地球上地幔主要由橄榄石和辉石等名义无水矿物组成，这类矿物的晶格中可赋存一定量的氢（以羟基OH-的形式存在），并对矿物的物理化学性质产生显著影响。上地幔中的整体水含量则是评估地幔熔融程度、反演地球内部物质循环及构建地球动力学模型的关键参数之一。因此，如何准确估算上地幔的水含量，长期以来都是地球科学领域备受关注的核心科学问题。另一方面，天然样品中的单斜辉石通常不呈现明显的水（OH-）扩散剖面，被学界广泛认为能够有效保存其形成时的初始水含量，故而可以作为标志矿物，借助水在单斜辉石与其他名义无水矿物之间的分配系数，实现对上地幔源区的水含量的定量估算。然而，不同天然样品中单斜辉石与斜方辉石的水含量比值变化范围较大，与实验厘定的水分配关系存在显著偏差，其成因存在多种猜测，该偏差的存在，也对单斜辉石作为地幔源区水含量的示踪矿物的可靠性提出了挑战。
针对这一问题，中国科学院地球化学研究所与吉林大学研究人员开展合作研究，采用高温高压实验与数值模拟相结合的研究手段，对水在不同辉石中的分配行为及其扩散过程进行了系统性的研究。研究团队在1–7 GPa、900–1100 ℃条件下开展了系列实验，系统测定了水在单斜辉石与斜方辉石之间的分配关系。实验结果表明，水在两类辉石之间的分配受到压力、辉石中Al2O3含量以及体系水含量等多种因素的共同控制（图1）。基于实验数据，研究建立了涵盖多影响因素的经验关系式，为定量估算天然样品中的水分配提供了新的约束。
图1 实验约束的辉石间水分配系数及其主要控制因素
然而，即便采用本研究校正过的平衡分配关系，仍无法合理解释部分天然样品中两类辉石水含量比值，亦难以阐释天然单斜辉石普遍缺失水扩散剖面这一观测事实。基于此，研究人员进一步开展了氢在辉石中扩散行为的数值模拟。模拟结果显示，在较高温度条件下，辉石中的水会发生显著的扩散丢失；其中斜方辉石的扩散速率通常高于单斜辉石，易与周围环境达到平衡状态。但两类辉石的扩散系数差异小于2个数量级，理论上会使单斜辉石形成可被明确观测的扩散剖面。研究提出，单斜辉石中的高温水丢失特征（扩散剖面）可能在后期低温阶段，被颗粒内部的再平衡过程所掩盖，而此时斜方辉石的水含量剖面并没有明显改变（图2）。这一结果表明，天然单斜辉石中未观测到水的扩散剖面，并不等同于其完整保留了形成时的初始水含量。
该研究指出，若单独依靠单斜辉石反演上地幔水含量，很可能导致对地幔真实水含量的误判。研究强调，在实际应用中，需结合斜方辉石的水含量信息，并综合考虑扩散过程的影响，才能更可靠地约束地幔源区的初始水赋存状态。
图2 低温再平衡过程中辉石颗粒内水含量剖面的变化情况
相关成果为理解上地幔水的分布特征及其在地球动力学过程中的作用提供了新的认识，对地幔熔融机制、岩石圈演化及深部水循环研究具有重要意义。研究成果近期发表在国际著名地学期刊 Journal of Geophysical Research: Solid Earth。
论文信息：Ju,D.,Du,W.,Liu,Z.,Chen,L.,& Yu,W. (2025). Initial Water Content in Pyroxenes Constrained by Experimental and Numerical Simulations: Reassessment of Clinopyroxene as a Standard for Estimating Water Content in the Earth’s Upper Mantle. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,130(12),e2025JB031788. https://doi.org/10.1029/2025JB031788
中国科学院地球化学研究所鞠东阳博士研究生为本文第一作者，杜蔚研究员为通讯作者。合作者包括吉林大学的刘兆东研究员、陈陆遥博士和中国科学院地球化学研究所的于雯高级工程师等。该研究得到了贵州省重大（重点）基金项目[Grant (2020)1Z033]、国家自然科学基金[41773052、41973058、42272041]、中国科学院战略性先导科技专项[XDB41020305]以及国家重点研发计划[2022YFB3706602、2024YFF0807500]的联合资助。
（关键矿产室 杜蔚/供稿）