拉曼光谱分析证实地球下地幔蕴藏“汪洋大海”

2023年7月

近年来，两家著名的地质研究机构分别使用雷尼绍显微拉曼光谱仪，对来自地球下地幔的“超深”金刚石中的包裹体进行了无损分析。金刚石包裹体是一种重要的化学惰性“容器”，能够保留在高压下形成的矿物碎片的原始结构和化学成分。在诸多岩石学研究中，通过拉曼光谱技术提供了越来越多的证据，证实地球地幔中存在大量的水。

地球内部蕴含多少水？

地球地幔中的含水量对地球内部的动态变化有着至关重要的影响。¹水能减小岩石的内摩擦力，并在地震、岩层遇水弱化、脱水脆化、断裂和地幔对流等地质现象中发挥着关键作用。精确量化地球地幔中的含水量非常重要，因为一个微小的偏差可能就会大大改变我们对地质过程的认知。在地球深处，地幔过渡带与下地幔之间存在一个不连续带。它位于地表下约660公里处（称为“660公里边界”），科学家们可以通过密度和地震波速度的急剧变化对其进行探测。由于来自660公里边界的样本很少，因此科学家们对于这些不同地下深度的化学成分仍有争议。关于像水这样的挥发性化学物质能否穿越过渡带边界进入下地幔，仍有许多问题亟待解决。探究水是如何穿越这个边界的，也可以帮助我们深入了解全球水循环。

首次发现证据表明地球地幔中存在含水过渡带

2013年，在来自巴西朱伊纳 (Juina) 地区的一个金刚石包裹体中发现了地球原生的林伍德石。¹ 林伍德石是 (Mg,Fe)₂SiO₄的高压多形。林伍德石与橄榄石具有相同的化学成分，但由于受到高压作用，林伍德石具有尖晶石型结构。这种尖晶石型结构使其能够在地球地幔中储存大量的水。在此之前，科学家们仅在实验室合成过林伍德石，或在陨石中发现过林伍德石的存在。在德国歌德大学地球科学研究所 (Geoscience Institute, Goethe University)，科学家们首先使用雷尼绍RM1000显微拉曼光谱仪对地球原生林伍德石进行了拉曼光谱分析。该分析确定了该金刚石包裹体含有来自660公里边界的林伍德石。接下来，傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱显示其含水量大约为1.5%，接近于过渡带的水饱和度。当时，他们尚不确定该样本的含水量能否代表过渡带的普遍情况。