連接地表和地球內部的橋樑——俯衝板片

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眾所周知,地球作為一個較為特殊的在太陽系內唯一擁有板塊構造運動的行星,板塊構造運動一直是科學家們研究的重點以及難點。板塊構造運動的主要驅動力是岩漿活動,地球內部的物質可以通過岩漿活動噴出地表。那麼有沒有辦法可以讓地表物質能夠進入地球內部呢?

板塊構造運動為物質進入到地球內部提供了一座橋樑,在一些板塊運動的邊界處,由於擠壓和重力作用部分板片能夠向地球內部運動,科學家們稱這樣的板片為俯衝板片。

俯衝板片可以將近地表物質輸送到地殼以下甚至是1000 km以下的地方。那麼當俯衝板片進入到地球內部後又有怎樣的組成和性質呢。

首先我們對俯衝板片進行一個簡單的介紹。俯衝板片主要可以分成五層,從上到下分別是沉積物層、玄武岩層、方輝橄欖岩層、二輝橄欖岩層以及虧損地幔層。

我們可以看到俯衝板片每一層具有不同的成分,下面3層的主要成分和地幔成分幾乎一樣,主要成分為橄欖石,單斜輝石和斜方輝石。今天我們主要介紹一下斜方輝石。

斜方輝石(空間群Pbca)是地幔中的主要組成礦物,隨著溫度和壓強的升高,斜方輝石類礦物會發生複雜的相變。室溫下,斜方輝石隨著壓強的升高會經歷多個相變,並且以往研究認為斜方輝石中的Fe含量不同會使其相界發生變化。除純鐵端元之外的不同Fe含量的斜方輝石由正交結構(空間群Pbca)轉換為單斜結構(空間群P21/c)的相變壓力為10-14 GPa,壓強繼續升高後在25-30 GPa會發生第二個相變(Dera et al., 2013)。斜方輝石本身具有矽離子四面體對稱的性質,在一定的壓力下相變後配位數的增加會讓對稱方式發生變化,從而導致其結構和性質的變化。Fe2+等過渡金屬離子對貧鈣輝石體系的相變壓力和高壓相結構具有強烈的影響。

斜方輝石樣品

斜方輝石樣品

因此我們選取了含一定量Fe的斜方輝石進行了高壓實驗,由金剛石對樣品腔施加力,在很小的檯面(直徑400 μm,壓強P=F/S,一般400 μm的金剛石我們可以做到40 GPa,有興趣的同學可以算一算需要多少壓力)下進行實驗獲得很高的壓強。下面是我們實驗的示意圖以及在美國先進光源阿貢國家實驗室進行實驗的樣品圖,包括2個樣品,傳壓介質氬氣,壓力標定物質鉑以及紅寶石。

通過金剛石對頂砧增大壓力並結合同步輻射裝置獲得樣品的衍射信號,我們發現斜方輝石在15 GPa發生了相變,由斜方結構相變成單斜結構。

那麼這麼一個相變在地球內部又在哪能夠發生呢?通過斜方輝石在高溫高壓下的相圖我們可以看到,由於該相變只能在低溫下發生,只有一些低溫的俯衝板片才具備該相變發生的條件。

Xu et al., 2018

Xu et al., 2018

並且我們通過布里淵散射(下圖,布里淵散射光學平臺)獲得了斜方輝石在高壓條件下的波速變化,可以看出隨著壓力增大縱波和橫波波速都發生一定的軟化。

通過以上獲得的實驗資料並結合熱力學參數,我們有效約束了斜方輝石在俯衝板片內部條件下的波速特徵,並且與相關地震學觀測得到的俯衝板片內部低速楔進行對比(下圖灰線代表只考慮亞穩態橄欖石的低速楔,紅線代表加入了斜方輝石的低速楔,當加入斜方輝石後與地震學觀測更加一致)。

最終我們認為:俯衝板片內部的低速楔不僅僅是由亞穩態橄欖石組成,而是由亞穩態橄欖石和斜方輝石共同組成,更新了對俯衝板片內部低波速異常區域的認識。

Reference

Reference

Dera, P., Finkelstein, G. J., Duffy, T. S., Downs, R. T., Meng, Y., Prakapenka, V., & Tkachev, S. (2013). Metastable high-pressure transformations of orthoferrosilite Fs(82), Physics of the Earth and Planetary Interiors, 221, 15-21, 10.1016/j.pepi.2013.06.006.

Li, L., Sun, N., Shi, W., Mao, Z., Yu, Y., Zhang, Y., & Lin, J.-F. (2022). Elastic anomalies across the α-β phase transition in orthopyroxene: Implication for the metastable wedge in the cold subduction slab. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL099366. https://doi.org/10.1029/2022GL099366

Ringwood, A. E., & Irifune, T. (1988). Nature of the 650 km seismic discontinuity: implications for mantle dynamics and differentiation, Nature, 331(6152), 131-136, 10.1038/331131a0.

Xu, J., Zhang, D., Fan, D., Zhang, J. S., Hu, Y., Guo, X., et al. (2018). Phase Transitions in Orthoenstatite and Subduction Zone Dynamics: Effects of Water and Transition Metal Ions, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 123(4), 2723-2737, 10.1002/2017jb015169.

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這篇論文以「Elastic anomalies across the α-β phase transition in orthopyroxene: Implication for the metastable wedge in the cold subduction slab」為題,發表於地球科學領域國際著名學術期刊Geophysical Research Letters。通訊作者為中國科學技術大學地球和空間科學學院毛竹教授,第一作者為博士研究生李絡。共同作者包括特任副研究員孫寧宇,施偉剛博士,於英鑫碩士,美國德克薩斯大學奧斯汀分校林俊孚教授以及張彥垚博士。相關實驗在中國科學技術大學高溫高壓礦物學實驗室、上海同步輻射光源,美國先進光源阿貢國家實驗室完成。本工作受到中科院戰略先導B項目(Grant No. XDB41000000),國家自然科學基金(Grant No. 41590621)以及中央高校基本科研業務費(Grant No. WK2080000144)資助。

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