矿物高温高压下弹性的第一性原理计算研究进展

矿物在高温高压下的弹性特性是我们将地球内部波速信息转换为地球内部成分、温度时所不可缺的最基本数据,是我们理解地球内部水的分布、地球动力学特性等的基础.最近十多年来,弹性特性的研究取得了长足的进展.第一性原理计算方法无需引进任何经验参数,所得的结果跟实验可以比拟,可以提供认识地球内部所需的高温高压弹性系统可靠数据,在矿物高温高压下弹性研究中扮演了越来越重要的角色.这一方面得益于计算能力的提高,同时也由于计算方法的进步,如最近发展的新方法所需的计算量不到常规方法的十分之一,且保持计算精度,新方法缓解了常规方法惊人计算量对矿物弹性研究的制约,加速了我们对地球内部主要矿物弹性特性的获取,有力地深化了我们对地球内部成分动力学特性的认识.目前我们对下地幔的主要矿物的弹性特性已经有比较好的认识,包括温度、压强、铁含量对弹性的影响,以及铁的自旋转变下铁方镁石体模量的反常降低,利用这些数据限定下地幔铁方镁石最可能的含量为10~15%.其自旋转变效应足以在层析成像中产生清晰的信号,例如在~1700km处纵波的温度敏感性不到~2300km深处的几分之一,全球P波图像及夏威夷、冰岛等热点下面的地幔柱P波图像在相应深度的"中断"都可能与铁方镁石自旋转变有关.地球动力学模拟也发现铁的自旋转变对太平洋和非洲下面大低波速块体的两大结构特点(包括清晰的边界以及从核幔边界一直稳定到边界以上近千千米)的形成扮演关键的角色,从不同的角度表明下地幔铁发生了自旋转变.计算也研究了大部分上地幔和地幔过渡带的矿物弹性特性包括水含量对地幔过渡带矿物弹性的影响,以及俯冲带含水矿物及其他不含水的主要矿物的弹性特性,以帮助弄清俯冲带的含水及水的运移状况,水在地球内部的分布等.但目前水对矿物弹性影响的计算工作基本上还没考虑温度的影响,俯冲带的温度比周围地幔低,温度的效应是不容忽视的问题,应该是将来进一步研究的重要方向.铁及其合金在高温高压下的弹性也被计算大量的研究,这些研究为更好地确定地核轻元素的种类及其含量提供基础数据,但现有的弹性数据还远未能满足我们认识地球内部结构对弹性数据的需求,我们还有大量的工作需要展开.     

上地幔矿物和岩石电导率的实验研究

高温高压电导率实验研究是透视地球内部结构与物质组成的一个重要窗口.百年来进行了大量地幔矿物电导率的研究,但对地幔岩石的研究却不足;进行了压力对地幔矿物电导率影响的研究,但获得的激活体积值却有正有负;进行了含水橄榄石电导率的测量,但仍存在干湿软流圈地幔之争;进行了部分熔融岩石电导率的研究,但对异常高导成因的解释却仍没有定论.因为该研究对人们认识地幔的物质组成和矿物相变,地幔的电性结构和热结构,以及洋壳俯冲和高导异常成因等地幔动力学问题有重大意义,因此,还需继续研究地幔岩石、矿物的电导率与温度、压力、氧逸度和组分等之间的关系,再结合地球物理的探测结果,构建合理的电导率-深度剖面图.     

上地幔高导物质的连通性和电导率的实验研究进展

矿物/岩石的电学性质是认识地球内部物质与结构的重要依据.高导物质(熔体、流体、石墨、磁铁矿等)能否显著影响上地幔的电性结构,取决于这些物质在上地幔中的连通性、电学性质和体积分数.近年来的研究表明,挥发分(水、二氧化碳)能够有效的降低橄榄岩的固相线,并提高玄武岩熔体的电导率.因此我们可以尝试用少量的熔体去解释上地幔某些区域的高导异常.但目前在高温高压下对这些熔体连通性的研究仍不足,我们并不清楚少量熔体在三维条件下是以何种形式连通的?俯冲带中的水主要储存在孔隙和含水矿物中.地慢矿物的蚀变,含水矿物脱水的过程中将产生含高浓度电解质的流体.二面角的观测证明了在高温高压下流体能在橄榄石间保持连通,因此我们可以认为这些高导流体对俯冲带的电性结构有很大程度的影响.石墨在橄榄岩体系中具有很高的二面角,不大可能以连通薄膜的形式在上地慢广泛存在,但石墨能否以网状形式连通?与机械的将蛇纹石和磁铁矿混合实验相比,绿泥石脱水产生的磁铁矿展示了更好的连通性.这意味着今后研究固相高导物质的连通性时不能忽略矿物在自然条件下的结构特征.     

高温高压下地幔矿物岩石电导率影响因素研究进展

实验室高温高压条件下获得的地幔矿物岩石电导率值可以帮助获得地球内部物质组成、物质运动变化状态和解释地球物理探测资料.研究表明,电导率测量影响因素(外部因素和内部因素)控制不当将使得测量的电导率值产生较大差异.本文综述了近20年来这些影响因素对地幔矿物岩石电导率的影响程度及进展情况,电导率随着温度,铁含量和水含量的增加而增加;不含水条件下,电导率随着氧逸度和压力的增加分别增加和减小,含水条件下则恰恰相反;忽略颗粒边界的影响;测量频率和结晶方向对电导率的影响尚存在一定争议;进行电导率测量时有必要考虑系统平衡时间和样品中铁含量的流失.最后探讨了高温高压条件下电导率实验研究的不足和发展方向.     

高温高压下矿物岩石电导率的实验研究进展

高温高压下矿物、岩石电性性质的实验研究是了解地球内部物质成分、演化过程及进行地球物理探测资料解释的有力工具.本文主要介绍了高温高压下电导率实验在如何保持良好绝缘性能,如何消除或减小极化效应及如何减小外界电信号对测量信号的干扰等方面的技术、方法,阐述了温度、压力、氧逸度、水含量以及熔体等因素对矿物、岩石电导率的影响以及一些主要的研究结果和进展情况,讨论了电性研究的地球物理和地质意义,并指出了尚需研究的不足之处.     

高温高压下斜长角闪岩电导率研究及其地球物理启示

中下地壳和俯冲带区域的高电导率异常(0.01～1 S·m~(-1))可能与地球内部的特定物质及其变化有关.斜长角闪岩是中下地壳以及俯冲带区域的重要组成之一,高温高压下斜长角闪岩的电导率研究对认识电导率异常具有重要意义.本研究采用交流阻抗谱法,在0.5, 1.0, 1.5 GPa和473～1073 K条件下测量了天然斜长角闪岩样品的复阻抗,实验结果表明压力对斜长角闪岩的电导率影响非常小,而温度对于电导率影响非常显著,其电导率在1073 K可以达到10~(-0.5) S·m~(-1);实验获得的活化能值为52.21 kJ·mol~(-1),推断其导电机制可能为小极化子传导(Fe~(2+)的氧化)主导.结合本实验获得的结果与大陆岩石圈和俯冲带的温度结构,我们计算得到相应的电性结构剖面,并与三种不同构造背景下的大陆岩石圈(克拉通、大陆裂谷和活动造山带)和俯冲带区域的电磁剖面结构进行了对比研究,结果发现斜长角闪岩可以解释大陆裂谷和活动造山带构造背景下的莫霍面附近的高电导率异常现象,同时可能是导致较热的俯冲带区域(例如卡斯卡迪地区)高电导率异常现象的原因.     

俯冲带主要含水矿物弹性波性质研究现状及展望

俯冲带中的含水矿物对物质循环和水迁移等有着极其重要的作用,同时也是俯冲带中的地震波速异常的主要原因．本文总结了近20年来,国内外对俯冲带三种主要含水硅酸盐矿物（蛇纹石、绿泥石和角闪石）弹性波速研究取得的重要成果：含水矿物普遍具有低波速、高各向异性的特点;压力增加波速增加,但波速各向异性降低．富含水矿物的岩石,波速各向异性随着含水矿物含量的增加而增大,同时受到含水矿物晶格择优取向（LPO）类型以及岩体中裂隙的影响．含水矿物LPO引起的地震波速各向异性特征与俯冲的角度有关,在低角度的俯冲带中会引起垂直于海沟方向的快速传播,而在高角度的俯冲带中引起平行于海沟方向的快速传播．文章最后针对目前俯冲带中含水矿物弹性波速研究中存在的问题,提出了未来需要在三个方面加强研究．     

含水硅酸盐熔体和富水流体电导率实验研究及其意义

大地电磁测深与电导率测量相结合已经成为探索地球内部状态的有效手段.含水硅酸盐熔体和富水流体的电导率显著高于硅酸盐矿物,而且对成分和温压条件十分敏感,可以用于认识深部的部分熔融和流体活动.本文系统总结了含水硅酸盐熔体和富水流体电导率的实验研究现状,并介绍了相关研究结果的若干重要应用.硅酸盐熔体电导率随温度上升而增大,随压强升高而减小.在Na~+含量相当的前提下,钙碱性系列熔体电导率从玄武质到流纹质呈上升趋势,其活化焓呈下降趋势.水的加入令熔体电导率显著增大,其主要原因在于增强了阳离子的活动性.流体电导率研究主要集中在稀电解质溶液.溶液电导率随温度上升先增大后减小,随压强升高一般先增大,超过一定压强后基本保持不变.从电导率数据可以得到电解质的电离常数.为建立广泛适用的熔/流体电导率随温度、压强和成分变化的定量模型,还需要在实验方法创新的基础上,对更多具有代表性的体系开展大范围温压条件下的电导率实验研究.     

电导岩石学:原理、方法和进展

电导岩石学是国际地学界近年来新发展起来的一门交叉性和综合性很强的学科,主要是通过高温高压实验,在有效控制温度、压强、成分和氧逸度等参数的条件下,对硅酸盐矿物的电导率进行测定,并把有关结果和地球物理学电磁探测的结果相比较,从而为正确认识地球深部的组成、结构、性质和动力学过程提供制约.根据近年来的文献报道,本文综合评述了电导岩石学研究工作的主要原理和方法,并就下地壳、上地幔、地幔过渡带、下地幔和核幔边界一些主要组成矿物电导率的实验测定进展及其对深部地球电导结构的制约进行了介绍.     

高温高压下斜长角闪岩电导率研究及其地球物理启示

中下地壳和俯冲带区域的高电导率异常（0.01~1 S·m^-1）可能与地球内部的特定物质及其变化有关.斜长角闪岩是中下地壳以及俯冲带区域的重要组成之一,高温高压下斜长角闪岩的电导率研究对认识电导率异常具有重要意义.本研究采用交流阻抗谱法,在0.5,1.0,1.5 GPa和473~1073 K条件下测量了天然斜长角闪岩样品的复阻抗,实验结果表明压力对斜长角闪岩的电导率影响非常小,而温度对于电导率影响非常显著,其电导率在1073 K可以达到10^-0.5 S·m^-1;实验获得的活化能值为52.21 kJ·mol^-1,推断其导电机制可能为小极化子传导（Fe²⁺的氧化）主导.结合本实验获得的结果与大陆岩石圈和俯冲带的温度结构,我们计算得到相应的电性结构剖面,并与三种不同构造背景下的大陆岩石圈（克拉通、大陆裂谷和活动造山带）和俯冲带区域的电磁剖面结构进行了对比研究,结果发现斜长角闪岩可以解释大陆裂谷和活动造山带构造背景下的莫霍面附近的高电导率异常现象,同时可能是导致较热的俯冲带区域（例如卡斯卡迪地区）高电导率异常现象的原因.     

水对地幔矿物弹性性质的影响及其地球物理意义

构成地幔的大部分名义上无水矿物,包括橄榄石及其同质异象体、辉石以及石榴石等,均可以羟基形式赋存一定量的水.水在地幔不同深度的出现不仅对一系列物理性质(包括密度、波速、熔融温度、电导率和流变强度等)有重要影响,并且对地幔的动力学行为、横向结构和成分的不均一性以及地球深部的演化过程具有重要意义.近年来,地震学研究在地幔不同深度和不同区域均发现低速带的存在,而观测到的地幔速度异常很可能与地幔中的水密切相关.高温高压矿物学利用实验和理论计算,对水是如何影响地幔主要构成矿物的弹性模量和波速进行了深入研究,并取得了大量进展.这些研究对正确理解地幔速度异常的形成机制,查明地幔中水的分布,探寻水在地球内部的迁移形式至关重要.本文针对近年来高温高压矿物学在地幔含水矿物弹性模量的研究成果进行了综述,介绍了该研究方向的进展和不足,并对未来的研究方向进行了阐述.     

地幔矿物电导率研究进展

研究地幔矿物的电导率可以揭示地球内部电导率的分布规律以及地球介质的极化机制。通过对近年来国际上地幔矿物电导率的研究结果进行分析和总结,介绍了矿物的各种影响因素与电导率的关系;对含水和不含水的地幔矿物导电机制进行了区别,不含水矿物的导电机制主要为小极化子,含水矿物的导电机制为自由质子。比较了各种典型的地幔矿物电导率结果并对电导率模型进行了评述和总结,对电导率的研究方向进行了展望。认为水在地幔矿物电导率和电导率剖面中起着重要作用     

大洋俯冲带变质作用、流体行为与岩浆作用

依据有效的实验岩石学和相平衡模拟结果、结合俯冲带热结构模型,讨论了大洋地壳中的基性岩、沉积岩和超基性岩在不同俯冲阶段发生的脱水和熔融作用,及其对俯冲带岩浆作用的影响.大多数洋壳在弧前(90～100km)俯冲阶段基性岩和超基性岩脱水很少,明显脱水作用发生在表层沉积物中.在弧下俯冲阶段基性岩和超基性岩都发生强烈脱水,如基性岩中90%以上的水是由绿泥石、蓝闪石、滑石和硬柱石相继在弧下100～200km深度分解释放的,这与以往基于实验模拟得到的结果大不相同;超基性岩在弧下120～220km深度发生叶蛇纹石、绿泥石和10?相脱水;但变质沉积岩在弧下深度对流体贡献不大,其主要含水矿物为多硅白云母,可以一直稳定至300km深处分解成钾锰钡矿,多硅白云母分解后直到地幔过渡带深度俯冲洋壳板片不再有明显流体释放.在少数热俯冲带中,变质沉积岩和基性岩都可以发生部分熔融(尤其是水化熔融)形成富水花岗质熔体或超临界流体,含碳酸盐矿物的沉积物可以熔融形成含钾碳酸岩熔体.在少数冷俯冲带中,超基性岩中出现A相,可把水带至地幔过渡带深处.俯冲板片特别是沉积物可以携带很多强不相容的次要元素和微量元素,通过板片流体影响俯冲带岩浆岩的地球化学成分.在弧下俯冲阶段,俯冲带的地热梯度不穿过碳酸盐化榴辉岩和橄榄岩的固相线,其中的碳酸盐矿物可被携带到深部地幔.碳酸盐化榴辉岩会在400km深度发生熔融形成富碱的碳酸岩熔体,而碳酸盐化橄榄岩则不会在俯冲带下部的地幔过渡带中发生熔融.     

地壳岩石矿物电导率实验研究进展

矿物和岩石电导率的实验研究一直都是国内外专家学者所关注的重点内容,目前电导率的实验测量主要采用交流阻抗谱的方法.从实验结果来看,地壳矿物和岩石电导率的影响因素主要分为外部环境和内部性质两部分,包括矿物和岩石所受到的温度和压力大小、内部赋存的流体和熔体、岩石颗粒边缘的碳膜、岩石的颗粒大小和面理方向以及矿物晶格赋存的结构水与晶格方向等.结合地球物理探测结果,前人对下地壳高导层成因提出了各自不同的看法,同时电导率的实验数据对于解释地下岩层结构、动力学特征也带来了一定的帮助.通过总结可以发现对于断层带的电导率性质目前仍然知之甚少,在今后的实验研究中则需要重点关注.     

俯冲带及转换带中含水硅酸盐矿物的晶体结构和状态方程

地幔深部的矿物具有显著的含水能力,含水量从几十到几万ppm(part per million)不等.由于地幔体积巨大,地球深部的水可能远大于地表水的总量.研究水在地幔矿物岩石晶体中的赋存机制及其影响是目前矿物学和地球物理学界的研究热点之一.一方面,俯冲板块向下运动,其中的蛇纹石在高温下分解,产生一系列的高含水硅酸盐矿物(如相A、粒硅镁石和斜硅镁石),这些矿物是潜在的"搬运工",将水进一步带入地幔深部,乃至转换带中;另一方面,橄榄石在转换带中的高压相(瓦兹利石和林伍德石)具有较高的储水能力,使得转换带成为了地球深部最重要的储水层,并且水也对地幔转换带的物理化学性质产生了显著影响.本文主要讨论以下两方面内容:(1)含水的硅酸盐矿物晶体结构,为微观上认识地球深部水的赋存机制和循环过程提供实验依据;(2)水对硅酸盐矿物热力学状态方程的影响,为约束地球动力学过程以及水的影响提供重要参数.     

俯冲带中的水迁移

水从俯冲地壳迁移到地幔主要受地壳中含水矿物的稳定性支配,而俯冲带的热结构是决定俯冲地壳在哪个深度发生脱水的关键.大洋俯冲带的地温梯度变化很大,既有冷俯冲带也有热俯冲带,但是地震活动和弧火山作用在冷俯冲带相对突出.大陆俯冲带的地温梯度较低,地壳岩石总是在冷俯冲带发生变质作用,但是缺乏同俯冲弧火山作用.超冷俯冲带地温梯度很低(?5℃/km),俯冲地壳中的硬柱石可以把水带到?300km的深度.热俯冲带地温梯度很高(25℃/km),俯冲地壳在浅部就大量脱水,在80km的深度会产生长英质熔体.由于水大量溶解在这种熔体中,结果只有少量的水会运移到80~160km的弧下深度.在这两种脱水方式之外还存在大量介于两者之间的方式,使得俯冲带表现出多种水迁移现象.在暖俯冲带,低温/低压含水矿物在俯冲到60~80km的弧前深度时就发生分解,释放出大量的水.在冷俯冲带,低温/低压含水矿物随俯冲深度增加转变成低温/高压含水矿物,允许大量的水被迁移到弧下深度.无论在何种情况下,俯冲地壳的脱水不仅启动了地震活动,而且引起了地幔楔的水化.不过,总有少量水被超高压含水矿物和名义上无水矿物带至更深部地幔.俯冲板片之上的地幔楔并没有因为水的加入而立即发生部分熔融引起弧火山作用,而是首先在板片-地幔界面上发生水化.由于这里温度最低,比水化橄榄岩的湿固相线要低几百度,结果直到水化橄榄岩受到加热之后才能发生部分熔融.因此,弧火山作用一般发生在地幔楔被流体交代之后的某个时间.     

俯冲带地球深部碳循环作用

在地球深部和大气圈之间的碳循环(即深部碳循环)作用对于全球气候的长期和短期变化都具有非常重要的影响.碳可以通过多种方式和途径从地球深部进入大气圈,但从地表返回地球深部的途径主要是板块俯冲作用.由于碳存在形式的多样性和碳酸盐特殊的物理和化学性质,俯冲带中碳及含碳矿物的物理化学行为会显著地影响俯冲带动力学、氧逸度结构以及壳-幔作用过程中其他元素的活化迁移.因此,俯冲带碳循环不仅是调节大气CO_2浓度、影响全球气候变化和维持地球宜居性的重要因素,同时也是影响地幔物理化学性质和不均一性的关键因素.本文从俯冲带碳循环的观察和示踪、俯冲带碳的迁移与变化、俯冲带碳循环通量以及俯冲带碳循环的效应等四个方面对俯冲带碳循环的研究现状和需要深入研究的科学问题进行阐述.     

对日本俯冲带与IBM俯冲带俯冲特征的地球物理研究:来自重力与震源分布数据的启示

日本俯冲带与IBM俯冲带位于太平洋板块、菲律宾海板块和欧亚板块三者的交汇地带,是典型的"俯冲工厂"地区,具有重要的研究意义.本文利用震源分布资料与卫星重力数据对日本俯冲带与IBM俯冲带进行了研究.通过空间重力异常反映了俯冲带地区的区域构造形态,在此基础上基于艾利模式计算了均衡异常以反映地壳均衡特征.利用震源分布资料,分别从垂直俯冲带走向与沿俯冲带走向划定了横截剖面(cross-sections)进行了地震提取,讨论了俯冲带地区的Wadati-Benioff带形态特征,并借助于俯冲带地震等深线图直观描述了俯冲带的俯冲形态.在日本俯冲带与伊豆—小笠原俯冲带各选取了一条典型剖面进行了重力2.5D反演,研究了俯冲带地区的壳幔结构特征.研究结果表明,九州—帕劳海脊与IBM岛弧在均衡异常上存在差异,前者已逐渐趋向于地壳均衡.IBM的Wadati-Benioff带存在明显的南北差异,反映出伊豆—小笠原俯冲板片停留在了660km转换带中,而马里亚纳俯冲板片很可能垂直穿过了这一转换带,造成这种南北差异的原因与板块相对运动、岩石圈黏性和年龄差异以及俯冲板片的重力效应等因素有关.在IBM的中部和南部存在板片撕裂现象.日本俯冲带的俯冲洋壳密度随俯冲深度变化较小,洋幔存在一定程度的蛇纹岩化,地幔楔蛇纹岩化作用不典型,海沟处有一范围较小的含水畸变带;伊豆—小笠原俯冲带俯冲洋壳密度随深度增大而明显增大,洋幔蛇纹岩化程度较日本俯冲带低,地幔楔蛇纹岩化作用强烈,板块交汇处存在明显的蛇纹岩底辟.日本俯冲带与IBM俯冲带一线自北向南板片俯冲变陡,两侧板块耦合度降低,与俯冲带两侧的板块运动速率差异有关.     

俯冲隧道中的部分熔融和壳幔相互作用:实验岩石学制约

俯冲隧道模型提出,俯冲板片界面相互作用是实现地球表层与内部之间物质和能量交换的基本机制.由于大陆岩石圈与大洋岩石圈在物质组成和状态上的显著差异,其深部物理和化学过程及壳幔相互作用产物必然出现一系列差异.许多实验岩石学研究已经为大洋俯冲隧道中可能发生的硅酸盐和碳酸盐岩石的部分熔融和壳幔相互作用提供了资料.无论是基性还是中酸性硅酸盐岩体系,取决于部分熔融发生的压力或深度,熔体是具有或不具有埃达克岩性质的花岗质熔体.微量CO2即可大幅降低橄榄岩的熔点,所形成的碳酸盐熔体可有效萃取岩石体系中不相容微量元素.这些硅饱和或不饱和熔体均可以在俯冲隧道或地幔深部条件下与地幔楔橄榄岩发生反应,形成复杂的反应过程和产物.但已有的实验结果主要是针对大洋岛弧环境条件而不是大陆俯冲带的环境.因此,高温高压实验需要充分考虑大陆俯冲隧道中板片-地幔界面上各种不同成分地壳及其衍生的熔/流体成分与不同橄榄岩之间的反应,并结合大陆俯冲带岩石部分熔融和壳幔相互作用的地质证据,以阐明大陆俯冲隧道过程中的变质脱水、部分熔融和地幔交代等问题.     

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.