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“地球內部是如何運行的”被列為第十個最具挑戰性的科學問題，位于地球科學領域之首位。這是因為人類目前對地球內部的了解還非常有限，固體地球的半徑達6400公里，而我們目前鉆探最深只能到達12公里深處。上天不易，入地更難，我們只能通過出露于地表的地質作用過程中形成的巖石，來推測地球內部的結構和組成。

 地幔捕虜體是深部巖漿如金伯利巖、火成碳酸巖、玄武巖等帶至地表來源于地幔的巖石包體，它們是研究深部地幔的天然窗口。巖漿起源深度不同，攜帶的地幔捕虜體的物質組成和提供的信息也不同。碳酸巖是地表賦碳的主要巖石之一，其巖漿起源深度一直存在爭論。實驗巖石學的研究證實碳酸巖巖漿最深能在地幔700公里處形成，而地球化學證據顯示碳酸巖是富CO₂硅酸巖巖漿在地殼深度發生液態不混溶的產物。有關深部地幔的信息主要是通過高溫高壓實驗和幔源金剛石內的超高壓礦物包裹體得到的，很難直接獲得來自軟流圏以下的地幔捕虜體，這極大地制約了我們對碳酸巖巖漿起源和深部碳循環的認識。

圖1 華北克拉通中北部的內蒙古豐鎮和河北懷安一帶的碳酸巖內

發現的含有超硅石榴石的榴輝巖捕虜體

圖2 高溫高壓實驗擬合的超硅石榴石的壓力大于13GPa

 北京大學地球與空間科學學院許成研究員與張立飛教授和費英偉教授合作，首次在我國華北克拉通中北部的內蒙古豐鎮和河北懷安一帶的碳酸巖內發現了榴輝巖捕虜體。榴輝巖主要由綠輝石和石榴石組成，石榴石內包裹磷灰石、金紅石、綠輝石、藍晶石、石英等礦物。更為重要的是，他們在榴輝巖的石榴石內發現了超硅石榴石（Pyr90-93Alm3-7Gro2-4）包體（圖1），其硅分子組成為3.15-3.22，X衍射和拉曼光譜均證實它為超硅石榴石，穆斯堡爾譜分析顯示該礦物具有高的Fe³⁺（Fe³⁺/全Fe～0.87），遠高于目前金剛石內發現的超硅石榴石（Fe3+/全Fe < 0.4）。他們通過高溫高壓實驗合成了相似化學組成的超硅石榴石，并標定壓力大于13GPa（圖2）。超硅石榴石是一種典型的超高壓礦物，主要分布于地幔200公里以下，其化學式為Mg₃(MgSi)(SiO₂)，由于其硅具有六次配位結構區別于一般石榴石，并且六配位硅的含量越高，形成的壓力越大。

 目前該類礦物僅在隕石和少量金剛石的包體內發現，且相對虧損三價鐵。富三價鐵超硅石榴石的發現揭示了地幔軟流圈底部或地幔過渡層存在富氧成分，與地表俯沖的沉積碳酸鹽密切相關，這也表明碳酸巖巖漿可能形成于地幔過渡帶。該項研究對于進一步探討地幔過渡帶的動力學演化和和碳酸巖漿的起源都具有重要意義。

 該項研究成果于2017年4月7日發表在Science子刊Science Advances期刊上（Xu et al.，Sci. Adv. 2017；3: e1601589）。許成研究員是文章的第一作者，許成研究員、張立飛教授和費英偉教授為共同通訊作者，捷克孟德爾大學的Jind?ich Kynicky、Miroslav Pohanka和宋文磊博士，美國卡內基研究所的陶仁彪博士以及地空學院的劉曦研究員參與了此項工作，該成果獲得了科技部“973”項目、國家自然科學基金委項目和美國卡內基研究所項目的資助。