地球相较于太阳系内其他星球,具有独一无二的板块运动。而地表的板块运动与地球内部活动息息相关。随着古老大洋板块的下沉以及地球内部热物质的上涌,在地球内部形成对流,联系着地表与地球内部的物质交换和循环。俯冲板片提供了板块运动主要的驱动力,也是将地表物质带入地球深部的主要载体。俯冲洋壳作为俯冲板片的重要组成部分,与正常地幔相比,具有独特的矿物组成,是地球内部物质成分不均一性的主要来源。此外,在洋中脊处,强烈的热液蚀变作用会造成俯冲洋壳中水和碳等挥发分元素的富集。随着俯冲板片的下沉,由于压力和温度的升高从而引发板片脱水/脱碳,水和碳的进入会改变地球内部的元素分配,影响俯冲带和周围地幔的成分和氧化还原状态,造成地球物理观测异常。本文聚焦于洋壳组成矿物在地幔相应温度压力条件下的高压物性,重点研究了下沉俯冲板块与上覆地幔楔相互作用引起的组分和氧化还原状态变化对地幔速度结构的影响。本文利用布里渊散射和同步辐射X射线衍射技术在高温高压条件下原位测量了石榴子石的单晶弹性性质。石榴子石是洋壳在过渡带最主要的组成矿物,占洋壳总体积的90%,并且是上地幔和过渡带Fe3+的主要载体。然而关于含Fe3+石榴子石组分在高温高压条件下的单晶弹性结果比较匮乏。本文利用外加热型金刚石对顶砧获得了含 Fe3+钙铝榴石（Ca3.00Mg0.07Al1.77Fe3+0.13Ti0.02Si3.01O12）在 0-22 GPa,300-1000 K范围的单晶弹性模量。实验结果表明,含Fe3+钙铝榴石各项弹性模量均随着压力呈线性增加,而随着温度升高而降低。在钙铝-钙铁二元体系内,钙铝榴石的弹性模量和速度均随着Fe3+含量的增加而降低,而密度随着Fe3+含量的增加而增大。同时,由于石榴子石化学组分复杂,具有多种类质同象端元组分,本文还总结了镁铝-铁铝榴石以及镁铝-超硅石榴子石二元体系内石榴子石弹性、密度和速度随成分的变化规律,获得了不同阳离子取代对石榴子石各项弹性参数、密度和速度的影响,该研究结果对了解地幔中石榴子石的速度分布具有重要意义。上述实验资料的获得,也为进一步厘清俯冲带520 km不连续面分裂的形成机制以及地幔过渡带底部低速区的成因奠定了基础。基于SS前驱波和接收函数方法,地震学在全球主要的俯冲带和热柱区域均观测到520 km速度不连续面分裂的现象,即在500 km和560km发现了两条速度不连续面。后一个速度不连续面被认为与毛钙硅石的出溶相关,但由于最新实验结果表明毛钙硅石的横波速度（Vs）比之前认为的低,导致前人高估了毛钙硅石出溶产生的阻抗跃变（IPP和Iss）,因此560 km界面的成因尚不明确。利用新的实验数据以及分析总结的石榴子石弹性和密度随成分的变化规律,本文系综合分析了成分、温度和氧化还原状态等因素对毛钙硅石出溶产生的IPP和Iss的影响。模型结果表明560 km界面的成因与地球内部碳循环息息相关。只有在俯冲洋壳极其富Ca的条件下,使560 km深度出溶的毛钙硅石的含量达到13-25 vol.%,所造成的Iss才能满足2-4%的地震学观测。碳酸盐化的蚀变洋壳含有丰富碳酸钙（CaCO3）,CaCO3与石榴子石之间的氧化还原反应可以为洋壳提供富Ca的条件。而随着地幔上升流返回到过渡带深度的古老且被氧化的俯冲洋壳,则可以解释地幔热柱区域下方560 km的速度不连续面。此外,地震学在过渡带底部570-600 km深度还观测到一系列不同尺度的低速异常,引起近2-7.4%横波速度（Vs）的降低。观测到的低速区可能与地球内部的水或过渡带底部堆积的俯冲洋壳相关。本文对比了含水地幔和俯冲洋壳在过渡带底部的速度分布,结果表明虽然不同含水量的地幔能够造成Vs降低2.2-4%,但是为了解释地震学观测的大于2.2（5）%的Vs降低,需要林伍德石内部的含水量超过0.5 wt.%。考虑水在地幔过渡带的纵向分布,在林伍德石内部加入超过0.5 wt.%的水会在520 km不连续面深度造成负的速度跳变,但这一跳变目前没有获得地震观测结果的认证。然而,富Fe被氧化或者缺Ca中等氧化的洋中脊玄武岩在过渡带底部的堆积造成3.0（5）%-4.5（5）%Vs低速异常,可以更好地解释大于2.2（5）%的地震观测的过渡带底部低速带。综上所述,本文利用高温高压实验测量了含Fe3+钙铝榴石在极端条件下的弹性性质并总结了石榴子石弹性、密度和速度随成分的变化规律。获得的实验结果用于模拟正常地幔和俯冲洋壳的密度和速度分布。这些结果对520 km界面分裂和过渡带底部低速带的成因提供了新的认识。