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【前沿報道】Nature:CaSiO3鈣鈦礦的地震波速實驗測定及其對下地幔LLSVPs的啟示
2019-11-04 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  從全球一維地震學模型看地球的下地幔,絕大部分似乎是平淡無奇的區域。近年來,隨著地震觀測與反演技術的進步,人們逐漸到下地幔其實有著不同尋常的精彩。其中最吸引人的,是人們通過不同觀測均發現核幔邊界以上存在厚達上千公里的結構體,它們集中分布于非洲和太平洋以下,橫向分布可達數千公里,這些結構體有較為清晰的邊界,呈現與周圍地幔相比偏低的橫波波速(因而被稱為大型橫波低速帶,Large Low Shear Velocity Provinces,簡稱為LLSVPs),并且具有較高的橫波縱波波速比。顯然,研究LLSVPs的特征及成因對人們理解地幔對流機制具有十分重要的意義。 

  什么原因造成LLSVPs的橫波波速異常?其主因究竟是溫度異常還是由于物質成分異常,以及進一步地造成橫波波速異常的成分又來自于什么地方?人們對此有很多解讀,也存在很大爭議。近日,來自英國倫敦大學學院的Thomson等在Nature上發表了題為Seismic velocities of CaSiO3 perovskite can explain LLSVPs in Earth’s lower mantle的最新成果,為解釋LLSVPs提供了新的約束。 

  Thomson等的工作源于礦物學的傳統思路:利用熱力學模型計算礦物組合的波速,并將其與實際地震觀測數據相比較,從中推算出造成地震波速異常的礦物學成因。如圖1所示,用現有的下地幔礦物數據庫計算出的玄武巖波速(圖1中紅色虛線)始終明顯大于平均地幔(圖1中的地幔巖pyrolite模型)。他們注意到,該數據庫中默認CaSiO3鈣鈦礦(以下簡稱為CaPv)為立方晶體,并且參數主要來自于對第一原理模擬數據的擬合,但最近的高溫高壓實驗表明,立方結構CaPv的實際橫波波速也許要遠低于理論模擬結果(Gréaux et al., 2019;參見前沿報道《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 )。由于CaPv在俯沖帶玄武巖礦物組合中的占比可達20%以上(如圖1),因此現有熱力學模型顯然高估了洋殼深俯沖物質的橫波波速。 

1  利用熱力學模型計算出的玄武巖模型在地幔條件下的礦物組合與橫波波速(Stixrude and Lithgow-Bertelloni, 2012 

  Gréaux等的工作類似,Thomson等利用高溫高壓實驗方法原位測定了CaPv隨溫壓變化的結構相變及其波速,不同的是他們在樣品中還加入了少量Ti,并且特別注意了高溫下樣品的溫度梯度控制。如圖1所示,Thomson等發現他們在常溫常壓下測得的CaPv波速與Gréaux等的結果吻合得很好,但是在高溫下存在較大偏差,他們把這些偏差歸咎于Gréaux等的實驗在高溫下可能存在較大的溫度梯度(樣品實際溫度可能要低于熱電偶測量值約250-300)。與此同時,新的實驗發現Ti的加入將CaPv從四方相轉變到立方的溫度提高了近800 K,而高壓相變會帶來波速的較大異常變化(縱波減小4%-14%,橫波減小8%-20%,如圖3所示)。  

2  Thomson等測得的CaPv橫波波速與前人研究結果的對比。綠色粗實線為沿1500K地幔絕熱曲線的立方CaPv的橫波波速

3  CaPv樣品在高溫高壓條件下的波速變化    

  有了新的實驗數據,再精選前人的相關實驗數據,Thomson等重新擬合了立方和四方結構CaPv的熱力學狀態方程參數,然后重新計算了各種礦物學模型的波速。如圖4所示,沿著1500 K的地幔絕熱線MORB的波速要明顯低于平均地幔,考慮到MORB的密度要大于平均地幔,因此洋殼俯沖至下地幔堆積成為LLSVPs的合理解釋。這解決了前人熱力學模型預測MORB波速高于平均地幔的矛盾(如圖1所示)。Thomson等進一步提出,如果CaPv已經相轉變為立方結構,則100 GPa64% MORB+36%harzburgite模型或者125 GPa48% MORB+52%harzburgite模型可以較好地解釋LLSVPs的橫波異常以及橫波縱波波速比偏大等地震學特征。與此同時,聯系圖3所反映的CaPv相變帶來的波速異常,Thomson等提出1000公里附近的地幔中部的散射體和異常也許也和CaPv密切相關。 

 

4  MORB模型的波速與平均地幔波速的對比。圖中紅色為沿著1500 K地幔絕熱線的波速,而藍色為沿著1000 K俯沖帶絕熱線的波速    

  回到CaPv礦物本身,Thomson等的工作是不是就宣告了其彈性波速研究的勝利和終結呢?答案顯然是否定的:首先,正如Thomson等在其文中述及,他們的實驗溫壓區間還非常有限(大約12GPa300-1500 K),從如此有限的數據回歸熱力學模型推測整個地幔深處(與LLSVPs相關的溫壓可高達130GPa3000 K)顯然有很大的不確定性;其次,不同實驗之間有差別,Thomson等雖然做了分析和推斷,但評價數據的可靠性顯然還有待更多研究的交叉驗證;再有,什么原因造成第一原理模擬得到的波速要遠高于新的實驗結果?這仍然是困擾高溫高壓領域的熱點和難點,同時也是更加深入理解CaPv這類具有明顯非諧效應礦物的關鍵。     

  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.鏈接 

  Stixrude and Lithgow-Bertelloni. Geophysics of chemical heterogeneity in the mantle[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2012, 40: 569-595.鏈接 

  Thomson A R, et al. Seismic velocities of CaSiO3 perovskite can explain LLSVPs in Earth’s lower mantle[J]. Nature, 2019, 572(7771): 643-647.鏈接     

  (撰稿:張志明、張志剛/地星室)

 
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