连接地表和地球内部的桥梁 —— 俯冲板片
石头科普工作室2023-01-01 18:52
众所周知，地球作为一个较为特殊的在太阳系内唯一拥有板块构造运动的行星，板块构造运动一直是科学家们研究的重点以及难点。板块构造运动的主要驱动力是岩浆活动，地球内部的物质可以通过岩浆活动喷出地表。那么有没有办法可以让地表物质能够进入地球内部呢？
板块构造运动为物质进入到地球内部提供了一座桥梁，在一些板块运动的边界处，由于挤压和重力作用部分板片能够向地球内部运动，科学家们称这样的板片为俯冲板片。
俯冲板片可以将近地表物质输送到地壳以下甚至是 1000 km 以下的地方。那么当俯冲板片进入到地球内部后又有怎样的组成和性质呢。
首先我们对俯冲板片进行一个简单的介绍。俯冲板片主要可以分成五层，从上到下分别是沉积物层、玄武岩层、方辉橄榄岩层、二辉橄榄岩层以及亏损地幔层。
我们可以看到俯冲板片每一层具有不同的成分，下面 3 层的主要成分和地幔成分几乎一样，主要成分为橄榄石，单斜辉石和斜方辉石。今天我们主要介绍一下斜方辉石。
斜方辉石 (空间群 Pbca) 是地幔中的主要组成矿物，随着温度和压强的升高，斜方辉石类矿物会发生复杂的相变。室温下，斜方辉石随着压强的升高会经历多个相变，并且以往研究认为斜方辉石中的 Fe 含量不同会使其相界发生变化。除纯铁端元之外的不同 Fe 含量的斜方辉石由正交结构 (空间群 Pbca) 转换为单斜结构 (空间群 P21/c) 的相变压力为 10-14 GPa，压强继续升高后在 25-30 GPa 会发生第二个相变 (Dera et al., 2013)。斜方辉石本身具有硅离子四面体对称的性质，在一定的压力下相变后配位数的增加会让对称方式发生变化，从而导致其结构和性质的变化。Fe2+ 等过渡金属离子对贫钙辉石体系的相变压力和高压相结构具有强烈的影响。
因此我们选取了含一定量 Fe 的斜方辉石进行了高压实验，由金刚石对样品腔施加力，在很小的台面 (直径 400 μm，压强 P=F / S，一般 400 μm 的金刚石我们可以做到 40 GPa，有兴趣的同学可以算一算需要多少压力) 下进行实验获得很高的压强。下面是我们实验的示意图以及在美国先进光源阿贡国家实验室进行实验的样品图，包括 2 个样品，传压介质氩气，压力标定物质铂以及红宝石。
通过金刚石对顶砧增大压力并结合同步辐射装置获得样品的衍射信号，我们发现斜方辉石在 15 GPa 发生了相变，由斜方结构相变成单斜结构。
那么这么一个相变在地球内部又在哪能够发生呢？通过斜方辉石在高温高压下的相图我们可以看到，由于该相变只能在低温下发生，只有一些低温的俯冲板片才具备该相变发生的条件。
并且我们通过布里渊散射 (下图，布里渊散射光学平台) 获得了斜方辉石在高压条件下的波速变化，可以看出随着压力增大纵波和横波波速都发生一定的软化。
通过以上获得的实验数据并结合热力学参数，我们有效约束了斜方辉石在俯冲板片内部条件下的波速特征，并且与相关地震学观测得到的俯冲板片内部低速楔进行对比 (下图灰线代表只考虑亚稳态橄榄石的低速楔，红线代表加入了斜方辉石的低速楔，当加入斜方辉石后与地震学观测更加一致)。
最终我们认为：俯冲板片内部的低速楔不仅仅是由亚稳态橄榄石组成，而是由亚稳态橄榄石和斜方辉石共同组成，更新了对俯冲板片内部低波速异常区域的认识。
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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这篇论文以“Elastic anomalies across the α-β phase transition in orthopyroxene: Implication for the metastable wedge in the cold subduction slab”为题，发表于地球科学领域国际著名学术期刊 Geophysical Research Letters。通讯作者为中国科学技术大学地球和空间科学学院毛竹教授，第一作者为博士研究生李络。共同作者包括特任副研究员孙宁宇，施伟刚博士，于英鑫硕士，美国德克萨斯大学奥斯汀分校林俊孚教授以及张彦垚博士。相关实验在中国科学技术大学高温高压矿物学实验室、上海同步辐射光源，美国先进光源阿贡国家实验室完成。本工作受到中科院战略先导 B 项目 (Grant No. XDB41000000)，国家自然科学基金 (Grant No. 41590621) 以及中央高校基本科研业务费 (Grant No. WK2080000144) 资助。
本文来自微信公众号：石头科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：李络，撰稿：李络，美编：刘俞伶
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