每年数十亿吨的海水掉入深层的地幔中，那里具有超强的氧化能力

（单击图像可查看全图。）示意图显示了在1900 km深度下地幔内的边界。在1900 km以下，水和地幔之间的相互作用被触发。

如果我们从地球表面到中心，那么中点大约位于下地幔的1900公里处。下地幔的深度从660到2900 km不等，占地球总量的55％。下地幔的化学成分相当简单。长期以来，人们一直认为它是由2种主要矿物质（约95％）组成，分别是桥锰矿和铁镁锰矿。直到最近，这种模式一直受到下地幔中一系列发现的直接挑战。

“主要的下地幔成分之一，铁镁橄榄石（Mg，Fe）O在遇水后变成黄铁矿型结构。这种引人入胜的化学反应仅发生在地球深层的下地幔中，该深层被定义在1900至2900 km之间。该反应产生所谓的氧过量相，或简称为超氧化物。下地幔在水的存在下被氧化。”通常，当化合物中的所有氧原子与金属原子键合时，它们称为氧化物。但是，如果化合物具有成对的氧原子，如氧-氧键，它将变成超氧化物。尽管自然界中很少发现超氧化物，但它可能在地球深处的下地幔中很常见。

“我们还发现，上层地幔中占主导地位的矿物橄榄石及其高压相辉绿岩在分解为水进入深层地幔时分解成超氧化物。”由HPSTAR的Jin Liu添加。考虑到地幔的深度，很少有方法可用于科学家探测下地幔的矿物学。“我们的实验非常具有挑战性。我们输入适当的参数，例如压力，温度和起始矿物质。然后，我们调查了输出，包括化学反应，新的矿物组合及其密度分布。这些参数使我们可以更好地限制下地幔的性质及其氧化态。”与下地幔高度减少的范式相反，我们的结果表明，深的下地幔至少在存在水的地方被局部氧化。

小组成员研究了存在于地球表面的矿物质，方法是将它们挤压在两块钻石砧之间，以产生约1亿倍的海平面气压，并使用红外线激光将其加热，然后使用X射线电池分析样品和电子探针。实验模仿了地球深部下地幔中的极端压力-温度条件。

先前的实验探索了在没有水的情况下的干燥矿物集合。那些实验报告说，在下地幔中，桥辉石（和/或后桥辉石）和铁硅藻土是最丰富，最稳定的矿物。但是，当引入水时，在深部较低的地幔条件下，铁链霉菌酶将被部分氧化为超氧化物。经过验证，超氧化物能与桥锰矿和后桥锰矿保持和谐。

这种新的水幔化学物质可以与固体地球中的水循环密切相关。每年，数十亿吨的海水在构造板块边界落入地球深处。当一些水通过水下火山和热气喷口返回时，其他水则深入地球内部。“我们的实验表明，深水是地幔化学的重要组成部分。水循环可以延伸到深层的下地幔，那里的水具有非凡的氧化能力，产生高度氧化的超氧化物并释放氢。”由HPSTAR的Ho-kwang Mao博士建议。“下地幔可以同时被氧化和还原。”

参考：胡庆阳，刘金，陈九华，严炳民，岳萌，维塔利·B·普拉卡彭卡，温迪·毛和毛浩光的“存在H2O的深部下地幔矿物学”，国家科学评论，2020年5月13日。 DOI：
10.1093 / nsr / nwaa098