玄武质熔体水扩散系数测定与地月岩浆海的水迁移和演化

The distribution, transport and evolution of water in Earth's interior and lunar interior provide important insights into the early evolution of the Earth-Moon system. Based on the widely accepted giant impact hypothesis, a giant impact at c.a. 4.5 Ga led to the formation of planet-scale terrestrial magma ocean (TMO) and lunar magma ocean (LMO). While the steam in Earth's protoatmosphere could dissolve into the TMO, fractional crystallization of the TMO and the LMO would cause water enrichment and even outgassing of magma oceans. Water diffusivity in ultramafic/mafic siliate melts is a crucial parameter in controlling the transport and evolution of water in the TMO and the LMO. This project proposes to perform water diffusion experiments in basaltic melts at 1500-2000 K and 0.5-4 GPa in a piston cylinder apparatus. Water diffusivity will be extracted from FTIR and Raman analyses of the quenched experimental products. After understanding the mechanism for water diffusion and the variation of water diffusivity with temperature, pressure, water content, and melt composition, universal water diffusivity models applicable to ultramafic/mafic melts will be developed. The water diffusivity models will be applied to simulate the transport and evolution of water in the TMO and the LMO, to evaluate the distribution of water in Earth's interior and lunar interior, so as to constrain the early evolution of the Earth-Moon system.

地球和月球内部水的分布、迁移和演化是认识地-月系统早期演化历史的重要线索。根据得到广泛认可的大碰撞假说，约45亿年前的大碰撞形成了大规模的地球岩浆海和月球岩浆海。地球表层大气中的水蒸气可能溶解进入地球岩浆海；与此同时，岩浆海的分离结晶导致水在岩浆中富集，甚至引发岩浆去气。水在超镁铁质/镁铁质熔体中的扩散系数是控制岩浆海中水迁移和演化过程的关键参数。本项目计划在活塞圆筒压机中1500-2000 K和0.5-4 GPa条件下开展玄武质熔体水扩散实验，并通过对实验产物进行红外/拉曼光谱分析获得水扩散系数。在厘定水扩散机制与掌握水扩散系数随温度、压力、水含量和熔体成分变化规律的基础上，建立适用于超镁铁质/镁铁质熔体的水扩散系数模型。水扩散系数模型将被应用于模拟岩浆海结晶过程中水的迁移和演化，评估地、月内部的水含量分布，进而制约地-月系统的早期演化历史。

水是地球和月球岩浆中最重要的挥发分之一。水的扩散系数是定量模拟火山玻璃水的得失，气泡生长和吸收以及爆发性火山喷发的关键参数。水在硅酸盐熔体中至少以分子水和羟基的形式存在，其扩散是典型的多种型扩散问题。只有精确掌握玄武质熔体中水扩散系数随压力、温度、熔体成分和水含量的变化规律，才能准确评估水在岩浆中的迁移和反演月球玄武质玻璃珠的喷发前水含量等关键信息。此外，对熔体中水扩散机制的探究也可以为认识硅酸盐熔体的微观结构提供有益启示。.本项目着重开展了在不同成分的玄武质熔体中水扩散的高温高压实验研究。实验结果表明，玄武质熔体中，羟基对扩散的贡献非常显著，水扩散系数随温度上升而升高。对于钙碱性玄武质熔体，羟基扩散速率约为分子水扩散速率的13%，在水含量小于1 wt%时，羟基主导水的扩散。显著的羟基扩散效应来源于玄武质熔体具有更低的黏度，相同水含量下更高的羟基含量和羟基中更高的自由羟基(与Ca，Mg等变网离子相连的羟基)比例。羟基对电导率的贡献在一定程度上可能比Na离子更显著，揭示了玄武质熔体中水促进电导率的一种新机制。基于近三十年来积累的实验数据，建立了钙碱性硅酸盐熔体和玻璃水扩散系数的普适模型，几乎与全部实验数据良好吻合，偏差最大不超过0.6个对数单位。对于月球玄武质熔体，羟基不仅是主要的氢种型，而且是氢运移的主要载体。月球绿色玻璃珠的喷发前水含量被重新估计为120-260 ppm，其月幔源区的水含量为7-15 ppm。硅酸盐月球仅比硅酸盐地球轻度贫水。对于钾玄质熔体，羟基扩散速率约为分子水扩散速率的24-52%。碱对熔体中水扩散有促进作用，实验结果与普适模型的计算结果比值约为2。.本项目系统总结了包括扩散系数在内的硅酸盐熔体迁移性质随温度、压力和成分的变化规律，发现不同迁移性质之间的耦合程度随温压的上升而加强，其本质原因在于不同离子在熔体结构中的角色和活动性趋同。研究结果发表在地学最具影响力期刊之一Reviews of Geophysics。