北京大学地球与空间科学学院地球物理所黄清华教授团队与美国学者合作，在地幔过渡带含水量探测方面取得新进展，研究成果以“A relatively dry mantle transition zone revealed by geomagnetic diurnal variations （地磁日变化信号揭示了相对干燥的地幔过渡带）”为题，于近日在Science Advances发表。

水的分布可以改变地幔矿物的熔融状态和流变学性质，是影响深部动力学过程的关键因素之一。研究地球深部水循环从而加深对地球结构演化的理解，需要探明地幔各个圈层中水的分布。与上、下地幔相比，地幔过渡带(410-660 km)因其主要矿物（瓦兹利石与林伍德石）出色的储水能力，成为地球深部最具潜力的“水库”。尽管理论上地幔过渡带能够储存相当于地表海洋4倍以上的水量，但实际的地球物理与地球化学研究给出的含水量往往大相径庭。回答地幔过渡带实际含水量这一关键问题需要结合多学科观测资料，对地幔过渡带结构进行高精度成像。在众多的岩石物理参数中，电导率对含水量较为敏感。如果能够获取准确的地幔过渡带电导率模型，结合高温高压矿物物理实验结果，就可以有效约束水在其中的分布。

北京大学地空学院张慧茜博士后与黄清华教授及合作者美国俄勒冈州立大学Gary Egbert教授一起，结合全球地磁台网观测资料和热层-电离层耦合物理模型，针对地磁日变信号发展了一套交替反演电离层场源结构和地幔电导率分布的方法，攻克了日变信号场源空间形态复杂、不易应用于地球内部结构探测的难点，突破了传统方法仅使用长周期磁层信号的限制，提高了模型对地幔过渡带的分辨率。研究发现上地幔电性结构存在显著的横向不均匀性，尽管电导率的三维分布对单台日变信号的解释影响较大，但全球数据的同时反演（图1）能够有效约束200-600 km深度范围内的电导率结构，从而揭示了全球地幔过渡带平均含水量。

反演得到的陆地平均电导率-深度剖面表明，上地幔（200-410 km）与过渡带上层（410-520 km）的电性结构无明显差异，平均电导率约为0.03 S/m，而地幔过渡带下层（520-660 km）电导率明显增加（图2）。基于地幔主要矿物电导率的高温高压实验测量结果和全球地幔绝热温度模型，由上地幔及过渡带上下层的平均电导率分别估算出各层的含水量。结果表明，地幔过渡带含水量为0.03 wt.%，远小于瓦兹利石的储水能力。用于反演的地磁台站大多位于欧亚和北美大陆，由此推测，尽管俯冲板片能够携带大量的水进入地球深部，但大部分陆地下方地幔过渡带内水含量并未达到饱和的状态。

该研究得到国家自然科学基金委创新研究群体项目和青年科学基金项目资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo3293

图1. 全球地磁台网台站分布与日变数据拟合相对误差。

图2. （A）陆地平均电导率-深度剖面。（B）矿物电导率随含水量的变化。