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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”層是一個極其復雜的區域,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范圍低剪切波速省(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的存在為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。 

中國科學院地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室博士研究生蔣佳俊與其導師張飛武研究員,利用理論地球化學計算方法系統研究了水在布里奇曼石和后鈣鈦礦中的賦存機制,以及結構水對礦物相變和彈性性質的影響。研究發現:下地幔條件下,結構水對(Mg,Fe)SiO3礦物彈性波速和彈性模量(尤其是剪切波速和剪切模量)有著顯著影響。礦物晶格中Si位取代機制中,當三價鐵和0.55wt.%的氫共存時,模擬計算得到的布里奇曼石和后鈣鈦礦的剪切波速異常分別為-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。研究中還發現后鈣鈦礦的穩定性受到晶格中結構水制約,當OH位于Mg位時,后鈣鈦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。 

上述研究成果發表在國際地學著名期刊 《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:含水機制對后鈣鈦礦相變的修正(上),以及對LLSVPs剪切波異常的貢獻(下) 

(礦床室 張飛武課題組/供稿) 

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