在矿物石英中挖掘水道

Stishovite 的化学式与二氧化硅石英 (SiO 2 ) 相同,但密度更高。虽然 SiO 2在地壳中含量丰富,但它也是玄武岩的主要成分,玄武岩是一种富含铁和镁的火成岩。当洋壳中的玄武岩俯冲到地球内部深处时,它会受到高压和高温的作用,引发玄武岩熔化和液体释放,即液态水。然后这些流体可以与周围的地幔岩石发生反应,改变其成分。

中国北京高压科学技术高级研究中心 (HPSTAR) 的主要作者 Junwei Li 表示:“如果 Stishovite 能够吸收大量的水,情况可能就不是这样了。” Stishovite可以掺入一定重量百分比的水。因此,地幔中的斯石英可以储存大量的水,相当于地球表面几个海洋的水量。这项研究现已发表在《科学进展》杂志上。

地球科学界的主要共识是,水掺入石英石中要么是通过羟基(OH -)吸收到晶格中,要么是通过硅置换形成缺陷结构来实现。这两种机制过去都得到了深入研究,但目前还不清楚,在地幔高压和高温条件下,哪种机制占主导地位。

“我们采用了一种名为 LASP 的革命性结构搜索算法,该算法在高温下发现了致密石英石中最有利的水配位位点,”中国广州中山大学副教授朱胜才博士说。

该算法基于机器学习算法,将结构搜索的速度加快了几个数量级。含水石英石每个晶胞包含超过 100 个原子,适当的搜索算法和机器学习的结合使得以合理的计算成本定位稳定的结构成为可能。

结果表明,水合石英石在呈现一维水通道的石英水超结构中稳定。在高于 1,000 K 的温度下,氢原子将在通道内表现为流体,从而形成奇异的一维超离子态,类似于高压和高温下的高压水冰(见下图)。

因此,含水辉石可能具有高离子迁移率,这可以解释之前观察到的地幔中的电不均匀性。鉴于这些令人鼓舞的结果,研究小组开始在实验室环境中合成样品。然而,事实证明,对于那些预测的石英水超结构来说,合成和表征非常具有挑战性。

“尽管在过去十年中已经合成了一系列含水石英石样品,但它们要么含有大量的氧化铝,要么是在相对较低的压力和温度条件下合成的,”HPSTAR的研究员林彦浩博士说。“这是在接近下地幔地温的 PT 条件下合成 含有 wt% H 2 O的无铝 Stishovite 单晶的首次尝试。”

“测量名义上无水矿物中的氢,特别是对于我们能够制备的微小样品,在技术上具有挑战性,”Thomas Meier 博士(HPSTAR)说。“由于氢原子的弹性散射较弱,X射线衍射等传统的结构表征技术无能为力。为了解决这个问题,我们使用了用于检测超小样品的核磁共振波谱技术。NMR尤其是对氢核敏感。”

检测到的1 H-NMR 信号是每个氢核的短尺度局部环境的指纹,所表现出的特征可以验证研究小组的超结构预测。

独特的石英水上部结构为探索新矿物提供了令人兴奋的机会。根据晶体学的定义,含水的石英石不再是原始的石英石。“这是一种新矿物,”HPSTAR 首席科学家毛浩光博士说。

众所周知,水会改变矿物质的结构,但预计不会形成有水通道穿过的上层建筑。这可能不是石英石的独特结构,但它可能存在于其他矿物中。超离子水通道的存在也会很大程度上改变石英石的物理性质。例如,由于氢原子沿着某些方向扩散,其电特性将具有高度各向异性。斯石英水上部结构的发现将刷新我们对地球深处水库的传统看法。

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