1 والجدول التكميلي 1.
مناقشة
تؤكد قسم المناقشة في ورقة البحث على أهمية حسابات توازن الكتلة في تقييم استقرار المراحل المائية في الوشاح الأرضي، خاصة تحت محتويات وضغوط ماء متغيرة. تبني الدراسة رسمًا بيانيًا لنسبة المراحل لنظام Mg/Si = 1.4 MSH، كاشفة أن الماء يفضل التوزيع في وادسليت (Wd) ورينغووديت (Rw) بدلاً من تشكيل سيليكات المغنيسيوم المائية الكثيفة (DHMSs). تم تحديد الحد الأقصى للذوبانية المائية لـ Wd وRw ليكون 2.42 wt% و2.57 wt% على التوالي. تشير النتائج إلى أنه إذا كان محتوى الماء الكلي أقل من 1.22 wt%، يتم تخزين الماء بشكل أساسي في Wd وRw، بينما يؤدي تجاوز هذا العتبة إلى تشكيل DHMSs، مما يظهر علاقة حاسمة بين محتوى الماء واستقرار المعادن.
علاوة على ذلك، تناقش الورقة دور نشاط الماء في التحكم في استقرار المعادن المائية، مشددة على أن انخفاض نشاط الماء يمكن أن يقمع تشكيل DHMSs. تؤكد الدراسة أن الحد الفعال لمحتوى الماء الكلي لتشكيل DHMSs حساس للقدرات القصوى لتخزين الماء لـ Wd وRw، والتي تتأثر بظروف الحرارة والضغط. تشير النتائج إلى أنه في سيناريوهات الغمر الطبيعية، غالبًا ما يبقى محتوى الماء الكلي أقل من العتبة الحرجة اللازمة لاستقرار DHMSs، مما يحد من نقل الماء إلى الوشاح الأعمق. تتحدى هذه الدراسة الافتراضات السابقة حول دور DHMSs كحاملات رئيسية للماء، مقترحة بدلاً من ذلك أن Wd وRw هما الحاملتان الرئيسيتان في منطقة انتقال الوشاح، مع آثار كبيرة على فهم عمليات إعادة تدوير الماء في داخل الأرض.
DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.18765146
Publication Date: 2026-02-25
Author(s): Yunke Song et al.
Primary Topic: High-pressure geophysics and materials
Overview
This research investigates the role of water in the Earth’s mantle transition zone (MTZ), specifically focusing on how water is stored in subducting slabs at depths between 410 and 660 kilometers. Through high-pressure and high-temperature laboratory experiments on the Mg-Si-H system, the study evaluates the stability of hydrous phases under conditions representative of the MTZ. The findings indicate that when the bulk water content is below 1.22 wt%, water is primarily incorporated into wadsleyite (Wd) and ringwoodite (Rw), rather than forming dense hydrous magnesium silicates (DHMSs). Given that typical water contents in subducted oceanic slabs are below this threshold, the formation of DHMSs is deemed unlikely, suggesting that the MTZ may limit significant water transport into the lower mantle.
The conclusions drawn from this study enhance the understanding of water storage and transport mechanisms within the Earth’s mantle. It highlights that the stability of DHMSs is contingent upon exceeding a critical water content of at least 1.22 wt% in the MTZ. Contrary to the traditional view that DHMSs are the primary carriers of water into the deep mantle, the results indicate that Wd and Rw are the main water carriers in this region. Consequently, the research suggests that large-scale water recycling is likely restricted to depths shallower than approximately 660 km, challenging previous assumptions about water dynamics in the Earth’s interior.
Methods
In this study, synthetic forsterite (Mg₂SiO₄) and enstatite (MgSiO₃) were prepared from stoichiometric mixtures of MgO and SiO₂ powders. Forsterite was synthesized via solid-state reactions at a molar ratio of 2:1, followed by grinding, pelletizing, and sintering at 1400 °C for 24 hours. Enstatite was produced from a 1:1 molar mixture of MgO and SiO₂, calcined at 1273 K for 1 hour, ground to approximately 1 μm, and subjected to high-pressure conditions of 2 GPa and 1473 K for 20 hours in a Mo capsule. The bulk Mg/Si molar ratio was maintained at 1.4, consistent with the pyrolite model, with varying H₂O contents (0.1 to 5 wt%).
High-pressure experiments were conducted using KAWAI-type multi-anvil apparatuses at two different facilities, employing Cr₂O₃-doped MgO as the pressure medium. The experimental setup involved compressing the samples to pressures of 16 GPa and 21.5 GPa, with temperatures reaching 1400 K. The samples were then annealed for durations of 6, 12, or 24 hours before being quenched and recovered after a 15-hour decompression period. Temperature measurements were facilitated by a W 97 Re₃-W 75 Re₂₅ thermocouple, and the samples were encapsulated in gold capsules for the duration of the experiments.
Results
In the high-pressure experiments conducted at 16 GPa and 1400 K, the presence of 0.1 wt% bulk water resulted in the formation of wadsleyite (Wd) and high-pressure clinoenstatite (En). As the bulk water content increased to 1.6 wt%, phase E emerged, with its volume fraction positively correlating with the initial water content in the starting materials. The electron backscatter diffraction (EBSD) analysis confirmed a homogeneous distribution of each phase, despite some grain loss during polishing.
At 21.5 GPa and 1400 K, with 1 wt% bulk water, the products included akimotoite (Ak) and ringwoodite (Rw). Increasing the water content to 1.6, 3, and 5 wt% led to a transition in phase assemblages from Rw + Ak + superhydrous phase B (SuB) to Ak + SuB + stishovite (St), and finally to SuB + St, aligning with previous studies on higher water contents. Notably, a higher Mg/Si ratio of 2 resulted in increased Rw, while a ratio close to 1 led to the presence of excess phase D at elevated water contents. Water contents in Rw and Wd were quantified using secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS), with calibration performed against synthetic hydrous Rw standards. Detailed experimental conditions and findings are documented in Table 1 and Supplementary Table 1.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the significance of mass balance calculations in evaluating the stability of hydrous phases in the Earth’s mantle, particularly under varying water contents and pressures. The study constructs a phase proportion diagram for the Mg/Si = 1.4 MSH system, revealing that water preferentially partitions into wadsleyite (Wd) and ringwoodite (Rw) rather than forming dense hydrous magnesium silicates (DHMSs). The maximum water solubility for Wd and Rw is determined to be 2.42 wt% and 2.57 wt%, respectively. The findings indicate that if the bulk water content is below 1.22 wt%, water is primarily stored in Wd and Rw, while exceeding this threshold leads to the formation of DHMSs, thereby demonstrating a critical relationship between water content and mineral stability.
Furthermore, the paper discusses the role of water activity in controlling the stability of hydrous minerals, highlighting that lower water activity can suppress the formation of DHMSs. The study underscores that the effective bulk water threshold for DHMS formation is sensitive to the maximum water storage capacities of Wd and Rw, which are influenced by temperature and pressure conditions. The results suggest that in natural subduction scenarios, the bulk water content often remains below the critical threshold necessary for DHMS stabilization, thereby limiting the transport of water into the deeper mantle. This research challenges previous assumptions about the role of DHMSs as primary water carriers, proposing instead that Wd and Rw are the main carriers in the mantle transition zone, with significant implications for understanding water recycling processes in the Earth’s interior.