심층수 순환

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연구 그룹

깊은 물의 순환, 즉 지질학적 물의 순환은 맨틀과의 물 교환을 포함하며, 지구의 표면과 위에서 일어나는 물의 순환 과정과는 달리 해양 판을 전도하여 화산 활동을 통해 물이 흘러내리고 화산 활동을 통해 돌아간다.물의 일부는 맨틀 하부까지 도달하고 심지어 외부 핵까지 도달할 수도 있다.광물 물리학 실험들은 수성 광물이 차가운 슬래브에서 맨틀 깊숙이 물을 운반할 수 있고 심지어 "명목상 무수 광물"도 여러 해양의 가치 있는 물을 저장할 수 있다는 것을 보여준다.

서론

주요 기사:물의 순환

물 순환(수문 순환이라고도 함)의 기존 관점에서는 물은 대기의 저장소와 지구 표면 또는 지표면 근처(해양, 강, 호수, 빙하 및 극지방 만년설, 생물권과 지하수 포함) 사이에서 이동한다.하지만, 표면 주기 외에도, 물은 지각과 맨틀로 내려오는 지질 과정에 중요한 역할을 한다.마그마의 수분 함량은 화산 폭발의 정도를 결정합니다; 뜨거운 물은 경제적으로 중요한 광물이 열수 광물 퇴적물에 집중되는 주요 통로입니다; 그리고 [1]물은 석유의 형성과 이동에 중요한 역할을 합니다.

구조판 경계에 대한 개략도.본문에서는 전도판(5)과 맨틀 쐐기 위에 있는 섬호(15)와 미드오션 리지(12)와 핫스팟(3)이 설명된다.

물은 단지 땅속에서 별개의 상으로 존재하는 것이 아니다.바닷물은 해양 지각으로 스며들어 올리빈과 피록센과 같은 화성암을 수화시켜 뱀, 탈크,[2] 브루사이트와 같은 수성 광물로 변화시킨다.이 형태에서 물은 맨틀로 운반된다.상부 맨틀에서, 열과 압력은 이러한 광물을 탈수시켜, 많은 광물을 맨틀 쐐기로 방출하고, 화산호를 [3]형성하기 위해 솟아오른 암석의 용융을 유발합니다.하지만 맨틀 깊숙이 안정돼 있는 명목상 무수광물 중 일부는 소량의 물을 하이드록실(OH−)[4] 형태로 저장할 수 있고, 지구의 많은 양을 차지하기 때문에 적어도 세계 [1]바다만큼 저장할 수 있다.

바다의 기원에 대한 전통적인 견해는 초기 시대에서 맨틀에서 가스가 배출되면서 채워졌고 맨틀은 그 [5]이후로 계속 탈수상태로 남아있다는 것이다.하지만, 침강은 10억년에서 20억 년 후에 바다를 비울 수 있는 속도로 물을 운반한다.그럼에도 불구하고, 지난 3-4억 년 동안의 지구 해수면 변화는 평균 수심 4km보다 훨씬 작은 수백 미터 밖에 되지 않았다.따라서, 맨틀을 드나드는 물의 흐름은 대략적으로 균형을 이루며 맨틀의 수분 함량은 일정할 것으로 예상된다.맨틀로 운반된 물은 결국 중앙해령과 [6]핫스팟에서 분출하면서 지표로 돌아온다.맨틀과 등에 물이 순환하는 것을 심층수 순환 또는 지질수 [7][8][9][3]순환이라고 합니다.

맨틀의 물의 양 추정치는 다음과 같다.바닷물의 1⁄4~4배.[10]바다에는 1.37×10m의183 물이 있기 때문에 맨틀에는 3.4×1017~5.5×10m의183 물이 있다는 것을 알 수 있다.맨틀에 있는 물의 제약은 맨틀 광물학, 맨틀에서 나온 암석 샘플, 그리고 지구물리학적 탐사로부터 온다.

스토리지 용량

다음 항목도 참조하십시오.광물 물리학
지구 상부 500km(검은 곡선)의 깊이에 대한 온도 의존도.

맨틀의 물의 양 상한은 맨틀의 광물이 운반할 수 있는 물의 양(저장 용량)을 고려하여 구할 수 있다.이것은 온도와 압력에 따라 달라집니다.열이 전도에 의해 이동하는 암석권에는 급격한 온도 경사가 있지만, 맨틀에서는 암석이 대류에 의해 교반되어 온도가 더 느리게 상승합니다([11]그림 참조).하강 슬래브는 평균 온도보다 춥습니다.

상부 맨틀, 전이 영역 및 하부 맨틀을 통과하는 올리빈의 위상 변환.핵에는 물이 철에 결합된 수소로 저장될 수 있다.

맨틀은 상부 맨틀(410km 이상), 전이대(410km 이상 660km 미만), 하부 맨틀(660km 이하)로 나눌 수 있다.맨틀의 대부분은 감람석과 그것의 고압 다형체로 구성되어 있다.전이대 꼭대기에서 워즐리이트로 상전이를 거쳐 약 520km 깊이에서 워즐리이트가 스피넬 구조를 가진 링우드로 변한다.하부 맨틀의 상부에서 링우드는 브릿마나이트와 페로페리클라아제로 [12]분해된다.

상부 맨틀에 있는 가장 흔한 광물은 감람석이다.410km 깊이의 경우, 0.13%의 중량(wt%)에 대한 초기 추정치를 0.4wt%로 상향 조정한 후 1wt%[10][13]로 수정했다.그러나 운반능력은 맨틀의 꼭대기를 향해 급격히 감소한다.또 다른 일반적인 광물인 피록센도 410km [10]부근에서 1wt%의 용량을 가지고 있다.

전이 구역에서는 물이 와들리이트와 링우드라이트에 의해 운반된다.하강 슬래브의 비교적 추운 조건에서는 최대 3 중량%까지 운반할 수 있는 반면, 주변 맨틀의 따뜻한 온도에서는 저장 용량이 약 0.5 중량%[14]이다.전이 구역은 [15]가넷의 고압상인 최소 40%의 메이저라이트로 구성되어 있으며, 용량은 0.1 중량%[16] 이하에 불과하다.

하부 맨틀의 저장 용량은 논란의 대상이며, 추정치는 바다의 3배에서 3% 미만이다.실험은 맨틀의 상위 100km에서 발견되는 압력으로 제한되었고 수행하기가 어렵다.결과는 수성 미네랄 함유물에 의해 위쪽으로, 유체 [17]포화 상태를 유지하지 못하면 아래쪽으로 치우칠 수 있습니다.

고압에서 물은 순수한 철과 상호작용하여 FeH와 FeO를 얻을 수 있습니다.외핵의 모형들은 이것이 이런 형태로 100개의 바다를 수용할 수 있을 것이라고 예측하고 있으며,[18] 이 반응은 지구의 초기 역사에서 하부 맨틀을 건조시켰을 수도 있다.

맨틀의 물

맨틀의 운반 용량은 상한일 뿐이며 맨틀이 [19]포화 상태라고 가정할 설득력 있는 이유는 없습니다.맨틀의 물의 양과 분포에 대한 추가적인 제약은 맨틀에서 분출된 현무암과 이종결석의 지구화학적 분석에서 비롯됩니다.

현무암

미드오션의 능선과 핫스팟에서 형성된 현무암은 맨틀에서 발생하며 맨틀의 구성에 대한 정보를 제공하는 데 사용됩니다.표면으로 떠오르는 마그마는 녹는점이 높은 성분이 먼저 가라앉는 부분 결정화를 거치고, 그 결과 녹는 물의 함량은 매우 다양할 수 있다. 그러나 분리가 거의 일어나지 않았을 때, 물의 함량은 약 0.07~0.6%이다.(비교적으로 화산호 주변의 역호 분지의 현무암은 전도판에서 물이 빠져나가기 때문에 1중량%~2.9중량%이다.)[18]

미드오션 리지 현무암(MORB)은 일반적으로 그들이 사는 광물과 호환되지 않는 미량 원소의 풍부함으로 분류됩니다.이들 원소의 함량이 상대적으로 낮은 "정상" MORB 또는 N-MORB로 구분되며, E-MORB가 [20]농축됩니다.물의 농축은 이들 원소의 농축과 밀접한 관련이 있다.N-MORB에서 소스 맨틀의 수분 함량은 0.08–0.18 중량%인 것으로 추정되며, E-MORB에서는 0.2–0.95 중량%[18]이다.

핫스팟의 MORB와 해양섬 현무암(OIB) 분석에 기초한 또 다른 일반적인 분류는 5가지 구성 요소를 식별한다.초점대(FOZO) 현무암은 맨틀의 원래 구성에 가장 가까운 것으로 간주된다.2개의 농축 엔드 멤버(EM-1 및 EM-2)는 해양 퇴적물과 OIB의 재활용에서 발생하는 것으로 생각된다.HIMU는 "high-μ"를 의미하며, μ는 우라늄과 납 동위원소의 비율(μ = U/204Pb)이다.다섯 번째 성분은 고갈 MORB(DMM)[21]입니다. 물의 거동은 세슘 원소의 거동과 매우 유사하기 때문에 물 대 세슘의 비율은 종종 성분의 [10]공급원인 지역의 물의 농도를 추정하는데 사용됩니다.여러 연구에서 FOZO의 수분 함량은 약 0.075wt%이며, 이 물의 대부분은 지구의 강착 과정에서 얻은 "청소년" 물일 가능성이 높다.DMM에는 [7]60ppm의 물밖에 없습니다.이러한 선원이 맨틀의 모든 영역을 표본으로 추출하는 경우, 총 물은 불확실성을 포함하여 그 비율에 따라 달라지며, 추정치는 0.2에서 2.3 [10]해양 사이이다.

다이아몬드 포함물

링우드사이트가 포함된 브라질 주니나의 다이아몬드는 전이 구역에 [22]물이 있음을 시사한다.

전이 구역과 하부 맨틀의 광물 샘플은 다이아몬드에서 발견되는 함유물에서 나온다.연구자들은 최근 과도기 지역에서 얼음 7의 다이아몬드 함유물을 발견했다.Ice-VII는 고압 상태의 물입니다.전이 구역에 형성되고 얼음-VII 포함물을 포함하는 다이아몬드의 존재는 전이 구역과 하부 맨틀의 꼭대기에 물이 존재함을 시사한다.발견된 13개의 얼음-VII 사례 중 8개는 약 8-12 GPa의 압력을 가지며, 포함물의 형성을 400-550km로 추적한다.2개의 포함물은 24~25 GPa의 압력을 가지며, 이는 610–[23]800km에서의 포함물의 형성을 나타낸다.얼음-VII 포접물의 압력은 전이 구역에 다이아몬드가 형성될 당시 물이 존재해야 포접물로 갇혔다는 증거를 제공한다.연구자들은 또한 포접물이 형성된 압력 범위는 포접물이 고체가 아닌 [23][22]유체로 존재했음을 암시한다.

또 다른 다이아몬드는 링우드사이트 함유물로 발견되었다.과학자들은 적외선 분광기, 라만 분광기, X선 회절기 등의 기술을 이용해 링우드라이트의 수분 함량이 1.4wt%라는 사실을 밝혀냈고 맨틀의 부피 수분 함량은 약 1wt%[24]로 추정했다.

지구물리학적 증거

지진

지진 활동 및 전기 전도의 급격한 감소는 전이대가 수화 링우다이트를 생성할 수 있음을 나타냅니다.USArray 지진 실험은 지진계를 사용하여 미국의 기초 맨틀을 도표로 만드는 장기 프로젝트이다.이 프로젝트의 데이터를 사용하여 지진계 측정 결과 전이 [25]구역의 바닥에서 녹은 흔적이 나타납니다.전이대의 용융은 전이대를 통과하는 슬래브의 침강으로 인해 하부 맨틀에서 급격한 속도가 감소함에 따라 지진 속도 측정을 통해 가시화할 수 있다.측정된 지진 속도 감소는 [26]HO의 12 중량 % 용융의 예측 존재와 정확하게 상관된다.

초저속대(ULVZ)는 코어-망틀 경계(CMB) 바로 위에서 발견되었다.수소(FeOH2x)를 포함한 과산화철의 존재를 강조하는 실험은 ULVZ의 예상과 일치합니다.연구자들은 철과 물이 반응하여 CMB의 ULVZ에서 FeOH를 형성할2x 수 있다고 믿는다.이러한 반응은 물을 포함한 광물의 침강과 지구 외핵의 철분 공급의 상호작용으로 가능할 것이다.과거 연구에서는 ULVZ에 부분 용융이 존재한다고 주장했지만, CMB 주변 지역의 용융 형성은 [27]여전히 논란이 되고 있습니다.

섭정

해양 판이 맨틀 상부로 내려오면서, 그 광물들은 수분을 잃는 경향이 있다.얼마나 많은 물이 손실되고 언제 손실되는지는 압력, 온도 및 광물학에 따라 달라집니다.물은 산화마그네슘(MgO), 이산화규소(SiO2), [28]물의 다양한 비율을 결합한 다양한 미네랄에 의해 운반된다.저압(5GPa 이하)에서는 안티고라이트, 서펜틴의 일종, 클리노클로어(둘 다 13 중량%의 물을 포함한다), 탈크(4.8 중량%) 및 용량이 낮은 기타 미네랄이 포함된다.적당한 압력(5~7GPa)에서 광물은 프롤고파이트(4.8 중량%), 10Ω상(탈크와 [29]물의 고압 생성물, 10~13 중량%), 로소나이트(11.5 중량%)를 포함한다.7 GPa 이상의 압력에서는 토파즈-OH(AlSiO24(OH),2 10 wt%), 상 계란(AlSiO3(OH), 11–18 wt%), 고밀도 함수 규산 마그네슘(DHMS) 또는 "알파벳" 상 집합이 있다(예: 상 A(12 wt%), d11 및 "알파벳" 상).

물의 운명은 슬래브가 하강할 때 이러한 위상이 끊김 없는 연속성을 유지할 수 있는지 여부에 따라 달라집니다.압력이 약 6기가파스칼(GPa)이고 온도가 약 600°C인 약 180km 깊이에서는 안정성 영역이 방금 만나는 "초크 포인트"가 있을 수 있습니다.뜨거운 슬래브는 모든 물을 잃게 되고 차가운 슬래브는 물을 DHMS [14]단계로 전달합니다.냉각 슬래브에서는 방출된 물의 일부가 얼음 [31][32]VII로서 안정적일 수도 있다.

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