Science Advances报道地空学院发现地球深部380公里以下的含超硅石榴石榴辉岩

地球的内部组成和结构是目前地球科学研究的前沿领域，Science杂志曾宣布125个往后人类将致力解决的、最具挑衅性的关键科学题目，其中“地球内部是如何运行的”被列为第十个科学题目，位于地球科学领域之首位。这是由于人类目前对地球内部的了解还特别很是有限，固体地球的半径达6400公里，而我们目前钻探最深只能到达12公里深处。上天不易，入地更难，我们只能通过出露于地表的地质作用过程中形成的岩石，来推断地球内部的结构和组成。

地幔捕虏体是深部岩浆如金伯利岩、火成碳酸岩、玄武岩等带至地表来源于地幔的岩石包体，它们是研究深部地幔的自然窗口。岩浆起源深度不同，携带的地幔捕虏体的物质组成和提供的信息也不同。碳酸岩是地表赋碳的重要岩石之一，其岩浆起源深度一向存在争论。实验岩石学的研究证明碳酸岩岩浆最深能在地幔700公里处形成，而地球化学证据表现碳酸岩是富CO₂硅酸岩岩浆在地壳深度发生液态不混溶的产物。有关深部地幔的信息重要是通过高温高压实验和幔源金刚石内的超高压矿物包裹体得到的，很难直接获得来自软流圏以下的地幔捕虏体，这极大地制约了我们对碳酸岩岩浆起源和深部碳循环的熟悉。

北京大学地球与空间科学学院许成研究员与张立飞教授和费英伟教授合作，首次在我国华北克拉通中北部的内蒙古丰镇和河北怀安一带的碳酸岩内发现了榴辉岩捕虏体。榴辉岩重要由绿辉石和石榴石组成，石榴石内包裹磷灰石、金红石、绿辉石、蓝晶石、石英等矿物。更为紧张的是，他们在榴辉岩的石榴石内发现了超硅石榴石（Pyr_90-93Alm_3-7Gro_2-4）包体（图），其硅分子组成为3.15-3.22，X衍射和拉曼光谱均证明它为超硅石榴石，穆斯堡尔谱分析表现该矿物具有高的Fe³⁺（Fe³⁺/全Fe～0.87），远高于目前金刚石内发现的超硅石榴石（Fe³⁺/全Fe < 0.4）。他们通过高温高压实验合成了相似化学组成的超硅石榴石，并标定压力大于13GPa（图）。超硅石榴石是一种典型的超高压矿物，重要分布于地幔200公里以下，其化学式为Mg₃(MgSi)(SiO₂)，因为其硅具有六次配位结构区别于一样平常石榴石，并且六配位硅的含量越高，形成的压力越大。目前该类矿物仅在陨石和少量金刚石的包体内发现，且相对亏损三价铁。富三价铁超硅石榴石的发现揭示了地幔软流圈底部或地幔过渡层存在富氧成分，与地表俯冲的沉积碳酸盐密切相干，这也注解碳酸岩岩浆可能形成于地幔过渡带。该项研究对于进一步探究地幔过渡带的动力学演化和和碳酸岩浆的起源都具有紧张意义。

该项研究成果于2017年4月7日发表在Science子刊Science Advances期刊上（Xu et al.，Sci. Adv. 2017；3: e1601589）。许成研究员是文章的第一作者，许成研究员、张立飞教授和费英伟教授为共同通信作者，捷克孟德尔大学的Jindřich Kynický、Miroslav Pohanka和宋文磊博士，美国卡内基研究所的陶仁彪博士以及地空学院的刘曦研究员参与了此项工作，该成果获得了科技部“973”项目、国家天然科学基金委项目和美国卡内基研究所项目的资助。