破解深部鹵素循環(huán)之謎：科學(xué)家找到地球深處的“鹵素快遞員”

學(xué)者網(wǎng)訊（編輯/劉伶 通訊員/孔令竹）地球內(nèi)部的揮發(fā)分——氟、氯、水、碳等“活躍分子”——看似遙遠(yuǎn)，實(shí)則與我們的生活息息相關(guān)。它們既控制著金剛石等戰(zhàn)略礦產(chǎn)的形成，也影響著火山地震的分布，甚至在地球長(zhǎng)期氣候演變中扮演重要角色。俯沖帶正是這些物質(zhì)從地表返回地球深部的核心通道。按照傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，氟、氯這類鹵素在俯沖早期就會(huì)隨含水礦物分解而大量流失，難以進(jìn)入數(shù)百公里深的地幔。然而，全球多地深部金剛石中卻發(fā)現(xiàn)了高密度鹽水包裹體，部分地幔礦物中也記錄了異常的氟富集現(xiàn)象。這些本應(yīng)在淺部“半路流失”的元素，究竟是如何進(jìn)入地球深處的，一直是深部揮發(fā)分循環(huán)研究中的關(guān)鍵謎題。

近日，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所王煜研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）陳春飛教授等，通過(guò)高溫高壓實(shí)驗(yàn)找到了這一謎題背后的關(guān)鍵線索。相關(guān)成果于北京時(shí)間2026年4月2日凌晨在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》在線發(fā)表。研究表明，一種在俯沖帶中廣泛分布的礦物——多硅白云母，正是將鹵素帶入深地的關(guān)鍵“搬運(yùn)者”。

多硅白云母礦物照片

研究團(tuán)隊(duì)基于富鉀蝕變洋殼模擬初始物，在5至11 GPa（約等于地下150-330公里深）、850至1200℃條件下系統(tǒng)考察了多硅白云母的穩(wěn)定性及其攜帶氟、氯的能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多硅白云母在相當(dāng)于約330公里深度的條件下仍可保持穩(wěn)定，這意味著它能夠幫助氟和氯穿過(guò)淺部揮發(fā)分釋放關(guān)口（通常小于150公里），繼續(xù)向地幔深部運(yùn)輸。換句話說(shuō)，這種看似普通的礦物，竟能將鹵素“護(hù)送”到以往認(rèn)為難以企及的地球深處。

更出人意料的是，多硅白云母并非簡(jiǎn)單地將兩種元素“一路帶到底”。當(dāng)它在更深處失穩(wěn)分解或發(fā)生熔融時(shí)，氟和氯會(huì)“分道揚(yáng)鑣”：氯更容易進(jìn)入釋放出的流體或熔體，而氟則會(huì)被新生成的高壓礦物——氟鎂鉀礦（KMgF₃）截留，并繼續(xù)以固相形式向更深地幔運(yùn)輸。這意味著，氯更容易隨深部流體遷移，而氟則會(huì)被新的礦物相“接力”帶往更深處。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)還為解釋深部金剛石的形成機(jī)制提供了新線索。研究顯示，在約11GPa、900℃（~330 km深）條件下，多硅白云母分解可釋放出富鉀、富氯的超臨界流體，其中氯含量高達(dá)9.6%至19.9%。這一成分特征，與天然深部金剛石中常見(jiàn)的高密度鹽水包裹體高度吻合。換句話說(shuō)，俯沖洋殼中的多硅白云母在深部分解，很可能就是這些深部高鹽流體的“源頭”，而它們正是促進(jìn)金剛石生長(zhǎng)的理想“催化劑”。

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步估算了多硅白云母每年向深部地幔輸送的鹵素總量：氟約為170萬(wàn)至260萬(wàn) 噸，氯約為52萬(wàn)至110萬(wàn)噸。若以杭州西湖約 1450 萬(wàn)噸的水量為參照，這意味著平均每 5 年左右（約 4 至 6.5 年），該過(guò)程向地幔輸送的鹵素質(zhì)量就相當(dāng)于“一個(gè)西湖”。這一結(jié)果表明，多硅白云母是全球深地鹵素循環(huán)中不可忽視的重要載體。該成果為解釋“淺部易流失、深部卻富集”的鹵素循環(huán)矛盾提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為理解深部流體活動(dòng)、金剛石形成以及地球內(nèi)部長(zhǎng)期化學(xué)演化提供了新的認(rèn)識(shí)。

該論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士研究生劉穎卓，通訊作者為王煜研究員。合作者包括中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）陳春飛教授、廣州地球化學(xué)研究所高名迪副研究員和徐義剛研究員。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023YFF0803403、2022YFF0801001）、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)B類（XDB0840200）和廣東省自然科學(xué)基金（2024A1515012214）等項(xiàng)目資助。

論文信息：Yingzhuo Liu (劉穎卓), Yu Wang* (王煜), Chunfei Chen (陳春飛), Mingdi Gao (高名迪), Yi-Gang Xu (徐義剛). 2026. Phengite-mediated fluorine and chlorine fluxes from subduction zones to the deep mantle. Science Advances 12, eaee6110. DOI:10.1126/sciadv.aee6110.

蝕變洋殼深俯沖鹵素循環(huán)示意圖

正在搭建的實(shí)驗(yàn)組裝

完整的實(shí)驗(yàn)組裝

劉穎卓與正在實(shí)驗(yàn)中的1000噸大壓機(jī)