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下地幔及D”層礦物結構水的理論計算取得新進展

發布時間:2019-08-20

下地幔底部D”層是一個極其複雜的區域,其中存在著強烈的地震各向異性、波速不連續、強烈起伏變化的邊界以及大範圍低剪切波速省(LLSVPs)等地質現象。D”層邊界和地震波速異常等特征受到Al, Fe以及揮發份的顯著影響。下地幔中揮發分H的存在爲解釋地幔中的特殊現象帶來了新的思路。H主要以結構水的形式存在于地幔礦物晶格中。上地幔及轉換帶名義上無水礦物晶格中所含的結構水(OH-)對礦物的物理化學性質影響已經被廣泛報道,但是下地幔中的含水性卻存在較大爭議。 

中國科學院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室博士研究生蒋佳俊与其导师张飞武研究员,利用理论地球化学计算方法系统研究了水在布里奇曼石和后钙钛矿中的赋存机制,以及结构水对礦物相变和弹性性质的影响。研究发现:下地幔条件下,结构水对(Mg,Fe)SiO3礦物弹性波速和弹性模量(尤其是剪切波速和剪切模量)有着显著影响。礦物晶格中Si位取代機制中,當三價鐵和0.55wt.%的氫共存時,模擬計算得到的布裏奇曼石和後鈣钛礦的剪切波速異常分別爲-2.9%-3.1%,這與地震觀測到的LLSVPs的波速異常的平均值十分吻合,顯示了MgSi1-xFexO3Hx很可能是LLSVPs中的主要礦物。研究中还发现后钙钛矿的稳定性受到晶格中结构水制约,当OH位于Mg位時,後鈣钛礦的相變界面往高壓方向移動,而Si位上的OH使得相變界面往低壓方向移動,這可能是造成D”層邊界強烈起伏變化的原因之一。 

上述研究成果发表在国际地学著名期刊 《Earth and Planetary Science Letters》上:Jiang, J., Zhang, F., 2019. Theoretical studies on the hydrous lower mantle and D″ layer minerals. Earth and Planetary Science Letters 525, 115753 

全文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.epsl.2019.115753 

本研究得到國家自然科學基金面上項目的資助。 

   

   

  

 圖:含水機制對後鈣钛礦相變的修正(上),以及對LLSVPs剪切波異常的貢獻(下) 

(矿床室 张飞武课题组/供稿)