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【前沿報道】Nature:立方結構CaSiO3鈣鈦礦的聲速原位測量及對下地幔頂部物質成分的啟示
2019-01-28 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  CaSiO3鈣鈦礦(以下簡稱CaPv)是地幔轉換帶(MTR410-660km)和下地幔(660-2900 km)中的重要礦物組分。前人的計算模擬與高溫高壓實驗均表明,CaPv在高壓下會隨溫度的升高而從四方結構轉變至立方結構,但對于該相變的溫壓邊界以及立方結構CaPv的彈性波速還存在很大爭議。從高溫高壓實驗角度,立方結構CaPv不能淬火至常溫常壓,因而常規分析手段不再適用,而在同時高溫高壓條件下原位測量礦物的熱彈性性質一直都是極具挑戰的研究。 

  近日,日本愛媛大學的Steeve Gréaux等人在Nature上發表了實驗原位測量CaPv聲速的最新成果:他們首次在21GPa1300K條件下原位合成了立方結構的CaPv樣品,并且通過超聲波干涉法和原位X射線衍射法測量了樣品的波速和密度。一般來說,由于溫度降低導致立方結構CaPv樣品體積縮小,聲波在樣品上下表面的雙向傳播時間會隨之縮短,但是Gréaux等人卻發現溫度降低到650K以下時,P波和S波的傳播時間都明顯延長了(圖1),他們將此現象認為作為降溫過程中CaPv從立方結構轉變為四方結構的有力判據。 

1 高溫高壓下P波和S波穿過CaPv樣品的傳播時間    

  Gréaux等人進而對立方結構的CaPv開展了一系列高溫聲速原位測量工作。他們通過三階有限應變狀態方程來擬合這些數據(圖2),得到了常壓下立方結構CaPv的體積模量(KS0)和剪切模量(G0),對比發現該KS0值與理論預測值一致,但是G0遠小于所有理論預測值(大約17%-26%)。雖然前人的一項計算研究中提出立方結構CaPv應當有更低的剪切模量(Kawai and Tsuchiya2015),但他們預測的G0值仍然要明顯高于本實驗結果(大約高估了17%)。 

2 四方結構(a)和立方結構CaPvb)的波速。圖中藍色實線表示四方結構CaPv的狀態方程,虛線表示立方結構CaPv狀態方程    

  Gréaux等人進一步地將他們的CaPv彈性數據和前人的實驗研究結合起來,沿著地溫曲線估算了各種地幔巖石模型的VPVS值(圖3)。他們認為510-600 km深度范圍內方輝橄欖巖的含量逐漸增加,并且地幔轉換帶下部(600-660 km)以純的方輝橄欖巖為主要成分,這能夠很好地解釋地幔巖(紅線)的波速與地震觀測模型(黑線)的偏差。而在下地幔頂部(660-770 km)區域,依據他們新的立方結構CaPv波速實驗數據,Gréaux等人發現MORB的波速要明顯低于地幔巖模型(圖3),因此如果在地幔巖中混入20-30vol%MORB,這可以大大降低該區域的波速并使之與地震觀測模型相符。

3 地幔轉換帶下部地幔巖、MORB和方輝橄欖巖成分的聲速與代表性地震模型的比較。彩色帶陰影實線顯示了地幔巖(紅色)、MORB(藍色)和方輝橄欖巖(黃色)的縱向(VP)和剪切(VS)波速,黑色實線和虛線分別代表一維全球地震模型PREMAK135    

  對于660-770 km區域地震觀測模型明顯低于地幔巖模型的解釋,前人還提出過其它推斷。例如,Schmandt等(2014)發現俯沖帶含水橄欖石相變脫水,可能引發660公里以下的部分熔融,從而減小該區域的地震波速。這些推斷也許并不矛盾,來自不同地區的樣品似乎佐證著不同的可能性。例如,近期在天然金剛石中發現的CaPv包裹體(Nestola et al., 2018)可能為Gréaux等的推斷提供了證據;而同樣在金剛石包裹體中,Pearson等(2014)人發現了高水含量的林伍德石,Tschauner等(2018)甚至發現了高壓水冰,這些發現則似乎為Schmandt等人的推斷提供了支持。     

  主要參考文獻 

  Gréaux S, Irifune T, Higo Y, et al. Sound velocity of CaSiO3 perovskite suggests the presence of basaltic crust in the Earth’s lower mantle[J]. Nature, 2019, 565:218-221.原文鏈接 

  Kawai K, Tsuchiya T. Small shear modulus of cubic CaSiO3 perovskite[J]. Geophysical Research Letters, 2015, 42(8):2718-2726.原文鏈接 

  Nestola F, Korolev N, Kopylova M, et al. CaSiO3 perovskite in diamond indicates the recycling of oceanic crust into the lower mantle[J]. Nature, 2018, 555(7695):237-241.原文鏈接 

  Pearson D, Brenker F, Nestola F, et al. Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond[J]. Nature, 2014, 507: 221-224.原文鏈接 

  Schmandt B, Jacobsen S, Becker T, et al. Dehydration melting at the top of the lower mantle[J]. Science, 2014, 344: 1265-1268.原文鏈接 

  Tschauner O, Huang S, Greenberg E, et al. Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth’s deep mantle[J]. Science, 2018, 359: 1136-1139.原文鏈接 

    

  (撰稿:張志明,張志剛/地星室)

 
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