【摘 要】
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俯冲现象是现代地球最重要的地球物理过程之一,在地球的板块运动、热演化、元素循环和动力学过程中扮演着关键的角色。作为俯冲板块主要的组成部分,地壳在俯冲带会被运输并进入地幔深部。由于地壳与地幔有着迥乎不同的化学成分,因此制约俯冲地壳的矿物组成和弹性性质对我们理解俯冲板块和地球深部的物理化学作用是至关重要的。本文通过第一性原理计算俯冲地壳三类重要的组成矿物——钙铝榴石、赛石英、利伯曼石及K-hollan
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俯冲现象是现代地球最重要的地球物理过程之一,在地球的板块运动、热演化、元素循环和动力学过程中扮演着关键的角色。作为俯冲板块主要的组成部分,地壳在俯冲带会被运输并进入地幔深部。由于地壳与地幔有着迥乎不同的化学成分,因此制约俯冲地壳的矿物组成和弹性性质对我们理解俯冲板块和地球深部的物理化学作用是至关重要的。本文通过第一性原理计算俯冲地壳三类重要的组成矿物——钙铝榴石、赛石英、利伯曼石及K-hollanditeⅡ相——在高温高压条件下的相界、热力学和热弹性性质,去约束俯冲地壳的密度和波速特征与地球物理观测的联系。石榴子石不仅是上地幔和地幔过渡带的重要组成部分,在俯冲洋壳中也可以占据90%以上的矿物比例。因此,我们首先探究了在高温高压条件下钙铝榴石的热力学和弹性性质。不同于实验测量线性的温度压力依赖关系,计算的钙铝榴石的弹性模量特别是剪切模量有着不可忽略的二阶温度压力偏导。相比于其他石榴子石端元,钙铝榴石的体模量与镁铝榴石和铁铝榴石相近,但剪切模量明显大于镁铝榴石和铁铝榴石。如果不考虑铁的影响,在主要的上地幔矿物中钙铝榴石有着在上地幔温度压力条件下最大的密度和波速。结合上地幔主要矿物的高温高压弹性数据,我们估算了沿不同地幔温度曲线的地幔岩和榴辉岩成分的密度和波速分布。我们发现地幔岩沿着正常地温曲线可以很好产生地震参考模型的密度和波速,支持地幔岩质的上地幔。尽管俯冲洋壳在300 km以上有着与参考模型非常接近的波速,但它远重于周围地幔。然而,沿着冷的地温曲线的俯冲洋壳有着比地幔岩成分更快的波速,意味着俯冲带存在的榴辉岩会产生正的波速异常。尽管榴辉岩和地幔岩在上地幔底部的波速差异主要来源于组成矿物的巨大差异,但来源于石榴子石的不同化学成分的贡献是不可忽略的。此外,在地幔过渡带条件下,钙铝榴石分解为刚玉和毛钙硅石会产生相当大的波速和密度跳变,为地震学观测到的660 km附近多重不连续面提供一种可能的解释。接着,我们聚焦于下地幔底部俯冲洋壳中的赛石英。相比于广义梯度近似,局域密度近似可以很好预测在高温高压条件下赛石英的状态方程,弹性模量和地震波波速。在主要的下地幔矿物中,二氧化硅有着下地幔深部条件下最大的地震波速度。此外,赛石英有着与后钙钛矿相匹配的弹性各向异性,可能对D"层的地震各向异性有很大的贡献。另一方面,基于局域密度近似计算的斯石英与CaCl2型石英的相界与实验具有非常好的一致性。对于CaCl2型石英到赛石英的转换,我们的结果表明其大约发生在D"层上方100-200 km,并会伴随着-2.4%的剪切波速Vs跳变。考虑俯冲洋壳中一定量的铝,赛石英的相变可以产生强波速梯度D"层上方的低波速层。结合下地幔主要矿物的高温高压弹性数据,我们也估算了俯冲洋壳在下地幔底部的密度和波速特征。沿着正常地温曲线,俯冲洋壳有着比参考地震模型更高的地震波波速和速度梯度,赛石英和后钙钛矿的相变则会分别产生负的和正的剪切波速变化。即使采用了毛钙硅石具有争议的低波速数据,依然无法用俯冲洋壳去解释大型低剪切波速省的低纵波波速。此外,核幔边界的超高速结构的主要成分可能是来源于地核的二氧化硅,并且这些自由的二氧化硅会为附近的低波速层提供了额外的赛石英供给。最后,我们研究了俯冲陆壳中的利伯曼石和K-hollanditeⅡ相的高温高压弹性性质。由于剪切模量的高压失稳,利伯曼石的波速曲线可以分为两个区域:在相对低压条件,VP和Vs对温度的影响不敏感;而在相对高压条件,VP和Vs则有着异常的正的温度和负的压强依赖关系。相对地,K-hollanditeⅡ相有着常规的温度压力依赖关系:VP和Vs随压力的上升而上升,温度的上升而下降。根据晶胞弹性稳定标准和实验测量,利伯曼石到K-hollandite Ⅱ的相变发生在650-700 km的深度,并伴随着+30%-40%的剪切波速跳变。在相界附近异常的波速软化和强烈的各向异性提供了下地幔顶部观测到的低速异常体和地震各向异性一种可能的解释。基于修正的俯冲陆壳的矿物相图,我们估算了沿不同地温曲线的俯冲陆壳在270-900km深度下的密度和波速分布曲线。在柯石英到斯石英的相变后,俯冲陆壳在上地幔和地幔过渡带有着远高于地震参考模型的密度和波速。换句话说,少量的俯冲陆壳就可以在地球内部产生相当大的地震波波速异常。此外,由于利伯曼石的相变,俯冲陆壳在过渡带底部有着异常的深度和温度依赖关系。虽然俯冲陆壳在下地幔深部会产生比参考地震模型更高的地震波波速,但较低的密度预示着俯冲陆壳更可能会停滞在地幔过渡带的底部。
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