1600 K和20 GP温压条件下的顽火辉石电导率

在温度750～1600 K和压力10～20 GPa条件下,借助于Kawai-5000多面顶砧高温高压设备,就位测量了(Mg_0.9Fe_0.1) SiO₃ 顽火辉石的电导率.实验结果显示,顽火辉石的电导率在高温区以小极化子机制为主,在低温区以质子导电为主,因为实验后的样品中有一定的水含量.另外,X射线衍射实验表明压力（20 GPa）诱发了顽火辉石向林伍德石的相变,这是我们首次在顽火辉石的电导率实验中观测到林伍德石含水相变,而且含水林伍德石的电导率与已有的实验结果相当一致.     

基于三重震相方法探测日本海俯冲区地幔转换带的速度结构

本文基于中国数字地震台网记录的发生于日本北海道地区的一次中源地震的三重震相资料研究了日本海俯冲区地幔转换带的速度结构．结果表明,该区域P波速度结构与S波速度结构的一致性整体上较强．冷的西太平洋俯冲板块导致410 km间断面出现了10 km的抬升,660 km间断面出现了25 km的下沉;410 km和660 km间断面之上均存在与俯冲板块相关的高速层;660 km间断面下方存在厚度为65 km的低速异常．纵横波波速比vP/vS值在210—400 km深度范围内偏低,约为1.827,体现出海洋板块低泊松比的特征;在560—685 km深度范围内,该值偏高,约为1.831,可能预示地幔转换带底部含有一定量的水．      

亚稳态橄榄石对俯冲带负浮力的影响及其动力学意义

利用有限元方法,计算了不同俯冲速度及热传导系数俯冲岩石层的负浮力.在h-lt;400km和h-gt;740km的深度范围,低温高密俯冲带的负浮力随深度单调增加.因为尖晶石相到后尖晶石相的相变有负的克兰帕龙斜率,俯冲带冷的物质在660km间断面以下不到100km的深度范围内仍以低密度的低压物质相存在.所以在该深度范围,俯冲带受到了周围地幔阻止其插入下地幔的浮力作用.在400km-lt;h-lt;660km深度范围,由于受橄榄石相变的影响,不同计算模型负浮力随深度的变化有明显的不同.对于可能的相变动力学模型,亚稳态橄榄石的存在使负浮力随深度的增加值减小.其作用是不利于俯冲带直接穿透660km间断面,并引起该深度范围俯冲带沿俯冲方向压应力分布的变化.     

俯冲带流变性质的研究

对不同俯冲速度下俯冲带的热结构和相结构进行了耦合计算, 并结合矿物流变的理论和实验结果给出了不同俯冲速度下俯冲带的流变结构. 浅部俯冲带上表层有1034 Pa·s以上的高粘度值, 而俯冲带下表层的粘度则较小, 但也大于1026 Pa·s; 在橄榄石-尖晶石动力学相变界面以下的深度, 俯冲带的粘度有明显的减小, 最低可达约1022 Pa·s; 在700 km附近尖晶石相-钙钛矿相变界面以上的小区域内有一个粘度明显高于周围区域的高粘度区, 其存在是因为尖晶石相-钙钛矿的相变是一个吸热过程; 尖晶石相占1%到99%的等值线之间的距离有从浅部的约1 km到最底部的约5 km的变化, 初步估计这是高粘度的俯冲带深部的一个低粘度区, 其存在将影响俯冲带的动力学性质.     

上地幔俯冲板块的动力学过程:数值模拟

大洋板块俯冲到地幔转换带,进而可形成不同的形态:板块可以停滞在660km不连续面,抑或穿过地幔转换带进入下地幔.这些不同的俯冲模式可进一步影响到海沟的运动.为更好地理解上地幔中俯冲板片的变形行为以及俯冲过程与海沟运动之间的关系,本文通过建立一系列高精度二维热-力学自由俯冲的数值模型,揭示了俯冲板块在上地幔中的变形方式及其与地幔转换带之间的相互作用过程.模拟结果显示,在俯冲板块与地幔转换带的相互作用过程中,其动力学过程可以分为以海沟后撤主导、海沟前进主导以及稳定型海沟等三种主要动力学类型.对于年龄较老,厚度较大的俯冲板块容易形成海沟后撤型俯冲,俯冲板块停滞在660km不连续面.相反,年龄较小,塑性强度较小的板块容易形成海沟前进型俯冲,俯冲板块穿越660km不连续面.     

日本海沟俯冲带热结构与深源地震

本文利用有限差分方法,计算了全地幔对流模式和双层地幔对流模式下日本海沟俯冲带热结构、浮力及P波速度异常分布,基于亚稳态橄榄石相变模型推测亚稳态橄榄石的存在范围,同时分析了热传导系数、热膨胀系数和热源对俯冲带热结构的影响,以及俯冲带所受浮力与俯冲带形态的关系.结果表明,双层地幔对流模式下模拟的P波速度异常分布与层析成像结果更为相符,也与深源地震的分布有较好的相关性.板块内部亚稳态橄榄石的存在范围随热传导系数和热膨胀系数的减小而增大,同时忽略相变潜热和剪切生热的影响也会造成模型所预测的亚稳态橄榄石范围偏大.俯冲带所受负浮力在400 km深度附近达到最大值,亚稳态橄榄石的存在使负浮力逐渐减小,甚至在板块内部产生正浮力,不利于俯冲带穿透660 km相变界面.     

俯冲带深部应力场的二维粘弹性有限元数值模拟

基于粘弹性平面应变有限元数值模拟方法，研究了俯冲带深部的应力场特征．当根据Karato等的研究结果给出俯冲板块的粘度结构时，橄榄石——尖晶石相变界面以下中心低粘区两侧出现应力集中区，而且其主压应力方向沿俯冲方向走向．其特征与已有的深源地震主压应力方向沿俯冲方向及深源地震有两个条带的地震观测结果相吻合．相变过渡区因矿物更小的颗粒粒度而导致的更小的等效粘度对俯冲带深部应力场的影响不大；存在和不存在亚稳态橄榄石楔的情况下，橄榄石——尖晶石相变过渡区附近都有最大剪应力的最大值出现，而其主压应力方向有垂直于橄榄石——尖晶石相变过渡区走向的趋势，尚与地震观测资料不符．      

华北克拉通东北部及邻区地壳和地幔转换带厚度研究

本文利用宽频流动台阵记录的远震波形资料和接收函数波动方程叠后偏移方法,获得了华北克拉通东北部边界及其邻近地区的地壳和地幔转换带的间断面结构图像.结果显示研究区域的地壳厚度存在显著的横向变化:以南北重力梯度带为界,西北部的兴蒙造山带地壳较厚(~40 km),东南部的燕山带、松辽盆地和辽东台隆地壳明显较薄(30~35 km).这有可能反映,研究区南北重力梯度带两侧地壳在中-新生代区域构造伸展过程中经历了不同程度的改造和减薄.地幔转换带成像结果显示,研究区410 km和660 km间断面结构存在横向差异.经度121°E-122°E之间,上地幔底部出现双重间断面,深度分别为660 km和690 km.经度122.5°E以东(北黄海地区),410 km间断面有5~20 km幅度的下沉,660 km间断面有5~15 km幅度的抬升;该地区地幔转换带厚度相对全球平均偏薄10~20 km,指示着该地区较热的上地幔底部温度环境.我们认为太平洋俯冲板块可能停滞在研究区119°E-122°E经度范围的地幔转换带中,但未延伸至118°E以西;而俯冲板块在124°E以东可能局部穿透了上地幔底部而进入下地幔,同时引起小尺度的地幔对流,导致北黄海地区下地幔物质的上涌.     

阿留申—阿拉斯加俯冲带及周边地区地幔过渡带结构研究

利用国家测震台网固定台站和“中国地震科学台阵探测”项目在南北地震带北段布设的宽频带流动台阵记录到的极远震事件,通过SS前驱波震相研究,获得了阿留申—阿拉斯加俯冲带东段及邻区下方410 km和660 km间断面的埋深和起伏形态特征.为增强对SS前驱波震相的识别,我们采用了时差校正和共反射点叠加分析.叠加结果显示,毗邻阿留申俯冲带的白令海、阿拉斯加半岛、以及阿拉斯加中南部和东部地区下方,410 km和660 km间断面的埋深基本呈正相关关系,因而具有正常的过渡带厚度.这表明在阿留申—阿拉斯加俯冲带东段,北太平洋板块还没有俯冲到地幔过渡带深度范围内.其次,在阿拉斯加西部地区下方,660 km间断面出现明显下沉,而上覆的410 km间断面埋深接近于全球平均值,从而导致过渡带明显加厚.据此,我们推测在阿拉斯加西部地区下方地幔过渡带底部可能存在库拉残留板块.     

华北东部复杂的660km相变界面

利用华北固定台网的宽频带地震远震记录波形资料,提取P波接收函数,通过偏移成像和共转换点叠加,得到华北地区东部地幔过渡带深度及厚度的图像.研究结果显示,地幔过渡带上界面(410km间断面)深度起伏变化不大;在华北地区东部,存在较厚的地幔过渡带,地幔过渡带下界面(660km间断面)在660km深度附近出现两个不同的界面.造成地幔过渡带增厚并出现两个深度不同的界面的原因可能是存在橄榄岩以外的地幔物质相变,该物质相变拥有与橄榄岩向钙钛矿转变不同的克拉伯龙斜率,太平洋俯冲板块的低温造成两种不同的相变界面发生不同程度的改变.双重660km间断面的范围存在向北西方向延伸的趋势并且向南至少延伸到30°N.本文的结果可为古西太平洋板块向华北俯冲前缘位置的研究提供约束.     

地幔矿物的氧同位素分馏

采用增量方法,计算了地幔矿物(特别是MgsiO_3和Mg_2SiO_4同质多相变体)的氧同位素分馏.结果表明,地幔矿物相之间存在如下~(18)O富集顺序:辉石(Mg,Fe,Ca)_2Si_2O_6>橄榄石(Mg,Fe)_2SiO_4>尖晶石型(Mg,Fe)_2SiO_4>铁铁矿型(Mg,Fe,Ca)SiO_3>钙钛矿型(Mg,Fe,Ca)SiO_3.如果地幔内部处于氧同位素完全平衡状态,由于地幔不同深度矿物相化学组成与晶体结构的差异,预计过渡带中尖晶石结构的硅酸盐矿物比下地幔钙钛矿结构的硅酸盐矿物相对富集~(18)O,但相对于上地幔中的橄榄石和辉石亏损~(18)O,从而出现地幔的氧同位素分层.如果假定全球范围同位素平衡,地球内部的化学结构可用下述~(18)O富集顺序来描述:上地壳>下地壳>上地幔>过渡带>下地幔>地核.     

高温高压下主要上地幔矿物的波速测量及地质意义

在0.2～5.0GPa和室温至1400℃温压范围内,测量了上地幔主要造岩矿物橄榄石、单斜辉石和斜方辉石在大洋地温梯度和大陆地温梯度下的纵波速度。测量结果表明,在较低压力下,矿物受到破裂、压实和重结晶作用的影响而导致其测得的波速值明显偏低,可以通过较高压力下的波速测量值外推获得低压下的波速值。在不同地温梯度下随着深度的增大,地幔矿物的波速逐渐增加,压力是影响波速变化的最主要因素,温度的升高不改变波速升高的总体趋势,但在较大的深度下温度对波速的影响明显加强。主要地幔矿物在一定深度范围内出现局部波速降低的现象,与矿物相变、软化及熔融作用有关。     

实验研究地幔岩成分中辉石—石榴子石相转变及其对地幔构造的影响

在压力4.0到17.5GPa、温度1200℃到1400℃范围,研究了模拟地幔岩成分中的辉石-石榴子石相转变。相转变大多出现在14～16GPa压力范围,单相铝亏损的石榴子石(镁铁榴石)在16GPa压力以上变得稳定。根据本实验和其他最近实验资料计算了地幔岩的矿物组合、密度、地震波速随深度的变化。所得到的密度和地震波速度剖面在550Km深度范围和根据地震观测所建立的模型相吻合。如果证实在550km到650km之间存在有一高密度、高速度梯度带确定,则可能表明镁铁榴石有新的相转变和或存在某种程度的化学不均匀性。     

亚稳态橄榄石相变与深源地震研究进展

由于岩石圈俯冲板块内部温度低, 在400km左右的深度橄榄石不发生相变, 低压相的橄榄石便以亚稳态的形式进入更深的深度。 高温高压实验研究表明, 亚稳态橄榄石相变机制以相变形成的超塑性透镜状尖晶石反裂纹破裂为深源地震的触发机制, 能很好的解释深源地震的特征。 亚稳态橄榄石在俯冲带中存在的范围,是制约亚稳态相变机制的重要因素。 然而亚稳态橄榄石在俯冲带存在的范围尚存争议, 不同模型给出结果相差较大, 文中给出一些解决这个问题的建议。     

大麻坪橄榄石冲击波实验研究与高压态物态方程参数的确定

利用冲击波进行的动高压实验对研究超高压下的物质性质也是十分有效的.本文报告了对大麻坪采集的橄榄石进行压力在10~45GPa范围的冲击波动高压实验结果.结合前人等温冷压实验结果,确定了实验过程的温度,对于冲击波实验压力从10GPa变化到30GPa时,温度在摄氏几十度到摄氏800多度之间.测量了岩石超高压下密度变化,在3.627~4.009g·cm~(-3)之间.通过回收实验和确定的温度,表明小于30GPa压力实验条件下,没有发生相变过程.同时也确定了状态方程的参数.最后,指出了实验结果在上地幔地球内部物质运动过程的含义,即冷板块中的亚临界橄榄岩可以存在地幔转换带中.     

利用接收函数研究中亚造山带中部地区的地幔转换带结构

中亚造山带新生代火山成因存在不同的观点和认识,地幔转换带间断面的结构能够为火山成因提供约束.文章采用不同的速度模型对远震P波的径向接收函数进行共转换点叠加,研究中亚造山带中部地区410km(D410)和660km(D660)间断面的结构,结果显示不同速度模型获得的地幔转换带形态基本一致.汉诺坝火山东侧地区D410明显变浅, D660微幅加深,造成这种现象的机制可能是,局部区域岩石圈拆沉并滞留在D410附近,引发软流圈物质上涌充填拆沉所留下的空间,进而诱发火山活动.达里甘嘎火山西侧D410和D660均明显加深,D660加深更为显著,导致地幔转换带的增厚. D660的加深可能有两种解释,或与中亚造山带碰撞增生岛弧拆沉后滞留在D660附近有关,或由太平洋板块俯冲穿过D660界面造成,进一步推测滞留于或俯冲至D660的物质诱发了热物质上涌或小尺度对流,造成了D410的加深.肯特山与中戈壁火山地区的地幔转换带虽然出现了小幅度的减薄,但其规模还不足以支持地幔转换带赋存高温异常体,基本上可以排除源于地幔转换带或下地幔热物质上涌的可能性.     

应用接收函数方法研究海南及其邻区地幔转换带结构

利用海南、广东及广西区域台网和国家台网共88个宽频带地震台站记录的2007年8月至2010年3月75个远震事件波形资料,采用接收函数共面元叠加的方法,得到了海南及其邻区上地幔410 km和660 km间断面结构和转换带厚度.结果表明,研究区410 km间断面形态较复杂,局部下沉到447 km,而660 km间断面相对简单,其深度分布在670 km左右.海南岛东北部存在一个直径约200 km的转换带异常薄的区域,其厚度较全球平均值薄25±5 km,相当于转换带中存在约180℃的高温异常,转换带厚度局部偏薄暗示海南地幔柱可能起源于下地幔.     

华北地区410km间断面和660km间断面结构——克拉通活化的地幔动力学状态探测

地幔过渡带间断面的形态能够提供地幔动力学状态的重要信息.本文利用密集流动台阵观测获得的地震波形记录,采用高分辨的地壳-上地幔速度结构成像结果作为接收函数共转换点叠加的速度模型,获得了华北克拉通地区地幔过渡带410km间断面和660km间断面深度的空间分布.结果揭示华北克拉通410km间断面和660km间断面结构的空间变化显著,存在多处间断面深度异常.地幔过渡带的结构特征以南北重力梯度带为界分为东西两部分;410km间断面变深（420～430km）的区域主要分布在华北克拉通东部,660km间断面变浅（642～655km）的区域出现在华北克拉通西北部;在华北克拉通东南部,660km间断面显著加深.本文分析认为,停滞在地幔过渡带的太平洋俯冲板块、厚度剧烈变化的克拉通岩石圈以及它们与周围地幔的相互作用,导致华北克拉通下存在活跃的地幔流动体系,造成过渡带间断面形态的高度不均匀.本文推测了两种可能的地幔过程：在克拉通根厚度显著变化的区域发生减压熔融,或者边界驱动的对流引起地幔物质沿着厚的克拉通根向上流动;或者是停滞在地幔过渡带的俯冲板块部分沉入下地幔,同时导致被排出的下地幔物质上升.     

相变对金星地幔对流影响的数值模拟

利用三维球壳模型通过数值模拟研究了相变对金星地幔对流的影响.模型假定地幔物质流变特性与温度和压力强相关,并包含橄榄石到尖晶石的放热相变和尖晶石到钙钛矿的吸热相变.通过对不同瑞利数、不同相变Clapeyron斜率和不同相变深度的模型的计算分析,发现:(1)吸热相变对相变面上下物质交换具有阻碍作用,增加相变Clapeyron斜率的绝对值,会减小相变面处的径向质量流和归一化径向质量流、并减少地幔热柱个数,即上下物质交换减弱、相变的阻碍作用加强、对流波长增加;(2)增大瑞利数Ra,也使对流波长增加或热柱个数减少,但对相变面上下物质交换的影响主要反映在对流强度与Ra的关系上,即Ra增加,对流强度增加,相变面处的径向质量流增大,上下物质交换量增大.而Ra增加,归一化径向质量流变化不大,即Ra对相变的阻碍作用的影响不大.这不同于二维模型中瑞利数的增加将很大程度上增加相变的阻碍作用的结论;(3)吸热相变面深度的少许增加会略微减少热柱个数,但对相变面上下物质交换的影响很小.虽然与已有研究一致,吸热相变能阻碍相变面上下物质交换,但这种阻碍作用在三维模型中并不会导致物质在界面上下大量堆积.上下物质交换量随时间变化不大,地幔对流结构相对稳定.这与二维模型中存在周期性的大量物质交换明显不同.这说明相变的作用将难以导致金星表面的大量岩浆作用,或者说相变难以导致金星灾难性的表面更新.     

利用前驱波研究地幔间断面的若干进展

地幔速度结构提供了地球内部热和化学状态及其构造演化历史的重要信息。对于地幔间断面的研究可以更清楚地了解地球内部温度分布特征和化学结构,并对确定地幔间断面成因及地幔对流模式等地球动力学问题具有重要的意义。地震学观测显示在410 km、660 km深度普遍存在速度间断面,并且在全球特定区域的上地幔(220 km、300～350 km、520 km、560 km)和下地幔(800～900 km、1 100～1 200 km、1 800 km、2 400 km)也有速度间断面的存在,不同区域地幔间断面的起伏可能受到温度、含水量、矿物相变及俯冲板块的影响。利用前驱波来研究地幔间断面具有独特优势,前驱波相比参考震相较早到达观测台站,从而避免其他震相的干扰,可以更准确地研究较弱的速度间断面。文章收集整理近些年来地震学家利用前驱波研究地幔间断面的成果,包括长周期反射震相SS或PP的前驱波、深震震相sP、pP的前驱波和地球表面反射震相PKPPKP(P′P′)的前驱波等,并对不同前驱波的特点及地幔间断面的相关研究成果进行总结。利用前驱波研究地幔间断面的方法已较为成熟,及时收集总结相关的研究成果对认识地球内...