地幔条件下斜方辉石高压相的弹性性质:对X不连续面成因的启示

位于深度250~350km的X不连续面具有2~8%的波阻抗跳变和较弱的深度-温度相关性,其成因尚未完全清楚.在各种可能机制中,柯石英-斯石英相变由于具有大的波阻抗跳变逐渐成为一种主流的机制.然而,单一的柯石英-斯石英相变不足以解释X不连续面深度-温度的弱相关性特征.而斜方辉石(OPX)到其高压相(HPCPX)的相变对应的波阻抗差较小,因此在近期的多个地震学研究中均将其排除在备选机制之外.但这个小的波阻抗差是基于Birch定律的一阶估计,并非来自直接的声波测量.文章用第一性原理计算获得了纯镁端元的斜方辉石高压相在高温高压下的弹性性质.结果表明,OPX-HPCPX相变会造成5.7%的P波波阻抗跳变和6.9%的S波波阻抗跳变,远大于之前的经验估计,因此OPX-HPCPX相变机制不可忽略.在热或湿的区域榴辉岩可能发生部分熔融从而产生富硅熔体,这将消耗二氧化硅并促进OPX的富集,由此提出柯石英-斯石英相变和OPX-HPCPX相变可能都是X不连续面的主要机制,前者在榴辉岩难以熔融的区域占主导地位,后者在榴辉岩发生部分熔融的区域占主导地位.该模型与地震学观测一致,表明OPX-HPCPX相变在X不连续面成因中的重要作用以及榴辉岩部分熔融的广泛发生.文章提出的X不连续面的成因机制为认识地球深部榴辉岩的熔融状态提供了一种新的可能途径.

高温高压下辉石弹性及相变研究进展

辉石(pyroxene)是地壳中重要的造岩矿物,同时也是上地幔中除橄榄石以外含量最多的矿物,对其弹性及相变的研究有助于更好的理解壳幔的物质组成、地震波速异常及动力学过程等.高温高压实验和理论模拟计算是目前探测地球深部物质物性的两种最有效的间接方法,因此本文在介绍了辉石矿物学特征的基础上,从实验和计算两个方面论述了近十几年来国内外学者对辉石的弹性及相变的研究进展,然后探讨了辉石相变与上地幔X不连续面的关系,最后指出了目前的研究存在的问题以及未来的研究展望.