前言
地球科学领域长期以来一直对环太平洋地区俯冲洋壳的低速异常现象有着浓厚兴趣，多年的研究涌现了各种猜测。根据我们发表在 Journal of Geophysical Research: Solid Earth 上的最新研究：“Low-Velocity Structure of Subducted Oceanic Crust in the Upper Mantle: Insights From High Pressure and Temperature Elasticity Measurements of Aragonite”，我们认为这一异常的低速可能是由挥发性物质“碳水”的协同效应引起的。
说到这里大家可能有点一脸懵，环太平洋地区俯冲洋壳是个啥？为啥要研究它？低速异常到底异常在哪儿？还有这个“碳水作用”他指的是大米饭的碳水嘛？下面就让我来给大家讲讲 这到底是怎么个事儿。
1、俯冲板片是什么？
俯冲板块是指地球上的地壳板块在板块边界处下沉到地幔深处的过程，对地球演化、地震、火山活动、地质资源分布以及大地构造和板块动力学等方面的研究具有重要影响。俯冲板块下沉是指地球上两块地壳板块之一在板块边界附近向地球内部下沉的过程。
板块俯冲是全球板块构造学说的一个重要组成部分，板片在俯冲中过程中，会携带不同的物质组分到地球内部，包括导致火山喷发的流体，因此俯冲过程是地球内部物质循环的一个重要途径。通过深入研究俯冲过程，科学家能够更全面地理解地球的内外部动力学过程，揭示自然灾害的发生机制，以及为资源勘探和地球演化的理解提供关键信息。
最重要的是，俯冲板片是造成地球内部物质分布不均一的重要原因：
第一，当一块地壳板块在板块边界附近下沉到地球内部时，它携带着一些特定的物质成分，这与周围地区的物质有所不同。这一过程引起了地球内部物质的成分差异，从而导致地球内部物质的不均匀分布；
第二，俯冲板块通常相对较冷，其低温特性导致其地震波速相对较高，进而引发异常现象。
2、环太平洋地区俯冲板片怎么异常了？研究它干什么？
大部分情况下，俯冲板片的大部分区域因为温度较低而表现出高波速的特征。然而，在环太平洋地区，俯冲板片的情况有些不同 —— 这些俯冲板片的顶层出现了一种波速异常，即当地震波穿过这一区域传播时，其速度相对较慢，与周围地区相比呈现出异常的现象。这种神秘的现象激发了科学家们的好奇心，因为它暗示着这个特定地区的地下世界可能蕴藏着相较于其他地方的独特之处。或许，地球的内部还有一些令人惊喜的秘密等待着我们去发现。
首先，俯冲板片的异常低速对于自然资源勘探具有重要的意义，因为它反映了板片与周围地幔的复杂相互作用，对于揭示地球内部的物质循环和能量转换有重要价值。这种异常低速可能与矿物的形成和富集、石油和天然气的生成和运移、地热能的分布和利用等有关，为自然资源的探测和开发提供了重要的线索。
其次，环太平洋地区本身就是地震和火山活动最频繁的地区之一。环太平洋地区被称为“火环带”，这是因为这一区域拥有众多俯冲带，即海洋板块在这些区域下滑进入地幔的地方。这些俯冲带是地震和火山活动频发的主要原因。科学家通过监测这些板块运动的异常模式，如地震波的变化、地壳形变、气体排放等，结合地球物理、地震学和火山学等多学科交叉的数据分析和模型模拟，可以更好地预测地震和火山爆发的可能性和潜在地点。
3、异常的低速是什么原因造成的？
关于这个问题很多学者做了各种各样的工作，也提出了很多有可能的解释：
其中有一种说法是与水有关，认为俯冲板片的下沉带入了大量挥发性物质，尤其是水。水是一种重要的挥发性物质，可以影响岩石的物理性质和变形行为。水可以以不同的形式存在于俯冲板片中，如水化矿物、含水矿物、无水矿物中的羟基、流体包裹体等。水可以降低岩石的熔点、增加岩石的塑性、减小岩石的密度、增加岩石的电导率等，从而导致俯冲板片的速度降低。水还可以在俯冲板片与周围地幔的界面上促进热化学交换，形成含水矿物或部分熔融矿物，进一步降低波速 [1, 2]。
但是，我们可以看到下图中，含水矿物在这个深度最有可能存在的就是硬柱石（右图，稳定性分析），但是其仍然不能解释观测到的低速（左图，波速分析，只有 2% VP），因为这个数值明显低于预期的观测值范围，后者通常在 3-4% 之间 [3]。
然而，根据我们的研究，除了水分外，碳元素也被认为是一个在地球内部挥发性元素的重要代表。特别是在深部，碳以碳酸盐的形式被引入地球内部，这是碳元素的一个重要载体。当碳随着俯冲板片进入到地球内部时（如左图所示，涉及全球碳循环过程），在地球内部高温高压的条件下，碳会以不同的相态存在。在深度介于 150 到 250 公里之间，碳酸钙被认为是最稳定的相态，具体表现为文石相（如右图所示，展示了碳酸钙的高温高压相图）[4, 5]。
然而，令人困惑的是，单一的碳酸钙相态也无法完全解释观测到的波速特征。于是，我们继续寻找其他因素和机制……
碳随俯冲板片进入到地球内部
既然“水”和“碳”都不能独立的解释这一现象，那会不会是碳和水一起导致的呢？
通过绘制碳酸盐、含水矿物和深度之间的关系，我们发现在环太平洋地区 150-250 km 深度的俯冲板片顶层存在 3-4% VP 和 3-7% VS 的低速。由于单独的碳酸盐和含水矿物最多只能解释 2% VP 和 4% VS，我们可以看到下图中 x 轴达到最大 (y 轴为 0) 时，即只有含水矿物的情况，VP 低速只有~2%。因此这不能仅通过单一挥发分解释，更可能是由“碳水”协同效应导致的。这一发现为我们深入理解地球内部动力学过程提供了新的线索。
终于我们可以确定，环太平洋地区俯冲板片的低速异常是由于“碳水协同效应”，即含水矿物和碳酸盐在地球内部的联合作用。这个发现为解开这一地质谜题提供了关键的答案，表明了这两种挥发性元素在地下的协同影响是导致波速异常的关键机制。这一认识不仅有助于深化对地球内部的理解，还对地震和地质活动的研究以及自然资源勘探等领域具有重要的实际意义。
后记
本文章的主要观点来自“Low-Velocity Structure of Subducted Oceanic Crust in the Upper Mantle: Insights From High Pressure and Temperature Elasticity Measurements of Aragonite”，该文章发表在于地球科学领域国际著名学术期刊 Journal of Geophysical Research: Solid Earth (https://doi.org/ 10.1029/2023JB027838)。通讯作者为中国科学技术大学地球和空间科学学院毛竹教授，第一作者为博士研究生李络。共同作者包括，于英鑫博士，张文博士，密歇根大学安娜堡分校卢佳琪博士，吉林大学李新阳教授。相关实验在中国科学技术大学高温高压矿物学实验室、上海同步辐射光源完成。本工作受到中科院战略先导 B 项目 (Grant No. XDB41000000)，国家自然科学基金 (Grant No. 41590621 和 42241117) 以及中央高校基本科研业务费 (Grant No. WK2080000144) 资助。
参考文献
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[1] WANG X, CHEN Q-F, NIU F, et al. Distinct slab interfaces imaged within the mantle transition zone [J]. Nature Geoscience, 2020, 13(12): 822-7.
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[2] HAN G, LI J, GUO G, et al. Pervasive low-velocity layer atop the 410-km discontinuity beneath the northwest Pacific subduction zone: Implications for rheology and geodynamics [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2021, 554: 116642.
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[3] CHANTEL J, MOOKHERJEE M, FROST D J. The elasticity of lawsonite at high pressure and the origin of low velocity layers in subduction zones [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2012, 349: 116-25.
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[4] BEKAERT D, TURNER S, BROADLEY M, et al. Subduction-driven volatile recycling: A global mass balance [J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2021, 49: 37-70.
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[5] BAYARJARGAL L, FRUHNER C-J, SCHRODT N, et al. CaCO3 phase diagram studied with Raman spectroscopy at pressures up to 50 GPa and high temperatures and DFT modeling [J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2018, 281: 31-45.
本文来自微信公众号：石头科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：李络
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