铁方镁石自旋转变与下地幔中部波速横向变化

<正>铁方镁石是下地幔主要矿物之一。Badro等人2003年首次在该矿物观测到磁矩转变,掀起了对矿物物性特别是弹性影响的研究热潮[1]。第一性原理计算显示,相对与其他突变的地幔矿物相变,铁方镁石自旋转变是一个缓变的过程,随着压强的增大,越来越多的铁原子从有磁矩(高自旋态)转变到没有磁矩状态(低自旋态),温度越高,转变的压强越大,转变的范围就越宽,下地幔很大的深度范围内都处于自旋转变过渡区[2]。自旋转变过程中,铁方镁石的体模量和部分弹性系数会显著降低。     

下地幔方镁铁矿自旋转变的研究进展

压力引起的铁的电子自旋转变发生在下地幔的主要矿物中,这种转变对下地幔矿物的力学、物理学和化学等性质都会产生重要影响,因此在下地幔温度、压力条件下开展下地幔主要矿物相的自旋转变研究对下地幔地球物理学、地球化学和地球动力学等模型的约束具有重要意义。作为下地幔矿物质量分数第2的方镁铁矿,前人对其自旋转变以及这种转变对它的密度、声速、弹性性质、铁的分配、辐射热传导和电导率等的影响有广泛研究。本文旨在对方镁铁矿的自旋转变的主要研究进展进行总结和评述,并对未来该研究的发展趋势进行展望。     

下地幔及核幔边界结构及地球动力学

新一代高分辨率下地幔及核幔边界的地震层析成像,改变了我们对全球构造模式及地球动力过程的认识。古海洋岩石圈板片一直俯冲到下地幔底部,其残留体在核幔边界积累,并支持了地幔整体对流模式。位于核幔边界上的D″层有着十分复杂而精细的结构。紧靠核幔边界的地幔一侧发现了超低速层(ULVZ),它们可能是D″层内的局部熔融物,是引起地表热点的上升地幔柱的源头。     

下地幔矿物研究及其进展

国家“863”课题“考古遥感与地球物理综合探测技术”，首期在秦始皇陵开展考古物探方法技术试验。“地球物理综合探测技术”是本期参加试验的主要研究项目之一①。本次工作的成果：     

下地幔矿物研究及其进展

文中综述了20世纪90年代以来对下地幔矿物高温高压研究的进展,详细评论了下地幔温压下(Mg,Fe)SiO3钙钛矿的稳定性、(Mg, Fe)SiO3 钙钛矿和(Mg, Fe)O镁方铁矿的高压状态方程和热弹性及高压熔化、核幔边界温压下铁和硅酸盐的化学反应等几个热点问题;探讨了下地幔的矿物学组成,对下地幔的地震波速异常给出了可能的矿物学解释;介绍了国内同领域的研究工作;展望了下地幔矿物研究的发展方向。     

地球下地幔矿物结构和热力学参数的研究进展与展望

下地幔从660 km到2 891 km深度,占据整个地球质量的49.2%并处于极端高温高压的状态。在下地幔相应的温度压力条件下研究主要构成矿物的物理性质,尤其是结构、密度和波速,是理解下地幔结构、物质组成以及动力学过程的关键。通过回顾过去30年高温高压矿物学实验对下地幔矿物,包括布里基曼石、铁方镁石、Ca-钙钛矿以及硅酸盐—后钙钛矿结构和热力学状态方程的重要研究进展,探讨温压条件变化、成分变化以及Fe自旋变化对这些下地幔矿物(相)密度和体波波速的影响,指出现有研究结果的不足和需要解决的问题,并对未来的研究方向提出展望。     

热点和下地幔的水含量

多年来,地质学家已经认识到水对地球演化和熔融过程的重要性,然而,关于水在深部地幔中的分布却缺乏统一认识。其中,下地幔究竟是干的,还是湿的,一直存在争议。本文通过研究全球热点的水含量和假设地幔转换带与下地幔的水达到平衡来制约下地幔的水含量。结果表明,全球热点的源区水含量为(300~1 000)×10-6,平均为(584±184)×10-6;根据地幔转换带与下地幔的水平衡模型得到下地幔水为(370±220)×10-6。其中,后者在误差范围内与早期亏损地幔水含量((441±51)×10-6)和停留在下地幔的古老再循环洋壳的水含量((440~480)×10-6)一致,说明下地幔的水可能为450×10-6,这和整体表现为湿的热点源区有明显差别。我们认为造成这种现象,可能与源区中橄榄岩和再循环地壳的不同熔融行为有关:再循环地壳具有较低熔点,可以在更深处熔融产生富水熔体,并与周围橄榄岩反应,使热点水含量增加。结果表明大多数热点的源区水含量不能直接代表下地幔的水含量。     

镁铁积及其地球化学意义

硫化铜镍矿床是典型的岩浆矿床,其成矿母岩几乎皆为基性、超基性岩。但是,并不是所有的基性、超基性岩都产有硫化铜镍矿床。在成矿的各种控制因素中,岩浆成分是其中最重要的控制因素。本文试图从成矿元素与造岩元素的关系来探讨镁铁质岩浆携带硫化镍矿的能     

地球初期壳幔演化的物理过程

原始地幔处于全球性的高温熔融状态,其上层的冷却演化过程可大致分为3个阶段：高熔点矿物结晶沉降阶段、岩浆不混溶阶段和固化成壳阶段。在此过程中,原始地幔逸出挥发性物质,形成了地球的超临界流体圈。通过岩浆不混溶作用所形成的富Si—Al质岩浆最终固化为原始大陆壳。超临界流体圈的分解,分别形成酸性H2O圈和CO2大气圈。     

高压下地幔物质的相转变

具有多种压砧装置的高压技术的新进展,使我们能够测定25～27Pa条件下的地幔物质相转变。这样,我们就可以对地幔岩、玄武岩和橄榄岩以及那些与此成分类似的岩石相平衡进行广泛研究(例如,I(?)ifune和Ringwood,1987,a、b)。作者在这里对这些研究及一些新的实验结果作了一些总结,并讨论这些结果对地幔组成和构造的意义。 CaSiO_2-MgSiO_6系统:在使用金刚石压砧所得到的实验结果中,有关透辉石的相转变一直存在着不同意见(如Liu,1987;Tami和Yagi,在出版中)。基于电子探针和扫描电镜对淬火样品中透辉石相转变性质的仔细鉴定,作者的最新研究(I(?)ifune等,在出版中)揭示出,在19GPa以上,透辉石分解成立方晶系的钙钛矿和MgSiO_2组分所     

动态部分熔融作用及其地球物理意义

本文着重阐述了上地幔动态部分熔融动力学的几个基本问题:(1)初始熔融物的产生;(2)渗透和萃取;(3)运移和聚集;(4)研究方法、内容及其地球物理意义。笔者强调指出,在初始熔融阶段,两面角是控制上地幔熔融物的几何分布、渗透性和连通性能的关键参数,少量熔融物(2%~5%)不仅会使软流圈中地震波速下降、导电率增加,而且还引起上地幔非弹性衰减现象。     

角闪石高温高压实验研究进展及其地球物理意义

高温高压实验作为地球科学研究的重要方向之一,通过模拟地球深部的温度和压力条件,了解地球深部物质的物理化学性质、地球内部结构和动力学演化。角闪石属于双链硅酸盐矿物,为地幔岩石圈的重要组成,广泛分布在海洋地壳、俯冲板块、变质岩和火成岩中。作为俯冲带的重要含水矿物,角闪石的广泛分布和高温高压下的脱水对于理解俯冲带水含量以及水迁移具有重要作用,同时在俯冲带的地震活动、高电导率异常、地震波速异常和岩浆活动中扮演重要角色。在过去的近百年时间里,国内外学者对角闪石高温高压物理化学性质进行了大量的研究。角闪石具有非常复杂的元素组成和结构特征,由此也导致了不同角闪石物理化学性质存在显著不同,包括脱水与脱羟基反应中元素迁移的差异、角闪石形成与分解过程中碱性元素(K+Na)和H2O含量对热稳定的影响、不同空间群结构下的高压结构相变、原位条件下不同结晶方向的电导率异常、不同结晶学优选方位(CPO)下的波速异常等。已有的研究对于角闪石的物理化学性质以及其在俯冲带中发挥的作用有了比较清楚的认识,但仍然有许多问题需要进一步研究,如角闪石的高压脱水动力学、热物性和变形机制等。     

锰方硼石的合成及其地球化学意义

一、引言锰方硼石是一种罕见的锰氯硼酸盐矿物。1957年发现于美国得克萨斯州钱伯斯(Chambers)县,1962年R.M.Honea和F.R.Beck确定其化学式为Mn_3B_7O_(13)Cl,并以产地命名为Chambersite。后来在路易斯安那州也曾发现。七十年代初,我国在河北蓟县震旦系含粉砂、泥质白云岩中首次发现一小型菱锰矿—锰方硼石矿床。苏联文献也报道在乌克兰地区有铁方硼石—锰方硼石系列的矿物产出。     

高温下地幔矿物之间的Cr同位素分馏

<正>铬(Cr)是过渡金属元素,其同位素主要有50Cr、52Cr、53Cr和54Cr。与其它变价元素(Fe、Se、Cu)的同位素类似,生物作用和低温氧化还原过程是目前已知的导致Cr同位素分馏的主要因素[1-3],这使得Cr同位素常被用作示踪古大气氧化还原环境[4-6]以及地表水系统中Cr(VI)污染的还原和沉降[1]。到目前为止,高温地质过程中Cr同位素行为研究非常有限。Schoenberg等[7]第一次系统地对全球的     

富碱岩长石结构态及其地质意义

采用X射线衍射法研究了16个碱性岩和碱性花岗岩体长石的结构态,获得了122个数据,并对样品进行探针或化学分析。这些富碱岩都以碱性长石为主,有单斜、三斜钾长石,以及由它们和钠长石组成的条纹长石。钾长石分属各种结构态,钠长石有中、低钠长石,钾、钠长石在一些岩体中体现了由高→低结构态有序化演化进程。长右结构态与矿物温度计所获得的资料得到了很好的对照,表明了长石Si/Al有序程度主要受结晶温度的影响。     

下地幔的氦化合物—FeO2He

氦(He)元素是地球上的稀有元素之一,宇宙中其含量仅次于氢,但由于其化学惰性不能像氢元素一样与其他元素反应生成稳定的化合物,因此只有少量的地球形成初期保留下来的原始氦气存在于大气中。然而,科学家们发现有氦气从地幔俯冲带喷发出来(比如洛杉矶金施,Newport-Inglewood断层带)。因此推测地幔中可能存在氦的化合物。尽管如此,科学工作者一直未发现含有He元素的矿物,甚至在地幔温度压力下也未合成相关的含有氦元素的化合物。     

下地幔中俯冲型玄武岩壳的研究

通常认为大洋岩石圈俯冲到地球深部,从而导致地幔的对流并产生地幔的不均一性。然而,大洋岩石圈作为一个整体可能并非均匀地俯冲：即由于化学成分、密度和熔融温度的差异,玄武岩壳与其下伏橄榄岩层俯冲到地球深部后的情况可能有所不同。有人认为俯冲的玄武岩壳可能在地幔中６６０ ｋｍ 处的不连续面附近形成一个浮体,且该浮体至少延伸至８００ ｋｍ 的深处,从而产生可能由于重力捕获作用形成的石榴石岩层。本文报道大洋中脊玄武岩在高达６４ ＧＰａ 压力下（相当于１ ５００ ｋｍ 的深度）的相态关系和熔融温度。我们的研究发现当俯冲的玄武岩壳在大约７２０ ｋｍ 的深处转化为钙钛岩的岩性特征时不再是浮体,并且在该转换带压力与温度呈正相关,这与橄榄岩正好相反。据此可推测,具钙钛岩岩性特征的玄武岩壳有可能因重力作用而下沉至深部地幔。熔融实验资料表明,在下地幔底部,当温度超过４ ０００ Ｋ时,玄武岩壳将会产生熔融。     

青藏高原地壳上地幔形成与演化的地球物理研究

近年来,我国在青藏高原取得了大量地球物理资料,1980-1982年中法合作又在西藏得到丰富的深部地球物理资料.青藏高原是一个整体.它的构造活动可以分为南、北、中三个带.中部是整体隆升,且已达到均衡.南北两缘受到强烈挤压、叠覆,是差异隆升,但未达到均衡.它的构造作用形式,可以分为上、中、下三层.上层(上地壳)以叠覆为主,中层(下地壳)以挤压为主,下层(异常地幔)以隆升为主.在上下地壳之间有一壳内低速低阻层,是一个主要的滑曳面.它的地质历史发展可以分为两个阶段.印度板块与西藏板块未碰撞前,异常地幔使高原缓慢隆升.在碰撞后,地壳加厚,重力均衡使高原快速隆升.     

下地幔条件下富水斯石英稳定性的证据

正地球内部水的分配和运输取决于含水相的稳定性。地幔转换带被普遍认为是重要的储水库,因为它的主要组成矿物瓦德利石和林伍德石都可以含有百分之一数量级质量的H2O。水可以被运输到地幔转换带以下深度的程度取决于俯冲板片中含水相的载水能力。斯石英是俯冲洋壳中的重要矿物,但其在下地幔条件的含水能力仍然存在争议。为了研究这一问题,美国卡耐基研究所地球物理实验室和中国北京高压中心的科学家利用金刚石压砧将斯石英在含水环境下加压到27～58 MPa,利用