地幔转换带底部橄榄石和辉石高压相 - 省略 - 660km地震不连续面结构的启示 - 吴耀 - 图文-

1、 吴耀等: 地幔转换带底部橄榄石和辉石高压相变实验研究 最为广泛的两种矿物 , 这两种矿物的高压相变行为 对解决地球深部诸多关键性科学问题具有重要意义 . 尽管前人已经对橄榄石和辉石高压相变进行了很多 高温高压实验和理论计算研究 , 确定其相变温 - 压条 件 . 前人的成果主要是分别对这两种矿物开展高温 高压实验研究 , 然而不同研究者所使用压标的不同 以及不同实验室压力标定的误差等问题导致对橄榄 石和辉石在地幔转换带中高压相变压力的差异仍缺 乏详细的对比研究 , 这种由压力标定导致的误差在 多面砧压机淬火实验中显得尤为明显. 实践证明, 一 次实验中同时进行多种矿物或体系实验的多样囊技 术

2、 (Multi-capsule 能够有效减少误差 , 可以在相同的 温度和压力条件下对比不同矿物或体系相变差异(Fei 和 Bertka, 1999; Ishii 等, 2011; 吴耀等, 2012. 长期以来 , 如何通过淬火实验来确定多面砧压 机压力标定误差是高温高压实验技术上一个难点 , 在很大程度上降低了不同高温高压实验室结果的可 比性. 目前, 已有大量的原位同步辐射实验对镁橄榄 石 - 瓦兹利石 - 林伍德石相变序列和超硅石榴石 - 秋本 石 - 钙钛矿的相变压力进行了精确测定 , 但如何通过 淬火实验确定多面砧压机压力标定误差在技术上是 难点 . 使用多样囊技术 (Multi-

3、capsule, 同时对橄榄 石和辉石开展高温高压淬火实验将能够进一步缩小 压力标定误差. 本次研究中我们使用多样囊技术同时开展了橄 榄石和辉石高温高压相变实验, 压力为 21.3 GPa 时, Pt 样品套中橄榄石端出现瓦兹利石 (图 6(a, 而在辉 石端则出现秋本石 ( 图 6(b. 已有原位实验研究表 明橄榄石体系中瓦兹利石和辉石体系秋本石仅能在 ±0.2 GPa 共存(Hirose 等, 2001b, 将我们的结果与前 人辉石体系中超硅石榴石 -秋本石相变压力进行对比 可知 , 本次研究获得的标定曲线在标定点附近压力 误差为±0.2 GPa. 事实上, 在压力为

4、23.8 GPa 时, Pt 样 品套橄榄石部分出现林伍德石、钙钛矿、方镁矿三相 共生, 考虑到 8/3 样品套温度梯度分布情况(在 0.8 mm 长恒温区内温度误差为 ±30, 标定点的误差同样 小于±0.2 GPa. 3.2 地幔转换带底部橄榄石后尖晶石相变和辉石 高压相变对比 图6 使用多样囊技术确定多面砧压机淬火实验压力标定 误差 R0084, 21.3 GPa, 1600. 矿物代号见表 1. 在实验中, 橄榄石转变 为瓦兹利石, 而辉石则相变为秋本石, 表明在该点压力标定误差为 ±0.2 GPa. 右图中亮点为 Pt 橄榄石和辉石是地幔岩石学模型 py

5、rolite 中主要 的两种组成矿物 , pyrolite 中橄榄石含量大约为 60 vol%, 另外还有大约 16 vol%的石榴石和 24 vol%的 辉石 (Ringwood, 1962. 进入地幔转换带内部 , 橄榄 石和辉石将分别发生一系列高压相变 . 沿正常的地 幔地温曲线, Mg2SiO4 橄榄石依次相变为瓦兹利石(转 换带上边界 和林伍德石 , 最后在大约 23.5 GPa(660 km林伍德石分解成钙钛矿和铁方镁矿, 这一分解反 应则标志着下地幔的开始(Ringwood 和 Major, 1970; Agee, 1998; Akaogi, 2007; Yu 等, 2008.

6、与橄榄石体 系不同 , MgSiO3 辉石高压相变受成分温度控制变得 更为复杂 , 在地幔转换带中辉石可能出现的高压相 则包括高压单斜顽辉石(High-pressure clinoenstatite、 超硅石榴石 (Majorite 、秋本石和钙钛矿 (Akaogi 等 , 1987; Sawamoto, 1987; Gasparik, 1989; Hirose 等 , 2001b. 在本次研究压力范围内(21.324.4 GPa, 橄榄石 和辉石体系相变具有明显不同. 瓦兹利石在 21.3 GPa 实验中依然稳定存在, 这一压力与含 Fe 橄榄石体系 具有较大差异, 也与 520 km 地震

7、波不连续面位置不 符, 反映成分差异(主要是 Mg#对橄榄石高压相瓦兹 利石 - 林伍德石相变有很大影响 . 实验结果与最近研 究一致, 已在另文中进行了详细研究(吴耀等, 2012, 这里不再进一步讨论. 在地幔转换带底部 , 橄榄石和辉石体系相变最 大的差别在于钙钛矿出现的压力不同 . 在橄榄石体 系, 后尖晶石相分解发生在 23.8 GPa, 与 660 km 不 连续面具有很好的对应关系(Ishii 等, 2011. 而在辉石 体系, 钙钛矿出现的压力小于 23 GPa, 在 23.5 GPa 实 验中辉石已完全转变为钙钛矿. 因此 , 橄榄石后尖晶 石相变与辉石体系钙钛矿的出现之间有

8、约 1 GPa 压 1948 中国科学: 地球科学 2013 年 第 43 卷 第 12 期 力差异(图 7(a, 这种差别对于合理解释地幔转换带 底部结构, 660 km 不连续面形态以及俯冲大洋板块 (方辉橄榄岩中含有 18%左右顽辉石在上、下地幔边 界的性质具有重要意义. 3.3 辉石高压相变与 660 km 地震不连续面形态和 分裂的关系 如上所述, 详细比较 Mg2SiO4 橄榄石和 MgSiO3 辉石在转换带底部高压相变行为的差异 , 将为了解 660 km 不连续面结构提供重要启示. 通常认为地幔 转换带上边界 410 km 不连续面是由橄榄石向高压相 瓦兹利石转变引起的; 在转

9、换带内部大约 520 km 处, 瓦兹利石向林伍德石相变 ; 林伍德石发生分解生成 钙钛矿和方镁矿(后尖晶石相变则直接导致 660 km 不连续面. 地球物理研究结果显示, 地幔转换带中不 仅存在 520 km 不连续面分裂现象, 还在美国南加州、 加拿大、格陵兰、北极地区、汤加、马里亚纳群岛、 南美和中国东北等地观测到 660 km 不连续面发生分 裂(Simmons 和 Gurrola, 2000; Gilbert 等, 2003; Ai 和 Zheng, 2003b; van der Meijda, 2005; Deuss 等, 2006; Tibi 等, 2007; Andrews 和

10、 Deuss, 2008; Saikia 等, 2008. 研究表明 660 km 不连续面分裂现象一般都发 生在相对低温的俯冲带或受俯冲带影响的地区 , 而 在温度相对高的地区 (如地幔柱上涌影响的区域 则 只观测到一个不连续面. 在 660 km 不连续面附近除橄榄石后尖晶石相变 外 , 辉石体系还存在秋本石 / 超硅石榴子石向钙钛矿 的相变 . 在温度较高条件下 (>1800 , 橄榄石后尖 晶石相变压力比超硅石榴子石 - 钙钛矿相变压力低 , 这两个相变可以导致 660700 km 附近形成双不连续 面. Ai 等(2003a, 2003b将中国东北和东部地区观察 到的 660

11、km 之上的不连续面分裂现象解释为超硅石 榴石-钙钛矿的相变, 而 660 km 之下的分裂现象解释 为秋本石 -钙钛矿的相变 . 然而 , 超硅石榴石 -钙钛矿 相变压力受辉石成分控制: 当 Al 含量增加时会使超 硅石榴石具有更大的稳定域 , 从而导致超硅石榴石 钙钛矿相变压力增加 (Irifune 等 , 1996; Hirose 等 , 2001b. 而 Al 则优先进入钙钛矿中, 所以当橄榄石发 生尖晶石相变首先形成钙钛矿后 , 部分超硅石榴石 中的 Al 将进入到钙钛矿中, 进而降低石榴子石稳定 性 , 导致超硅石榴石 - 钙钛矿相变压力降低 , 最终橄 榄石后尖晶石相变和辉石体系

12、超硅石榴石 -钙钛矿相 变有形成一个具有一定厚度的过渡带 (Discontinuity zone, 而不是两个不连续面的趋势. 因此, 超硅石榴 石-钙钛矿相变只能用于解释高地温地区 660700 km 形成具有一定厚度的不连续面过渡带 . 但不能解释 低地温地区 600670 km 不连续面的分裂现象. 此外, Fe 和 H2O 对辉石体系高压相变的影响, 以及这些影 响与 660 km 不连续面的形貌和分裂现象目前尚有待 进一步的研究. 图 7 地幔转换带 600700 km 范围内橄榄石、辉石高压相变(a及其与地震不连续面的关系(b 据 Ai 等(2003a. 矿物代号: ol-橄榄石,

13、 wd-瓦兹利石, rd-林伍德石(尖晶石, mw-镁方铁矿, mj-超硅石榴石, grt-石榴石, il-秋本石(钛铁矿. 随 着压力升高橄榄石中出现的高压相依次为瓦兹利石、 林伍德石以及后尖晶石相变分解产物钙钛矿+方镁石; 而辉石中则出现秋本石和钙钛矿. 虚 线所示的超硅石榴石(Mj相变为钙钛矿压力据 Hirose 等(2001b. 图中还标出了 PREM 模型中 660 km 不连续面位置(Dziewonski 和 Anderson, 1981作为对比 1949 吴耀等: 地幔转换带底部橄榄石和辉石高压相变实验研究 本次研究结果表明 , 在受大洋俯冲带影响的温 度较低的地区, 体系中 A

14、l 含量较低, 橄榄石后尖晶 石相变仍然是 660 km 深度附近主要的相变反应, 辉 石在 610640 km 深度之间将发生秋本石-钙钛矿相 变, 从而导致 660 km 不连续面向浅部的分裂现象(图 7(b. 4 结论和进一步研究方向  通过对橄榄石和辉石在 660 km 地震不连续面附 近温压条件下(21.324.4 GPa, 1600相变实验研究 获得了两者在转换带底部发生高压相变的最大差异 在于橄榄石中钙钛矿出现的压力比辉石高约 1 GPa. 致谢 研究结果表明 , 在受俯冲带影响地区 ( 如中国东部 , 辉石发生的秋本石 ( 钛铁矿 - 钙钛矿的相变而非石榴 石-秋本石

15、的相变能够合理解释转换带底部 660 km 地 震不连续面向上的起伏或分裂. 在地幔岩石体系中, 辉石还含有一定量的 Fe 和 Al 等, 这些元素对辉石高压相变的影响, 尤其是 Fe 含量可能改变辉石相变过程中秋本石和超硅石榴石 的稳定性 , 从而使整个橄榄石 - 辉石体系的相变更为 复杂, 必然会对 660 km 地震不连续面的位置和形貌 产生影响. 因此, 进一步开展不同 Fe 含量顽火辉石 的高温高压相变实验研究 , 并结合已有地球物理探 测成果, 对探讨上地幔复杂结构形成的物理机理、影 响因素及其深部动力学机制具有重要意义. 中国地质大学何谋春教授在拉曼光谱分析中给予指导, 徐海军副

16、教授在扫描电镜分析中提供帮助, 审稿专家 提出宝贵意见. 在成文过程中与王超副教授和周春银博士进行了有益的讨论, 在此一并表示感谢. 参考文献 陈鸣 . 2009. 冲击变质陨石橄榄石晶内高压多形转变特征与条件 . 矿物学报 , 29: 16 王雁宾 . 2006. 地球内部物质物性的原位高温高压研究 : 大体积压机与同步辐射源的结合. 地学前缘, 13: 136 吴耀 , 王雁宾 , 张艳飞 , 等 . 2012. 地幔转换带橄榄石高压相变实验研究 . 科学通报 , 57: 542549 Agee C B. 1998. Phase transformations and seismic st

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