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。     

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：     

上地幔硅酸盐矿物中磷的含量研究

上地幔硅酸盐矿物中的磷含量是磷在地球深部的存在及循环研究的重要内容之一,对于理解和深刻认识上地幔磷的地球化学特征具有重要意义.对石榴子石、橄榄石及辉石中磷的固溶度进行详细的研究将会丰富深部磷循环的研究内容,为理解磷的深部地球化学行为提供科学依据.本文基于天然样品和高温高压实验研究结果,分析总结了上地幔硅酸盐矿物中磷的含量及磷进入硅酸盐矿物结构中的机制,探讨了压力、温度、氧逸度及矿物结构对上地幔硅酸盐矿物中磷含量的影响.     

岩石圈地幔中的金刚石及其矿物包裹体的研究进展

金刚石及封存于其中的矿物包裹体对于研究金刚石的成因以及古老岩石圈地幔、超深地幔的性质和地幔过程具有重要的研究意义,是国内外地质学家们的研究热点。大多数金刚石来源于岩石圈地幔,根据包裹体相对于寄主金刚石形成的时间可分为先成包裹体、同生包裹体和后生包裹体,包裹体属于哪种类型直接关系到数据所代表的意义,根据包裹体源区的岩石类型,通常将包裹体分为P/U型和E型,介绍了2种类型包裹体包含的矿物种类,并对出现较多的橄榄石、单斜辉石、斜方辉石、石榴石、铬铁矿和硫化物包裹体的矿物学特征进行了详细描述,归纳了金刚石及其矿物包裹体的主要研究方向:包裹体矿物的化学成分、金刚石的碳同位素组成、金刚石形成的温度、压力及年龄,综述了克拉通岩石圈地幔金刚石及其矿物包裹体的成因,总结了我国金刚石中包裹体的研究成果,分析了国内研究工作与国际上的差距。     

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CaSiO3钙钛矿的稳定性及其对LLSVPs的启示

LLSVPs的成因是当前固体地球科学研究的前沿热点,对这一成因的认识仍然存在很大的争议。认识LLSVPs的成因,对了解全球地幔对流性质、下地幔热结构以及化学物质的运输和演化等具有重要的科学意义。CaSiO₃钙钛矿（Ca-Pv）作为下地幔最丰富的矿物之一,也是近年来学术界关注的热点。Ca-Pv在下地幔条件下的晶体结构仍然是目前研究的主要问题之一,Ca-Pv能否与其结构和化学式都相近的含铁布里奇曼石形成固溶体?本文通过第一性原理地球化学计算,研究了Ca-Pv及固溶体的基态稳定性,弹性性质和地震波波速特性。研究结果表明,在20～120 GPa压力下,Ca-Pv最稳定的基态结构为四方结构。基态下Ca-Pv的弹性波速值低于Mg-Pv约5%。与非互溶体系相比,x（Fe）为0%～10%的固溶体体系,引起了-2%～0%的剪切波波速负异常;-1.2%～0%的纵波波速负异常;-0.45～0.15%的体波速异常。因此,推测固溶体Mg_1-x-yCa_xFe_ySiO₃可能作为下地幔LLSVPs的候选矿物组...     

从随州陨石研究探讨地幔的高压矿物组成

随州陨石母体在30 Ma前遭遇一次其他星体的撞击后,矿物发生了冲击变质作用,产生了几条宽度仅为0.02～0.09 mm的冲击熔脉.我们在随州陨石熔脉内和熔脉边部先后发现了多种冲击成因的高压相矿物,如粗粒的、由固态相变形成的林伍德石、低钙辉石的镁铁榴石相、钛铁矿相和钙钛矿玻璃相、NaAlSi3O8-锰钡矿相、涂氏磷钙石和铬铁矿的两种后尖晶石高压多形—CaFe2O4结构相和CaTi2O4结构相（其中后三种为首次发现的高压相新矿物）,以及细粒的、在高压下从硅酸盐熔体结晶的镁铁榴石-镁铝榴石固溶体、镁方铁矿和林伍德石微晶集合体.此外,在陨石主体中还见有斜长石的高压熔体相—熔长石.熔长石和多种高压相矿物的存在,限定了随州陨石主体所受压力、温度分别为20 GPa和1100℃,熔脉内则高达23～25 GPa和2000～2300℃.上述撞击产生的压力与地球内部地幔转换带下部到下地幔顶部的压力相当.大量天然产出的高压相矿物在随州陨石中的发现,对了解深部地幔的矿物组成和元素地球化学行为具有重要理论意义.     

地幔不同深度单斜辉石含水量的高压实验

在1.5~5GPa、1100~1200℃条件下开展了含水大陆碱性玄武岩的熔融实验研究。通过红外光谱分析其中单斜辉石的结构水,计算得到其量为1173(153)×10-6～2049(197)×10-6。结果表明：当P＜3GPa时,随着压力增大,单斜辉石的含水量逐渐增加,在3GPa附近达到峰值,之后随着压力的增大单斜辉石含水量又逐渐减少。单斜辉石含水量随压力的这种变化关系可能受单斜辉石中Al含量的影响。该研究为了解上地幔不同深度处水的分布提供了实验证据。     

地幔不同深度单斜辉石含水量的高压实验

在1.5~5GPa、1100~1200℃条件下开展了含水大陆碱性玄武岩的熔融实验研究。通过红外光谱分析其中单斜辉石的结构水,计算得到其量为1173(153)×10-6～2049(197)×10-6。结果表明:当P<3GPa时,随着压力增大,单斜辉石的含水量逐渐增加,在3GPa附近达到峰值,之后随着压力的增大单斜辉石含水量又逐渐减少。单斜辉石含水量随压力的这种变化关系可能受单斜辉石中Al含量的影响。该研究为了解上地幔不同深度处水的分布提供了实验证据。     

试论湖南衡阳盆地与地幔柱的关系及其对关键矿产深部探测的意义

衡阳盆地是华南地区独具特色的中—新生代陆相沉积盆地,其形成机制与丰富的矿产资源都十分引人注目。衡阳盆地近等轴形态,地形上表现为典型的“盆山体系”,重力资料显示出地幔隆起的特征,构造形式上发育“棋盘状”和“环形(弧形)”格局,火成岩与成矿元素组合以及同位素特征均具有幔源特征,这表明衡阳盆地的形成与华南地区中生代地幔柱活动之间具有密切的成因联系。盆地及其周缘矿产资源具有长时期、多矿种、强富集的特征。不同时代和不同矿种组合的成矿作用与区域岩浆作用和盆地沉积作用具有明显的专属性。衡阳盆地及周边不但出现了丰富的有色金属和非金属矿产,也出现了钨锡铌钽铋碲铀等关键矿产,但后者的工作程度最低。因此,在深部矿产探测过程中应做到“四注意四加强”。     

Dependence on pressure of conduction by hopping of small polarons in minerals of the Earth's lower mantle

Electrical conductivity of the lower mantle-like assemblage (Mg,Fe)SiO₃ perovskite-(Mg,Fe)O magnesiowüstite is usually analyzed using the quasi-chemical Arrhenian approach of diffusion. The conductivity of this assemblage has often been attributed to hopping of small polarons, because of the low value of the activation energy and the small negative activation volume. However, the solid-state physics approach can provide more arguments, for or against conduction by polarons. We have tried to bridge the gap between the two approaches and identify the physical quantities entering the phenomenological activation parameters. In particular, we have investigated the pressure dependence of the activation energy, and the physical meaning of the activation volume. Hopping is controlled by the binding energy of the polaron and by the value of the exchange integral, which increases with pressure causing the observed decrease of the activation energy. From the physical theory and the results of experiments at pressures up to 40 GPa and temperatures up to 400 ^∘C, we have estimated the values of parameters characteristic of polarons: radius, mobility, time between jumps and adiabaticity. These values are compatible with conduction by small adiabatic polarons. The consequences for extrapolations to lower mantle conditions of the presence of a temperature dependent preexponential term in the expression for conductivity have been examined. It was found that the extrapolations are not significantly different from those using the Arrhenius equation. Received: 5 November 1998 / Revised, accepted: 4 May 1999     

新全球动力学理论与壳幔的形成

地壳从地幔中熔融出来是地质学立论的基础 ,也是板块构造运动的基本原因。上述理论阐明不了大陆岩石圈、大陆造山带的组成 ,结构与演化 ,也与当代的基础理论不尽吻合。为此特提出在地球自转速度变化制约下的多层扭动涡旋甩出说———核幔壳“风暴”所引发的热核反应是地球发展与演化的唯一的、统一的“动力”来源 ,也是壳幔形成的根本原因。     

体波走时层析成像方法及其在中国壳幔结构研究中的应用评述

文中对地震体波走时层析成像技术近30年的发展进行回顾和评述,并对该方法所存在的问题进行了分析和探讨以及给出应对策略。在壳幔速度结构的横向不均匀性、强震发生的深部构造环境、活火山区的深部结构和起源,以及造山带、板块碰撞带区域深部结构等4个方面对应用地震层析成像技术所取得的主要成果做了分类总结和探讨。研究证明,利用地震层析成像技术所获得的高分辨率地球内部结构为探索岩石圈的演化和板块运动规律及地震、火山活动发生的深部构造环境等提供了十分重要的科学依据。     

高温高压下水和氯化钠溶液的物理化学性质研究

高温高压下水和氯化钠溶液的物理化学性质研究徐有生（中国科学院地球化学研究所，贵阳５５０００２）关键词高温高压水和ＮａＣｌ溶液物理化学性质水和ＮａＣｌ溶液是地质上最常见的溶液，了解其物理化学性质有助于研究水溶液在地球内部各种地质作用和地质过程中所起的作...     

Fate of carbonates within oceanic plates subducted to the lower mantle, and a possible mechanism of diamond formation

We report on high-pressure and high-temperature experiments involving carbonates and silicates at 30–80 GPa and 1,600–3,200 K, corresponding to depths within the Earth of approximately 800–2,200 km. The experiments are intended to represent the decomposition process of carbonates contained within oceanic plates subducted into the lower mantle. In basaltic composition, CaCO₃ (calcite and aragonite), the major carbonate phase in marine sediments, is altered into MgCO₃ (magnesite) via reactions with Mg-bearing silicates under conditions that are 200–300°C colder than the mantle geotherm. With increasing temperature and pressure, the magnesite decomposes into an assemblage of CO₂ + perovskite via reactions with SiO₂. Magnesite is not the only host phase for subducted carbon—solid CO₂ also carries carbon in the lower mantle. Furthermore, CO₂ itself breaks down to diamond and oxygen under geotherm conditions over 70 GPa, which might imply a possible mechanism for diamond formation in the lower mantle.     

P - V - T equation of state of stishovite to the mantle transition zone conditions

In-situ synchrotron X-ray diffraction experiments were conducted using the SPEED-1500 multi-anvil press of SPring-8 on stishovite SiO₂ and pressure-volume-temperature data were collected at up to 22.5 GPa and 1,073 K, which corresponds to the pressure conditions of the base of the mantle transition zone. The analysis of room-temperature data yielded V₀=46.56(1) ų, K_{T 0}=296(5) GPa and K _T =4.2(4), and these properties were consistent with the subsequent thermal equation of state (EOS) analyses. A fit of the present data to high-temperature Birch-Murnaghan EOS yielded (K_T /T) _P =–0.046(5) GPa K^–1 and = a + bT with values of a =1.26(11)×10^–5 K^–1 and b =1.29(17)×10^–8 K^–2. A fit to the thermal pressure EOS gives ₀=1.62(9)×10^–5 K^–1, ( K _T / T) _V =–0.027(4) GPa K^–1 and (²P /T ²) _V =27(5)×10^–7 GPa K^–2. The lattice dynamical approach by Mie-Grüneisen-Debye EOS yielded ₀=1.33(6), q =6.1(8) and ₀=1160(120) K. The strong volume dependence of the thermal pressure of stishovite was revealed by the analysis of present data, which was not detectable by the previous high-temperature data at lower pressures, and this yields ( K _T / T) _V 0 and q 1. The analyses for the fictive volume for a and c axes show that relative stiffness of c axis to a axis is similar both on compression and thermal expansion. Present EOS enables the accurate estimate of density of SiO₂ in the deep mantle conditions.