2022首篇Nature:北京高压科学研究中心揭开上-下地幔边界塌陷之谜

北京日期:2022-01-07 01:06


上-下地幔边界在正常区域位于地表以下660公里的深度,而在有冷的俯冲板块物质扰动的区域,上-下地幔边界会严重塌陷,可以延伸至板片底部~740公里深度。对于此边界塌陷的成因一直存在很大的争议。近日,北京高压科学研究中心的Takayuki Ishii研究员与德国同步辐射光源DESY& 拜罗伊特大学的Artem Chanyshev博士合作完成的最新研究发现上-下地幔边界的显著塌陷是由秋本石到布里奇曼石的相变导致。该研究澄清了长达多年的关于上-下地幔边界塌陷的争议。另外,他们提出~660公里的普遍发现的俯冲板块的停滞现象也可以用秋本石到布里奇曼石相变产生的巨大的浮力来解释。相关工作以“Depressed 660-km discontinuity caused by akimotoite-bridgmanite transition”为题于2022年1月6日发表于顶尖科学杂志Nature 上。

地震波在地球内部的传播速度一般随深度连续增加,但是在地球内部某些深度显示出突然变化,这种地震波速发生突然变化界面叫做地震波不连续面。整个地球范围内,660公里深度附近的地震波速度均急剧增大,基于此,地幔被划分为上、下地幔。660公里的不连续面是地幔中最重要的结构边界之一,其作为上、下地幔的分界面,在地幔动力学演化过程中起着至关重要的作用,它决定了俯冲板块是滞留在转换带还是直接穿透到下地幔。地震观测显示,较冷的俯冲板块(比如汤加俯冲带),660公里地震不连续面出现明显的下沉,深度可达~740公里。不仅如此,在此区域670公里的深度也观测到地震波不连续面,表明冷的俯冲板块在660公里的不连续面也发生了分裂。

前人对于660公里深度上-下地幔边界的严重塌陷普遍的解释是由林伍德石在660公里处分解为布里奇曼石和铁方镁石所致。但是由于俯冲板片不连续面的复杂性以及不同报道中温度,压力的差异,对此解释一直存在很大的争议。



图释:俯冲带660公里附近的构造

“660公里附近不仅有地幔主要矿物林伍德石的后尖晶石相变,少量的石榴石和秋本石也会在此深度转变为布里奇曼石。而且,冷俯冲板块条件下,秋本石的可以稳定存在,因此我们推测秋本石的相关相变可能与冷俯冲板块区域上-下地幔边界的塌陷有关。”Ishii研究员解释。

在本研究中,Ishii研究员带领的研究团队使用自主研发的多面顶压机技术结合同步辐射X射线衍射技术准确确定了MgO-SiO2体系(林伍德石,秋本石,布里奇曼石的主要成份)在1250-2085 K温度范围内林伍德石的分解和秋本石−布里奇曼石相变边界。

他们发现几乎在660公里的深度范围内,林伍德石到布里奇曼石+方镁石的分解反应边界对于温度表现出非常平缓的变化,尤其在低温区,分解边界梯度几乎为零。因此,林伍德石到布里奇曼石+方镁石的分解反应深度与地幔平均温度下的660公里的不连续面深度一致。与此相对,他们发现秋本石到布里奇曼石的相变边界曲线大幅度向下弯曲,在低温下会变成负斜率陡坡—对应明显温度-压力相变关系,也就是说,温度越低,相变压力越高(深度越深)。因此,在俯冲物质扰动的低温区,林伍德石首先分解为秋本石和方镁石,秋本石再在高压(更深处)下转变为布里奇曼石。地震波所观测到的俯冲板块670公里的不连续面正好对应林伍德石的分解(林伍德石−秋本石+方镁石)。以上两个相变导致了670和740公里深度的双重地震不连续面。


图释:林伍德石-秋本石+方镁石的分解及秋本石-布里奇曼石相变(绿线),和林伍德石-布里奇曼石+方镁石分解相变(紫线)边界。

“之前对于不连续面解释的存在争议主要原因之一是相边界数据的不确定性。首先是压力标定的不准确性以及未考虑相平衡问题而引起对相稳定性确定不够准确。相对于先前的研究,我们自主研发的多面顶压机技术可以将压力测量的误差降低到以往的2-4倍。另外,我们严格遵守相平衡的定义,通过正、反方向,在固定压力和温度下判断共存的低压相和高压相衍射峰强度的相对变化来确定相的稳定性。这种方法能够帮助消除相变动力学效应,从而可以获得相对之前研究更准确的矿物的相边界。而之前的研究中基本都未考虑上述因素,因此之前报道的许多矿物的相变边界有待进一步修正。”Ishii研究院补充解释。

另外本研究指出:~660公里冷的俯冲板块的停滞现象也可能与秋本石-布里奇曼石的相变相关。陡峭的负的相边界会使得俯冲板块冷区的相变由于温度的降低而深度大幅度变深,而~660公里处周围地幔的温度较高,相变正常发生,导致周围地幔密度增加,使得俯冲板块冷区的相对密度变小而不能穿透下地幔,因此停滞在~660公里的深度。

文章链接:https://doi.org/10.1038/s41586-021-04157-z

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