水是人类赖以生存的基础。地球与其他星球最显著的区别就是地球上含有大量的水。近几十年来的深部地球科学的研究表明含水的矿物可能广泛地存在于地球内部，地球内部的含水量可能远远大于地面的海洋。研究深部地球不同圈层中水的含量、分布与演化一直是地球科学领域的重大基础问题之一。地球内部转换带（440-660 km深度）与核幔边界（2900 km深度）的含水性已慢慢得到多方面共识，其对地球的分层、元素循环以及地核组成等方面都会产生十分重要的影响。然而，关于下地幔（660-2900 km深）的含水性目前还没有统一的认识。由于深度的限制，目前人们只能通过电磁波地震波等观测数据推断地球内部结构。

图1 地球深部1200km 电导率波速分布，a. 电导率与波速叠加分布图；b. 电导率分布图；c. 波速分布图。

电磁波地震波等观测数据表明在中下地幔1200 km深左右，电导率与波速剖面均有明显的异常（图1），通过两相结合产生了高电导低波速，高电导高波速，低电导低波速以及低电导低波速等异常区域，且这些异常区域与俯冲带的分布有明显相关性。近日，中国矿物岩石地球化学学人会员、北京高压科学研究中心胡清扬研究员与四川大学张友君副研究员合作，分别利用动高压、静高压两种实验手段，测量了高温高压下地表针铁矿（a-FeOOH，即铁锈）的高压矿物ε-FeOOH的电导率和地震波速度。其中地震波速在四川大学的二级轻气炮中高速碰撞产生动态高温高压中测量；电导率测量基于北京高压中心的金刚石压腔（钻石互相挤压）与激光加热系统。结果表明ε-FeOOH在中下地幔1200 km深度左右由于矿物电子结构的变化会产生电导率的异常升高并伴随波速的异常下降（图2，3）。研究的第一作者为高压中心校友、现任四川大学副研究员庄毓凯，与四川大学的甘波博士。通讯作者为学会会员、北京高压科学研究中心的胡清扬研究员和四川大学原子与分子物理研究所的张友君副研究员。

图2. ε-FeOOH与其他矿物高温高压电导率剖面

图3. 计算与实验获得的ε-FeOOH高温高压波速剖面

通过与全球范围内在这一地幔深度的地震地磁学数据进行对比和分析发现，ε-FeOOH在这个压力范围的现象恰好与某些高电导与低波速的冷俯冲带区域相吻合。该研究团队通过动、静高温高压技术，利用主流的电导率与波速参数有效地约束了含水ε-FeOOH矿物在中下地幔可能的赋存区域。尽管ε-FeOOH不是下地幔的主要矿物，但其就像毛细血管里的细胞一样可以把水带入地球深部。

以上研究成果以《ε-FeOOH在中下地幔储存的证据及其对水循环的意义》为题已在线发表于期刊《Science Bulletin》。

Yukai Zhuanga^#, Bo Ganb^#, Zhongxun Cui, Ruilian Tang, Renbiao Tao, Mingqiang Hou, Gang Jiang, Catalin Popescu, Gaston Garbarino, Youjun Zhang*, Qingyang Hu*. Mid-mantle water transportation implied by the electrical and seismic properties of ε-FeOOH. DOI: Science Bulletin, 10.1016/j.scib.2021.12.002

（胡清扬 供稿）