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林伍德石中Fe-Mg互擴散系數的實驗研究取得新進展

發布時間:2019-03-06

地幔過渡帶最重要的兩種礦物分別是瓦茲利石(410-520公里)和林伍德石(520-660公里),它們各自的體積分數在相應深度范圍大約占60 vol%左右。高壓實驗和天然金剛石包裹體研究都表明林伍德石晶格結構中含有大量的水(至少1.5 wt.%),因此地幔過渡帶被認為是地球內部水的主要儲庫。已有研究顯示,即使微量水也會顯著影響礦物巖石的物理化學性質,比如電導率、擴散、彈性等。鐵和鎂是地球及類地行星上元素豐度最高的兩種元素之一,同時鐵和鎂在地幔礦物中的擴散速率相當快。因此,林伍德石中Fe-Mg的擴散行為將在很大程度上影響一系列地球內部各種動力學過程的時間和空間尺度,比如研究地幔物質成分的不均一性會引起地球物理性質的局部異常、地幔對流、俯沖板片在地幔過渡帶內的滯留時空尺度、520/660公里間斷面的相變與化學變化等重要科學問題。

地球內部物質高溫高壓院重點實驗的張寶華研究員課題組與日本岡山大學行星物質研究所的Yoshino教授合作,在地幔過渡帶下部溫壓條件(20 GPa、1373-1673 K),利用Kawai型大壓機系統研究了水對林伍德石中Fe-Mg互擴散系數的影響。研究結果表明:林伍德石中Fe–Mg互擴散系數(DFe-Mg)對Fe/Mg濃度變化顯示出很強的依耐性;水對林伍德石中DFe-Mg的影響比較大(水指數r ≈ 0.25)。進一步模型計算顯示:即使假設時間尺度為地球年齡,在地幔過渡帶中通過Fe-Mg互擴散作用使化學非均質性均勻化的長度估計也只有幾百米,因此地幔過渡帶中俯沖板塊物質非均一性能夠長期保留;通過擴散系數計算得到的電導率數據與大地電磁觀測結果對比揭示,大約0.1 wt.%的水就能夠解釋地幔過渡帶下部觀察到的高導電率異常。

上述成果發表在國際地學著名期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上:Zhang B.H., Yoshino T., Zhao C. C., 2019. The effect of water on Fe–Mg interdiffusion rates in ringwoodite and implications for the electrical conductivity in the mantle transition zone. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 124, doi:10.1029/2018JB016415  

全文鏈接:https://doi.org/10.1029/2018JB016415 

本研究得到國家自然科學基金等項目聯合資助。

       

  圖:利用擴散系數估算的地幔過渡帶內俯沖板塊的均一化程度與地幔過渡帶可能的水含量

  (高壓室 張寶華課題組/供稿)

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