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下地幔及D”层矿物结构水的理论计算研究取得进展

时间:2020-10-15 19:32 来源:未知 作者:admin

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  D”层是一个极其复杂的区域,其中存在着强烈的地震各向异性、波速不连续、强烈起伏变化的边界以及大范围低剪切波速省(LLSVPs)等地质现象。D”层边界和地震波速异常等特征受到Al, Fe以及挥发分的显著影响。下地幔中挥发分H的存在为解释地幔中的特殊现象带来了新的思路。H主要以结构水的形式存在于地幔矿物晶格中。上地幔及转换带名义上无水矿物晶格中所含的结构水(OH-)对矿物的物理化学性质影响已经被广泛报道,但是下地幔中的含水性却存在较大争议。

  (Mg,Fe)SiO3矿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。矿物晶格中Si位取代机制中,当三价铁和0.55wt.%的氢共存时,模拟计算得到的布里奇曼石和后钙钛矿的剪切波速异常分别为-2.9%和-3.1%,这与地震观测到的LLSVPs的波速异常的平均值十分吻合,显示了Mg(Si1-xFex)O3Hx很可能是LLSVPs中的主要矿物。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位时,后钙钛矿的相变界面往高压方向移动,而Si位上的OH则使得相变界面往低压方向移动,这可能是造成D”层边界强烈起伏变化的原因之一。

  图:含水机制对后钙钛矿相变的修正(上),以及对LLSVPs剪切波异常的贡献(下)

  下地幔底部D”层是一个极其复杂的区域,其中存在着强烈的地震各向异性、波速不连续、强烈起伏变化的边界以及大范围低剪切波速省(LLSVPs)等地质现象。D”层边界和地震波速异常等特征受到Al, Fe以及挥发分的显著影响。下地幔中挥发分H的存在为解释地幔中的特殊现象带来了新的思路。H主要以结构水的形式存在于地幔矿物晶格中。上地幔及转换带名义上无水矿物晶格中所含的结构水(OH-)对矿物的物理化学性质影响已经被广泛报道,但是下地幔中的含水性却存在较大争议。

  中国科学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、研究员张飞武,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,以及结构水对矿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矿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。矿物晶格中Si位取代机制中,当三价铁和0.55wt.%的氢共存时,模拟计算得到的布里奇曼石和后钙钛矿的剪切波速异常分别为-2.9%和-3.1%,这与地震观测到的LLSVPs的波速异常的平均值十分吻合,显示了Mg(Si1-xFex)O3Hx很可能是LLSVPs中的主要矿物。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位时,后钙钛矿的相变界面往高压方向移动,而Si位上的OH则使得相变界面往低压方向移动,这可能是造成D”层边界强烈起伏变化的原因之一。

  上述研究成果发表在国际地学期刊Earth and Planetary Science Letters上。

  图:含水机制对后钙钛矿相变的修正(上),以及对LLSVPs剪切波异常的贡献(下)

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