張 苑,舒良樹

(南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210093)

21世紀實驗巖石學(xué)的重大突破
——核幔邊界 D″層研究

張 苑,舒良樹

(南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210093)

地球核幔邊界即D″層的礦物成分一直以來都被認為是MgSiO3鈣鈦礦。隨著高溫高壓實驗技術(shù)的不斷提高,各國學(xué)者對該層物質(zhì)成分的認識也在不斷深化。近年,日本學(xué)者通過實驗,率先合成了一種新的高溫高壓礦物,即MgSiO3后鈣鈦礦,并認為后鈣鈦礦物相是核幔邊界的主要特征。這項重大成果解決了長期困擾學(xué)術(shù)界的 D″層地震波各向異性成因問題,揭示了地震波不連貫性的本質(zhì)原因。該項成果被譽為 21世紀實驗巖石學(xué)的重大突破,對人們深入探索地球深部的奧秘具有重大理論價值。隨著對地球核幔邊界認識的繼續(xù)深入,有可能解決巖石圈板塊運動的本質(zhì)原因以及地磁場成因機制等重大問題。

核幔邊界 D″層;后鈣鈦礦;重大突破;實驗巖石學(xué);研究展望

0 引言

地球近似一個旋轉(zhuǎn)橢球體。其赤道半徑是6 378.160km,兩極半徑是 6 356.755km,長短半徑差為 21.405km。按照物質(zhì)成分、物理性狀及其邊界,一般將地球分為地殼、地幔、地核三大層圈。

地幔和地核的分界位于地下2 900km深度,也被稱為D″層。該層的研究屬于地學(xué)以及物理學(xué)的前沿領(lǐng)域,該層面的結(jié)構(gòu)與組分對地磁場的起源有著重要影響,并在一定程度上影響著地表的盆山形貌。目前,對該層的成因機制存在諸多不同認識。比較流行的是動力學(xué)和地震學(xué)的綜合模型。該項研究結(jié)果顯示,D″層的中部連續(xù)性較好,很可能是地幔中礦物的相變之產(chǎn)物。該模型還提出了一個重要認識,認為在核幔邊界之上約 150km處,存在一個約 1%的剪切波不連續(xù)范圍。該模型的缺陷是不能合理解釋壓縮波速率的不連續(xù)性以及密度等問題。因而,綜合模型雖然看起來很有吸引力,但未能發(fā)現(xiàn)一個適宜的礦物相變卻是該模型的最大缺陷。

最近幾年,美、德、日等國學(xué)者都對 D"層進行了深入的研究,相繼證實核幔邊界存在MgSiO3鈣鈦礦的事實。MgS iO3鈣鈦礦是具有 CaTiO3結(jié)構(gòu)的Mg-SiO3礦物,MgS iO3鈣鈦礦中并不含有 CaTiO3,其成分同輝石,它是下地幔高壓條件下氧原子緊密結(jié)合的產(chǎn)物,是下地幔的主要組成成分。文中將其稱之為鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)MgS iO3,亦可簡縮稱之為MgSiO3鈣鈦礦。最重大的成果出現(xiàn)在 2004年。Motohiko Murakami等通過高溫高壓實驗,證實了在 D″層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)MgSiO3向后鈣鈦礦結(jié)構(gòu)MgS iO3的轉(zhuǎn)變,最早提出了鈣鈦礦物相朝后鈣鈦礦物相轉(zhuǎn)變的物理條件,并認為后鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)MgSiO3是以堆疊的 SiO6八面體層狀結(jié)構(gòu)形式存在于 D″層中的。同期,其他學(xué)者也得出了相同的結(jié)論,并認為這種礦物相變是導(dǎo)致D″層地震波各向異性以及該層頂部強烈波狀剪切波不連續(xù)的主要原因。一些學(xué)者通過實驗進一步發(fā)現(xiàn),在 98GPa的條件下,后鈣鈦礦物相能夠穩(wěn)定存在,并認為這可能就是地震波的各向異性和不連續(xù)的主要原因。

美、德、日等國的學(xué)者們都通過在實驗室中對MgSiO3進行 X射線衍射測量,不謀而合地證實了高壓、高溫環(huán)境下核幔邊界后鈣鈦礦物相的轉(zhuǎn)變。但由于日本學(xué)者搶先發(fā)表,故該重大成果瓜落日島。

1 研究思路、樣品選擇、實驗儀器、實驗過程

中再次出現(xiàn),且與第一輪中出現(xiàn)的情況一樣。之后,將樣品緩緩減壓至室溫條件下的 97MPa。從 XRD圖譜可見,新的峰值在減壓后仍能清楚地分辨出來。然后,將壓力保持在 89GPa到 101GPa范圍,在10min內(nèi),將溫度由2 000K升到2 200K。此時可以看到,新的峰值消失了,衍射圖譜又變回到只有Pbnm鈣鈦礦和鉑金的組分狀態(tài)。

1.1 研究思路

各國學(xué)者早就試圖通過實驗室高溫、高壓條件模擬核幔邊界的溫壓環(huán)境,并由此合成新的礦物(即后鈣鈦礦相MgSiO3),并試圖通過模擬獲取能使核幔邊界MgSiO3后鈣鈦礦得以穩(wěn)定的溫壓條件,藉此詮釋該礦物相在核幔邊界存在的必然性。

1.2 實驗樣品與儀器

日本學(xué)者用作實驗的樣品是以MgS iO3凝膠體為初始原料,將其與定量的鉑金粉混合。鉑金粉具有吸收激光以及穩(wěn)定標(biāo)準內(nèi)壓力的作用。實驗所需的高溫、高壓通過 LHDAC(同步輻射激光加溫器)來生成,并通過 Spring-8(高能量同步輻射裝置)的BL10XU(光速線測高壓構(gòu)造物性儀)收集角散 X射線衍射圖譜,溫度則通過能譜放射量測定方法獲得。

將混合好的樣品載入儀器中,通過多方式集中的連貫波實現(xiàn)加熱。采用釔鋁石榴石激光器的雙向加熱技術(shù),縮小樣品中光線和軸向的溫度梯度。

1.3 實驗過程

在實驗的第一階段,將混合好的樣品在常溫下加壓至 124GPa。之后,在 105GPa到 114GPa的11min時間內(nèi),又將溫度從2 250K加熱到2 300K。從 XRD圖譜可見,在 2min內(nèi),八面體鈣鈦礦的衍射線峰值開始出現(xiàn),并且不被之后的加熱所改變。接著,將該樣品在常溫下加壓到 127GPa。當(dāng)壓力從127GPa升到 134GPa時,再次將溫度從2 500K加熱到2 600K。這個階段共耗時 70min。其中,在 9min時間段內(nèi),出現(xiàn)了 11個新的峰值。這些增長的新峰值以及鈣鈦礦的峰值,在其后的加熱中將逐漸變?nèi)酢?/p>

在實驗的第二階段,鈣鈦礦首先從非晶質(zhì)的初始原料中合成。在壓力從 69GPa升高到 73GPa的15min時間內(nèi),將溫度從1 700K加熱到1 970K。接著,在常溫下將樣品加壓至 122GPa。在壓力從128GPa升高到 129GPa時,又將溫度從2 200K加熱至2 300K。在既定的壓力負荷條件下,在 120min時間內(nèi),間斷地開關(guān)鐳射快門,導(dǎo)致新的峰值在衍射圖

2 實驗結(jié)果與解釋

2.1 實驗結(jié)果

實驗中出現(xiàn)了若干新的衍射線峰值。這些峰值既不同于MgO的離解產(chǎn)物峰值,也不同于 SiO2的高壓相異形體的峰值。由此判定,MgSiO3(鈣鈦礦相)在此條件下已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新的高壓礦物。為了表述這種新礦物的晶體結(jié)構(gòu),利用分子動力學(xué)輔助晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計,將單位晶格先隨機置放在不同位置,然后不斷計算并校正原子位置,直至晶體結(jié)構(gòu)與晶體化學(xué)性質(zhì)、與 XRD圖譜一致。最后獲得一種新的高溫、高壓礦物,即 MgSiO3后鈣鈦礦。

①這種新的硅酸鎂同質(zhì)異象體具有六倍的硅和八倍的鎂,Mg原子居中,SiO3八面體互相共棱,緊密堆疊,形成一種成片狀的八面體鏈的結(jié)構(gòu)。該八面體鏈結(jié)構(gòu)與金紅石的結(jié)構(gòu)基本相同。

②在MgSiO3后鈣鈦礦中,各個八面體晶格之間均彼此共用邊緣,從而形成一系列晶格鏈,而這些共享八面體的晶格鏈通過轉(zhuǎn)角,可形成平坦的板片狀構(gòu)造 (圖 1)。而在鈣鈦礦礦物相中,八面體是彼此共享轉(zhuǎn)角的,因此,最終必將形成一個三維的八面體晶格網(wǎng)絡(luò),而并非像后鈣鈦礦物相中的片狀堆垛。

2.2 后鈣鈦礦礦物相的解釋

圖1 后鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)

③MgS iO3后鈣鈦礦礦物相的平均硅氧距要比鈣鈦礦礦物相的平均硅氧距長一些。后鈣鈦礦礦物相的平均鎂氧距則比鈣鈦礦礦物相的要短。鎂氧多面體的縮小以及彼此共享氧化硅八面體的邊緣,導(dǎo)致從鈣鈦礦礦物相到后鈣鈦礦礦物相,其體積減小而密度增加。

④由于八面體晶格的片狀堆垛,MgSiO3后鈣鈦礦礦物相形成了平行于 (010)的板片狀結(jié)構(gòu)層。這種結(jié)構(gòu)層,必然與后鈣鈦礦礦物相巖漿流體的滑移面平行。因此,作為 D″層的基本物質(zhì)組成,后鈣鈦礦礦物相可以很好地解釋發(fā)生在地球深部 D″層的地震各向異性。

⑤實驗表明,Na、K、U、Th等雜質(zhì)也能夠在后鈣鈦礦礦物相中穩(wěn)定存在。

3 研究意義與展望

在 D″層中存在MgSiO3后鈣鈦礦這一礦物相,可以解釋許多先前不能解釋的問題。例如,地震波的不連貫性以及各向異性,等等。此外,該項研究成果充分證明,在 D″層,雖然其化學(xué)成分與其他層位并無顯著差異,但其礦物成分卻與其他層位明顯不同,即 D″層是由MgSiO3后鈣鈦礦組成的,MgSiO3后鈣鈦礦相在 D″層中性狀非常穩(wěn)定。這一新成果的取得,對人們深入開展地球內(nèi)部成分以及結(jié)構(gòu)的研究具有重要的意義。

最近,已經(jīng)有許多學(xué)者根據(jù)該項研究成果做了進一步的研究。例如,MgSiO3后鈣鈦礦的彈性、導(dǎo)電性等方面的研究,收獲頗豐。另一方面,也應(yīng)該指出,迄今為止的大多數(shù)研究仍專注于對該礦物本身性質(zhì)的研究、以及該礦物對核幔邊界某些特性的影響等方面。至于這種礦物相變對地磁場有何影響、對板塊構(gòu)造的運動有何影響、對地表盆山形貌有何影響,則涉及甚少。

4 結(jié) 語

①構(gòu)成D″層的主要礦物是后鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Mg-SiO3,即 MgSiO3后鈣鈦礦 ,Na、K、U、Th等雜質(zhì)也能在后鈣鈦礦礦物相中穩(wěn)定存在。②MgS iO3后鈣鈦礦成分同輝石,但體積比輝石小而密度比輝石大,結(jié)構(gòu)同后鈣鈦礦,由 S iO3八面體晶格以及 Mg原子組成,S iO3八面體晶格之間共棱,從而形成鏈式構(gòu)造,這些鏈通過八面體的轉(zhuǎn)角形成平坦的板片構(gòu)造。MgS iO3鈣鈦礦則成分雖然相同,但 SiO3八面體是彼此共享轉(zhuǎn)角的,形成的是一個三維的八面體晶格網(wǎng)絡(luò)。③MgSiO3后鈣鈦礦礦物相的存在可以合理解釋核幔邊界地震波的不連貫性、各向異性等。今后的研究趨向是,穩(wěn)定存在于核幔邊界的后鈣鈦礦物質(zhì)層對地球的磁場、對巖石圈板塊運動、對地表形貌等有何重大的影響。

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On research achievements in Earth'sD″layer in core-mantle boundary：an important breakthrough in 21stexperimental petrology

(School of Earth Sciences and Engineering,NanjingUniversity,Nanjing 210093,China)

ZHANG Yuan,SHU L iang-shu

The mineral composition in layerD″of core-mantle boundarywas always thought asMgSiO3perovskite.Alongwith the improvement of experimental technologyof high temperature and high pressure,the knowledge about the substance composition of layerD″was deepened successively.In recent years,through experiment,the Japanese scholars composed a new kind ofmineralwith high temperature and high pressure thatwasMgSiO3post-perovskite and regarded the post-perovskite mineral phase as the major properties of core-mantle boundary.This important achievement solved the genetic problem of seismicwave anisotropic property ofD″layer thatpuzzled the academia for a long term,exposed the essential reason of seis mic wave inconsistency.

D″layer in core-mantle boundary;Post-perovskite; Important breakthrough;Experimental petrology;Research prospect

P58

A

1674-3636(2010)02-0113-04

2009-10-22;

2009-12-02;編輯：詹庚申

國家自然科學(xué)基金項目(40634022,40972132),礦床研究國家重點實驗室項目(2008-I-01)

張苑(1986—),女,碩士研究生,構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè).

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.02.113