地幔转换带底部橄榄石和辉石高压相_省略_660km地震不连续面结构的启示_吴耀
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中国科学: 地球科学 www.scichina.com 论 文
2013 年
第 43 卷
第 12 期: 1943 ~ 1951
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
earth.scichina.com
地幔转换带底部橄榄石和辉石高压相变实验研究: 对 660 km 地震不连续面结构的启示
1944
本次研究在中国地质大学 ( 武汉 ) 地球深部研究 实验室 Rockland 1000 吨多面砧压机上进行. 压力产 生设备是国际上广泛使用的 Walker 模块, 这是一个 改进的川井式二级多砧增压装置 , 其第一级砧头为 工具钢圆柱, 分割为六个形状相同的滑块, 每块顶端 切成正方形平面(边长 48 mm). 六个滑块置放于工具 钢制成的圆筒之内 , 滑块与圆筒之间由塑料片绝缘 . 六个正方形平面构成一个立方体空间 , 用于对第二 级砧头加压. 二级砧头为碳化钨(WC)立方体(Toshiba Tungaloy F-grade), 边长 25.4 mm, 立方体各角都截 有正三角形平面 . 八个相对三角形截面构成一个八 面体空间 , 用来对样品组装加压 ( 见图 1). 该多面砧 压机的优点包括 : (1) 可以对样品进行 >2000 ℃的加 热, 加热时间根据实验需要, 可稳定持续长达数小时 或数天 ; (2) 压力和温度梯度小 , 非静水压对样品的 影响很小 ; (3) 实验温度和压力路径可以通过计算机 自动控制 ; (4) 较大的样品容积 . 不同截角边长 , 可 以获得的最高压力也不相同, 其中 10/5(八面体传压介 质边长/碳化钨立方块截角边长)可以进行 9~20 GPa 实 验(王雁宾, 2006; 吴耀等, 2012). 在本次研究中, WC 三角形截角边长为 3 mm, 相应的八面体传压介质 (MgO+Al2O3)的边长为 8 mm(称为 8/3 样品组合). 下 面对 8/3 样品装置的结构和压力标定进行简要介绍. 图 2(a)为 8/3 样品组装截面图, 该样品装置与美国 卡内基研究所地球物理实验室 8/3 装置类似. 在该组合 中八面体传压介质中留有直径为 3.70 mm, 长度为 6.50 mm 的圆孔, 用于放置加热部件, 加热部件由 LaCrO3 (外径 3.70 mm, 内径 1.34 mm, 长度为 6.50 mm)和金属 Re 片组成, 其中 Re 加热体放置于 LaCrO3 圆筒中. LaCrO3 作为绝热体保证整个装置具有较高的加热效 率. 在本次研究中, 实验起始物质放置于 Pt 金属样品 套内(外径 1.1 mm, 长度 1.4 mm). 金属样品套与加热 体之间为一层 Al2O3 绝缘管. 实验过程中温度由热电 偶 (W5Re95-W26Re74) 直接测量 , 未进行压力对热电偶 热电势 (e.m.f)影响的校正. 该装置压力通过橄榄石和 辉石高压相变进行标定.
本次研究的起始物质为人工合成的镁橄榄石(Fo) 和顽火辉石(En). 其合成步骤如下: (1) 纯度为 99.99% 的 MgO 和 SiO2 按摩尔比(橄榄石为 2:1, 辉石为 1:1) 混合 ; (2) 混合物在玛瑙研钵中和酒精混合 , 研磨使 之均匀; (3) 将混合均匀的粉末置于温度为 1300℃的
吴耀, 张艳飞, 王雁宾, 等. 地幔转换带底部橄榄石和辉石高压相变实验研究: 对 660 km 地震不连续面结构的启示. 中国科学: 地球科学, 2013, 43: 1943–1951 Wu Y, Zhang Y F, Wang Y B, et al. Experimental investigation of phase transformations of olivine and enstatite at the lower part of the mantle transition zone: Implications for structure of the 660 km seismic discontinuity. Science China: Earth Sciences, 2013, doi: 10.1007/s11430-0134735-x
依据高温条件下镁橄榄石-瓦兹利石(Akaogi 等, 1989; Katsura 等, 2004; Ishii 等, 2011), 秋本石(Ak)钙钛矿(Pv) (Hirose 等, 2001b), 林伍德石分解为钙钛 矿+铁方镁石(Ito 和 Takahashi, 1989; Yu 等, 2007)相变 对 8/3 样品装置进行了压力标定(图 2(b)). Bertka 和 Fei (1997)对类似样品组装进行的温度标定实验显示, 该样品组装 中心存在一 个 0.8 mm 长度的恒温 区 (±30℃), 而在恒温区以外温度梯度约为 150℃/0.2 mm. 因此 , 在实验过程中尽量减小样品的尺寸同时将样 品准确放置于加热体恒温区以获得温度更为可信的 实验结果. 在本次研究中, 每次实验同时将 Fo 和 En 放置在
吴耀等: 地幔转换带底部橄榄石和辉石高压相变实验研究
石 后 尖 晶 石 相 变 的 克 拉 伯 龙 斜 率 介 于 0.003 到 0.0004 GPa/K 之间(Ito 和 Takahashi, 1989; Irifune 等, 1998; Katsura 等, 2003; Fei 等, 2004; Yu 等, 2007; Akaogi 等, 2008; Ishii 等, 2011). (3) 后尖晶石相变过程 中, 林伍德石依次分解为亚稳态的秋本石(Akmotoite, MgSiO3)+方镁石以及斯石英+方镁石, 最终形成稳态 的钙钛矿+方镁石(Kubo 等, 2000, 2002). 在转换带岩石学 Pyrolite 模型中, 辉石(Enstatite, MgSiO3)是除橄榄石及其高压相外另一重要组成矿物. 顽 火 辉 石 在 8.1 GPa 和 1000℃ 转 变 为 斜 顽 辉 石 (clinoenstatite) (Pacalo 和 Gasparik, 1990), 在地幔转 换带条件下中辉石可能的高压相为超硅石榴石 (Majorite, Mg4Si4O12) (Sawamoto, 1987), 秋本石和钙 钛矿(Ono 等, 2001; Hirose 等, 2001a, 2001b; Ishii 等, 2011), 在 660 km 不连续面附近秋本石相变为钙钛矿. 综上所述 , 在地幔转换带中辉石与橄榄石一样将经 历复杂的相变过程 . 但目前对橄榄石和辉石在地幔 转换带条件下经历相变过程尚缺乏系统的对比研究 . 两者高温高压相变是否存在明显差异 ; 橄榄石和辉 石相变的差异能否解释转换带地震不连续面的起伏 和分裂现象? 因此, 通过高温高压实验, 系统地对比 研究橄榄石和辉石在地幔转换带底部的相变行为 , 从而为认识地幔转换带结构, 组成和 660 km 地震波 不连续面性质以及俯冲板片能否穿过 660 km 不连续 面进入下地幔提供重要依据和约束. 本文在介绍中国地质大学(武汉)最近引进的 1000 吨多面砧压机(Rockland 1000 Ton Multi-Anvil Apparatus)20~24 GPa 压力标定基础上, 进行了橄榄 石 (Mg2SiO4) 和顽火辉石 (MgSiO3) 在地幔转换带底部 的相变实验研究 , 详细对比辉石高压相变与橄榄石 后尖晶石相变的差异及其对 660 km 地震波不连续面 位置和形态的影响.
摘要
橄榄石和辉石以及它们的高压相是地幔转换带主要矿物, 系统研究橄榄石和辉石
在转换带底部温度和压力条件下相变的差异是认识 660 km 地震不连续面位置和形态的关 键. 本文使用多面砧压机开展了橄榄石和顽火辉石在压力为 21.3~24.4 GPa, 温度为 1600℃ 的相变实验研究. 地幔转换带底部, 橄榄石和顽火辉石相变主要的差异在于钙钛矿出现的 压力不同. 在橄榄石体系中, 后尖晶石相分解发生在 23.8 GPa, 与 660 km 不连续面具有很 好的对应关系; 而在顽火辉石体系中, 钙钛矿出现的压力小于 23 GPa. 研究结果表明, 橄榄 石后尖晶石相变与辉石中钙钛矿的出现之间有约 0.5~1 GPa 压力差. 因此, 在受大洋俯冲带 影响地区(例如中国东部), 辉石体系中发生的秋本石(钛铁矿)-钙钛矿的相变能够合理解释 660 km 地震不连续面向上的起伏或分裂.
混合气体炉(Gas mixing furnace) 约 12 h 使之发生烧 结 (sintered), 然后淬火 . 重复上述 (2)~(3) 步骤至少 3 次 , 最后将烧结样品研磨至粒度 3~5 m, 储存在 100℃干燥箱中备用.
1.2
实验装置和分析方法
1
1.1
高温高压实验装置和分析方法
实验起始物质
中文引用格式: 英文引用格式:
2001). 因此, 橄榄石后尖晶石相变的确切温压条件、 相变克拉伯龙斜率(Clapeyron slope)、相变动力学机 制等相关研究对认识地球内部结构、物质组成、动力 学状态、地幔对流方式和尺度具有重要意义. 前人对 橄榄石后尖晶石相变进行了系统的研究和讨论 , 取 得以下认识 : (1) 林伍德石 ( 尖晶石 ) 可以与其分解产 物在 0.2 GPa 的压力区间中共存, 后尖晶石相变的压 力和温度与 660 km 地震波速不连续面是基本一致的. 尖晶石中 Fe 含量对相变压力影响不大, 实验获得的 相变压力的差异主要与压标选择有关(Shim 等, 2001; Katsura 等, 2003; Fei 等, 2004; Yu 等, 2007). (2) 橄榄
中国科学: 地球科学
2013 年
第 43 卷
第 12 期
百度文库
图1
川井式(Kawai)多面砧压机(a)、Walker 型压腔(b)和碳化钨二级压砧(c)工作原理图
图2
中国地质大学(武汉)1000 吨多面砧压机 8/3 样品装置示意图(a)和高温压力标定曲线(b)
三个压力标定点分别为 1400℃, 14.6 GPa 镁橄榄石(Ol)-瓦兹利石(Wd) (Akaogi 等, 1989; Katsura 等, 2004; Ishii 等, 2011); 1600℃, 22.3 GPa 秋 本石(Ak)-钙钛矿(Pv)(Hirose 等, 2001b); 1600℃, 23.8 GPa 林伍德石(Rw)-钙钛矿(Pv)+方镁矿(Per) (Ito 和 Takahashi, 1989; Yu 等, 2007). 空 心方块代表本次研究中 Ol 中出现瓦兹利石(Wd)同时 En 中出现秋本石(Ak), 表明在该点压力误差小于±0.2 GPa, 详见 3.1 节讨论
关键词 橄榄石 辉石 高压相变 660 km 不连续面 地幔转换带 中国东部
转换带是指深度范围为 410~660 km 的地幔区域. 高温高压实验研究表明, 沿正常的地幔地温曲线, 在 大约 410 km(14 GPa)处橄榄石转变为具更高密度和 波速的瓦兹利石 (Wadsleyite), 该相变标志着地幔转 换带的开始; 而在约 660 km 深度(23.5 GPa)处, 橄榄 石 高 压 相 林 伍 德 石 (Ringwoodite) 分 解 成 钙 钛 矿 (Perovskite, (Mg, Fe)SiO3)和镁方铁矿(Magnesiowüstite, (Mg, Fe)O)则标志着下地幔的开始. 所以, 林伍德石 分解为钙钛矿和铁方镁矿 ( 即后尖晶石相变 ) 被认为 是形成 660 km 地震波速不连续面的主要原因 (Liu, 1976; Ito 和 Takahashi, 1989; Irifune 等, 1998; Shim 等,
吴耀 *, 张艳飞 , 王雁宾 , 金振民 , 董树文
① ① ① ① ②
① 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室, 武汉 430074; ② 中国地质科学研究院, 北京 100037 * E-mail: ywu@cug.edu.cn 收稿日期: 2013-03-08; 接受日期: 2013-06-08; 网络版发表日期: 2013-11-26 国家深部探测工程项目 (编号 : Sinoprobe-0801)和国家自然科学基金项目 (批准号 : 4117407, 41002068)资助
2013 年
第 43 卷
第 12 期: 1943 ~ 1951
《中国科学》杂志社
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地幔转换带底部橄榄石和辉石高压相变实验研究: 对 660 km 地震不连续面结构的启示
1944
本次研究在中国地质大学 ( 武汉 ) 地球深部研究 实验室 Rockland 1000 吨多面砧压机上进行. 压力产 生设备是国际上广泛使用的 Walker 模块, 这是一个 改进的川井式二级多砧增压装置 , 其第一级砧头为 工具钢圆柱, 分割为六个形状相同的滑块, 每块顶端 切成正方形平面(边长 48 mm). 六个滑块置放于工具 钢制成的圆筒之内 , 滑块与圆筒之间由塑料片绝缘 . 六个正方形平面构成一个立方体空间 , 用于对第二 级砧头加压. 二级砧头为碳化钨(WC)立方体(Toshiba Tungaloy F-grade), 边长 25.4 mm, 立方体各角都截 有正三角形平面 . 八个相对三角形截面构成一个八 面体空间 , 用来对样品组装加压 ( 见图 1). 该多面砧 压机的优点包括 : (1) 可以对样品进行 >2000 ℃的加 热, 加热时间根据实验需要, 可稳定持续长达数小时 或数天 ; (2) 压力和温度梯度小 , 非静水压对样品的 影响很小 ; (3) 实验温度和压力路径可以通过计算机 自动控制 ; (4) 较大的样品容积 . 不同截角边长 , 可 以获得的最高压力也不相同, 其中 10/5(八面体传压介 质边长/碳化钨立方块截角边长)可以进行 9~20 GPa 实 验(王雁宾, 2006; 吴耀等, 2012). 在本次研究中, WC 三角形截角边长为 3 mm, 相应的八面体传压介质 (MgO+Al2O3)的边长为 8 mm(称为 8/3 样品组合). 下 面对 8/3 样品装置的结构和压力标定进行简要介绍. 图 2(a)为 8/3 样品组装截面图, 该样品装置与美国 卡内基研究所地球物理实验室 8/3 装置类似. 在该组合 中八面体传压介质中留有直径为 3.70 mm, 长度为 6.50 mm 的圆孔, 用于放置加热部件, 加热部件由 LaCrO3 (外径 3.70 mm, 内径 1.34 mm, 长度为 6.50 mm)和金属 Re 片组成, 其中 Re 加热体放置于 LaCrO3 圆筒中. LaCrO3 作为绝热体保证整个装置具有较高的加热效 率. 在本次研究中, 实验起始物质放置于 Pt 金属样品 套内(外径 1.1 mm, 长度 1.4 mm). 金属样品套与加热 体之间为一层 Al2O3 绝缘管. 实验过程中温度由热电 偶 (W5Re95-W26Re74) 直接测量 , 未进行压力对热电偶 热电势 (e.m.f)影响的校正. 该装置压力通过橄榄石和 辉石高压相变进行标定.
本次研究的起始物质为人工合成的镁橄榄石(Fo) 和顽火辉石(En). 其合成步骤如下: (1) 纯度为 99.99% 的 MgO 和 SiO2 按摩尔比(橄榄石为 2:1, 辉石为 1:1) 混合 ; (2) 混合物在玛瑙研钵中和酒精混合 , 研磨使 之均匀; (3) 将混合均匀的粉末置于温度为 1300℃的
吴耀, 张艳飞, 王雁宾, 等. 地幔转换带底部橄榄石和辉石高压相变实验研究: 对 660 km 地震不连续面结构的启示. 中国科学: 地球科学, 2013, 43: 1943–1951 Wu Y, Zhang Y F, Wang Y B, et al. Experimental investigation of phase transformations of olivine and enstatite at the lower part of the mantle transition zone: Implications for structure of the 660 km seismic discontinuity. Science China: Earth Sciences, 2013, doi: 10.1007/s11430-0134735-x
依据高温条件下镁橄榄石-瓦兹利石(Akaogi 等, 1989; Katsura 等, 2004; Ishii 等, 2011), 秋本石(Ak)钙钛矿(Pv) (Hirose 等, 2001b), 林伍德石分解为钙钛 矿+铁方镁石(Ito 和 Takahashi, 1989; Yu 等, 2007)相变 对 8/3 样品装置进行了压力标定(图 2(b)). Bertka 和 Fei (1997)对类似样品组装进行的温度标定实验显示, 该样品组装 中心存在一 个 0.8 mm 长度的恒温 区 (±30℃), 而在恒温区以外温度梯度约为 150℃/0.2 mm. 因此 , 在实验过程中尽量减小样品的尺寸同时将样 品准确放置于加热体恒温区以获得温度更为可信的 实验结果. 在本次研究中, 每次实验同时将 Fo 和 En 放置在
吴耀等: 地幔转换带底部橄榄石和辉石高压相变实验研究
石 后 尖 晶 石 相 变 的 克 拉 伯 龙 斜 率 介 于 0.003 到 0.0004 GPa/K 之间(Ito 和 Takahashi, 1989; Irifune 等, 1998; Katsura 等, 2003; Fei 等, 2004; Yu 等, 2007; Akaogi 等, 2008; Ishii 等, 2011). (3) 后尖晶石相变过程 中, 林伍德石依次分解为亚稳态的秋本石(Akmotoite, MgSiO3)+方镁石以及斯石英+方镁石, 最终形成稳态 的钙钛矿+方镁石(Kubo 等, 2000, 2002). 在转换带岩石学 Pyrolite 模型中, 辉石(Enstatite, MgSiO3)是除橄榄石及其高压相外另一重要组成矿物. 顽 火 辉 石 在 8.1 GPa 和 1000℃ 转 变 为 斜 顽 辉 石 (clinoenstatite) (Pacalo 和 Gasparik, 1990), 在地幔转 换带条件下中辉石可能的高压相为超硅石榴石 (Majorite, Mg4Si4O12) (Sawamoto, 1987), 秋本石和钙 钛矿(Ono 等, 2001; Hirose 等, 2001a, 2001b; Ishii 等, 2011), 在 660 km 不连续面附近秋本石相变为钙钛矿. 综上所述 , 在地幔转换带中辉石与橄榄石一样将经 历复杂的相变过程 . 但目前对橄榄石和辉石在地幔 转换带条件下经历相变过程尚缺乏系统的对比研究 . 两者高温高压相变是否存在明显差异 ; 橄榄石和辉 石相变的差异能否解释转换带地震不连续面的起伏 和分裂现象? 因此, 通过高温高压实验, 系统地对比 研究橄榄石和辉石在地幔转换带底部的相变行为 , 从而为认识地幔转换带结构, 组成和 660 km 地震波 不连续面性质以及俯冲板片能否穿过 660 km 不连续 面进入下地幔提供重要依据和约束. 本文在介绍中国地质大学(武汉)最近引进的 1000 吨多面砧压机(Rockland 1000 Ton Multi-Anvil Apparatus)20~24 GPa 压力标定基础上, 进行了橄榄 石 (Mg2SiO4) 和顽火辉石 (MgSiO3) 在地幔转换带底部 的相变实验研究 , 详细对比辉石高压相变与橄榄石 后尖晶石相变的差异及其对 660 km 地震波不连续面 位置和形态的影响.
摘要
橄榄石和辉石以及它们的高压相是地幔转换带主要矿物, 系统研究橄榄石和辉石
在转换带底部温度和压力条件下相变的差异是认识 660 km 地震不连续面位置和形态的关 键. 本文使用多面砧压机开展了橄榄石和顽火辉石在压力为 21.3~24.4 GPa, 温度为 1600℃ 的相变实验研究. 地幔转换带底部, 橄榄石和顽火辉石相变主要的差异在于钙钛矿出现的 压力不同. 在橄榄石体系中, 后尖晶石相分解发生在 23.8 GPa, 与 660 km 不连续面具有很 好的对应关系; 而在顽火辉石体系中, 钙钛矿出现的压力小于 23 GPa. 研究结果表明, 橄榄 石后尖晶石相变与辉石中钙钛矿的出现之间有约 0.5~1 GPa 压力差. 因此, 在受大洋俯冲带 影响地区(例如中国东部), 辉石体系中发生的秋本石(钛铁矿)-钙钛矿的相变能够合理解释 660 km 地震不连续面向上的起伏或分裂.
混合气体炉(Gas mixing furnace) 约 12 h 使之发生烧 结 (sintered), 然后淬火 . 重复上述 (2)~(3) 步骤至少 3 次 , 最后将烧结样品研磨至粒度 3~5 m, 储存在 100℃干燥箱中备用.
1.2
实验装置和分析方法
1
1.1
高温高压实验装置和分析方法
实验起始物质
中文引用格式: 英文引用格式:
2001). 因此, 橄榄石后尖晶石相变的确切温压条件、 相变克拉伯龙斜率(Clapeyron slope)、相变动力学机 制等相关研究对认识地球内部结构、物质组成、动力 学状态、地幔对流方式和尺度具有重要意义. 前人对 橄榄石后尖晶石相变进行了系统的研究和讨论 , 取 得以下认识 : (1) 林伍德石 ( 尖晶石 ) 可以与其分解产 物在 0.2 GPa 的压力区间中共存, 后尖晶石相变的压 力和温度与 660 km 地震波速不连续面是基本一致的. 尖晶石中 Fe 含量对相变压力影响不大, 实验获得的 相变压力的差异主要与压标选择有关(Shim 等, 2001; Katsura 等, 2003; Fei 等, 2004; Yu 等, 2007). (2) 橄榄
中国科学: 地球科学
2013 年
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第 12 期
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图1
川井式(Kawai)多面砧压机(a)、Walker 型压腔(b)和碳化钨二级压砧(c)工作原理图
图2
中国地质大学(武汉)1000 吨多面砧压机 8/3 样品装置示意图(a)和高温压力标定曲线(b)
三个压力标定点分别为 1400℃, 14.6 GPa 镁橄榄石(Ol)-瓦兹利石(Wd) (Akaogi 等, 1989; Katsura 等, 2004; Ishii 等, 2011); 1600℃, 22.3 GPa 秋 本石(Ak)-钙钛矿(Pv)(Hirose 等, 2001b); 1600℃, 23.8 GPa 林伍德石(Rw)-钙钛矿(Pv)+方镁矿(Per) (Ito 和 Takahashi, 1989; Yu 等, 2007). 空 心方块代表本次研究中 Ol 中出现瓦兹利石(Wd)同时 En 中出现秋本石(Ak), 表明在该点压力误差小于±0.2 GPa, 详见 3.1 节讨论
关键词 橄榄石 辉石 高压相变 660 km 不连续面 地幔转换带 中国东部
转换带是指深度范围为 410~660 km 的地幔区域. 高温高压实验研究表明, 沿正常的地幔地温曲线, 在 大约 410 km(14 GPa)处橄榄石转变为具更高密度和 波速的瓦兹利石 (Wadsleyite), 该相变标志着地幔转 换带的开始; 而在约 660 km 深度(23.5 GPa)处, 橄榄 石 高 压 相 林 伍 德 石 (Ringwoodite) 分 解 成 钙 钛 矿 (Perovskite, (Mg, Fe)SiO3)和镁方铁矿(Magnesiowüstite, (Mg, Fe)O)则标志着下地幔的开始. 所以, 林伍德石 分解为钙钛矿和铁方镁矿 ( 即后尖晶石相变 ) 被认为 是形成 660 km 地震波速不连续面的主要原因 (Liu, 1976; Ito 和 Takahashi, 1989; Irifune 等, 1998; Shim 等,
吴耀 *, 张艳飞 , 王雁宾 , 金振民 , 董树文
① ① ① ① ②
① 中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室, 武汉 430074; ② 中国地质科学研究院, 北京 100037 * E-mail: ywu@cug.edu.cn 收稿日期: 2013-03-08; 接受日期: 2013-06-08; 网络版发表日期: 2013-11-26 国家深部探测工程项目 (编号 : Sinoprobe-0801)和国家自然科学基金项目 (批准号 : 4117407, 41002068)资助