下地幔布里奇曼石与毛钙硅石混溶对大型剪切波低速省长期演化的动力学影响:二维数值模拟

布里奇曼石(bridgmanite)和毛钙硅石(davemaoite)是下地幔主要的端元矿物,是构成下地幔的重要基石.矿物物理学新的研究发现,在高温高压条件下这两种矿物可以发生混溶,因而可能改变下地幔的物理化学状态.本研究我们在二维地幔对流数值模型中以相变的方式模拟布里奇曼石和毛钙硅石混溶现象,讨论其对地幔热-化学结构(尤其是下地幔大型剪切波低速省)的长期动力学影响.模拟结果显示,布里奇曼石和毛钙硅石混溶更有利于下地幔大型剪切波低速省长期保存,并且这种稳定作用随大型剪切波低速省与周围地幔密度差减小而更加显著,而相变边界的克拉伯龙斜率则在长期演化过程中起次级作用.

下地幔温压条件下碳对（Mg,Fe）SiO3布里奇曼石的影响

利用激光加温金刚石对顶砧技术模拟下地幔温压条件(36~88 GPa,1850~2800 K),探索了碳与含铁的(Mg,Fe)SiO3布里奇曼石的相互作用过程。同步辐射X射线衍射实验表明,(Mg,Fe)SiO3布里奇曼石与碳在大于42 GPa、2000 K的温压条件下发生了氧化还原反应,即(Mg,Fe)SiO3布里奇曼石中的二价铁(Fe^2+)被单质碳还原成金属铁(Fe^0);而在较低的温压条件下,布里奇曼石中的Fe2+可以稳定存在。该结果表明,在下地幔深部的温压条件下,CCO缓冲的氧逸度值比IW缓冲更低,热力学计算结果也证实了这一结果。实验结果为地幔深部氧化还原条件的不均一性和局部极端还原状态的出现提供了解释。

布里奇曼石的晶体结构及物理性质

布里奇曼石(bridgmanite)是地球上最丰富的矿物,能够稳定存在于下地幔的极端高温高压环境中。布里奇曼石的晶格中有一定量的Fe和Al,这导致它的晶体结构复杂。化学成分的变化会引起结构的改变,进而对其密度、压缩性、电导率等物理性质产生影响。布里奇曼石的物理性质是理解下地幔动力学、地幔对流、弹性性质等的关键,并且为地震波速异常可能提供解释。