NREE:地球深部地幔弹性性质的实验进展

科技工作者之家 2020-12-15

来源:中科院地质地球所

地幔的物理和化学性质影响着地幔的动力学过程,不仅控制了地幔内部的行为,对地表板块构造的性质同样有很强的控制作用。因此,准确和定量地理解地幔的物理和化学性质有助于我们探索地球或者其他行星的演化历史。然而,地球深部的不可入性是对其进行研究的最大难题,人们主要通过反演地震观测数据来约束深部地幔的物质成分和温度。现在地震观测的数据越来越多,也越来越精确,而更大的挑战是如何很好地解释这些观测数据,例如对于地幔中存在的一系列异常(如大型低剪切波速省、过渡带的波速异常和地幔中部广泛存在的散射体等,图1)仍然缺乏合理的解释,这主要是由于我们对地幔中可能存在的矿物在高温高压下的弹性性质缺乏足够的理解。 

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地球地幔中地震结构解释图

即使是上地幔中含量最丰富、研究最多的橄榄石矿物,最高也只有在1300 K和13 GPa下测量的弹性性质的实验数据,比地幔温度低了几百度;地幔中其他矿物相的弹性性质数据更少,而且大多局限于较低的温度和压力,这就需要对这些矿物的弹性性质数据外推至地幔条件才能直接解释地震观测结果。然而有一些矿物性质(如变价元素的自旋状态、晶体缺陷的浓度等)的改变会影响矿物弹性性质的变化规律(图2),例如人们一般认为铁方镁石的纵波波速会随着温度的升高而降低,但是在中部地幔压力条件下,铁方镁石中的铁如果发生了自旋状态的转变,那么理论上纵波波速会随着温度的升高而升高,这就颠覆了铁方镁石的弹性性质随温度的变化规律。因此,通过状态方程外推矿物在高温高压下的弹性数据并不可靠,地震反演依赖于地幔温压条件下原位测量得到的矿物的弹性数据。

随着过去几年新的原位分析技术的出现,人们已经可以在相对高温高压条件下直接测量矿物的弹性性质,为地幔波速异常区域(例《CaSiO3钙钛矿的地震波速实验测定及其对下地幔LLSVPs的启示》)提供了新的约束。但是目前实验的温压区间仍然非常有限,远未达到下地幔的温压条件,因此,高温高压下测量矿物的弹性性质的技术方法非常重要。英国牛津大学的Hauke Marquardt及其合作者在Nature Reviews Earth & Environment期刊上发表综述文章(Marquardt and Thomson, 2020),总结了测定深部地幔条件下矿物弹性性质的主要技术,着重讨论了这些技术的潜力、局限性和误差,同时也总结了最近在实验上取得的关于深部地幔矿物弹性性质的认识。  

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过渡带和下地幔矿物学

目前已经有许多实验技术被用来研究地球深部物质的弹性性质,包括非弹性X射线散射、非弹性光散射(可见光)以及超声波技术等。这些实验方法可以准确测定矿物波速、弹性各向异性、声子态密度以及声子寿命等,但是有一些实验方法(如共振超声光谱、非弹性中子散射等)只能用于常压条件下的测试。非弹性X射线散射(IXS)和核共振非弹性X射线散射(NRIXS)这两种技术非常耗时间(观测单个速度需要2~24小时),并且需要用到同步辐射加速器,因此这些技术还较少应用于地幔矿物的研究。目前地球科学领域最广泛使用的是非弹性光散射和超声波干涉技术。Marquardt重点对这些技术的基本原理和现状进行了总结。 

一、光散射技术

光散射技术包括布里渊光谱(BS)和脉冲激光散射技术(ISLS),结合DAC可以直接测量地幔压力下的矿物弹性性质。过去20年里这两种技术得到了广泛普及,尤其是高压布里渊散射系统的数量在2020年已经超过了十套。光散射技术正为研究地幔矿物的弹性性质提供着关键信息。 

1.布里渊光谱(BS)

布里渊光谱法主要是利用探测激光穿过样品时与样品声子发生非弹性相互作用产生散射光,通过测量激光与散射光之间的频率偏移可以直接算出声速(图3),因此样品需要保持透明来发生光学散射。DAC中,高压下用BS测量的声速数据的准确度和精度分别优于1%0.5%,但是布里渊信号受样品厚度的影响很大,因此在地幔压力条件的BS实验中样品必须非常薄(<15 μm),导致收集信号的时间需要几十分钟到几个小时。

布里渊光谱法可以测量单晶样品和多晶集合体的弹性性质。BS在测量单晶样品时,通过测量晶体中几个不同传播方向上的声速来限制单晶样品全部的弹性张量,从而获得矿物的弹性性质。对于立方对称的晶体(如林伍德石、超硅石榴石和铁方镁石)只需要在一个晶面上测量声速,但是也需要很长的实验时间;对于具有较低对称性的矿物而言(例如斜方晶系的瓦兹利石和布里奇曼石),则需要从样品的多个方向来测量以提供额外的晶格方向上的数据,因此耗费时间会更长。多晶集合体的BS实验不需要测量特定方向上的波速,因此,所需的测量任务量大大减少,相对而言比单晶BS实验快很多。然而多晶BS实验测量的速度是一个平均值,丢失了一些弹性张量和弹性各向异性的信息;同时测量的速度对样品的微观结构(如颗粒尺寸、形状和晶格优先取向等)非常敏感,并且还会受到晶格优先取向、探测激光与声子传播方向之间的耦合效率或样品中应力分布的影响。目前仍然缺乏高压下矿物单晶和多晶BS实验的对比。

结合DAC的单晶BS实验可以达到100 GPa的压力条件,但是实验所需的大量时间限制其在地幔压力条件下测量矿物弹性性质的应用,斜方晶系的矿物单晶只有少量的高压下(<41 GPa)的实验数据。此外,单晶BS实验无法测量CaSiO3钙钛矿、后钙钛矿或赛石英等矿物,这是由于降压后这些矿物很快发生相变,无法从高温高压环境中淬火获得单晶样品;然而多晶BS实验是可以对原位合成的样品直接进行测量。在所有的BS实验中,当压力超过40 GPa时就很难测量纵波波速,因为纵波的信号会被金刚石压砧的峰值掩盖(图3b)。

尽管结合DACBS实验可以达到很高的压力条件,但同时实现高温仍然非常具有挑战性。由电阻加热的DAC只能在很低的压力和1000 K左右进行BS实验,目前仅对林伍德石、超硅石榴石和铁方镁石有相关研究。激光加热方法尤其是CO2激光的应用使得在地幔温压条件下进行BS实验成为可能,目前已经有学者成功在2700 K91 GPa的高温高压下对含铝MgSiO3布里奇曼石和MgO的多晶集合体进行BS实验,但是仍然没有公开发表的单晶实验数据。

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图3  高压弹性实验示意图

2.脉冲激光散射(ISLS

ISLS是一种类似于BS的技术,但是ISLS是用秒级(脉冲)激光器在样品中诱发声波,然后测量声波。两者的区别在于ISLS中的脉冲激光会损坏金刚石,因此ISLS不会在DAC中使用,也就没有了金刚石的干扰。ISLSBS几乎在所有方面都具有相同的优势和局限性,ISLS相比于BS的优势在于能够测量不透明的样品,并且能够测量高压下的纵波波速,而高压下BS实验中金刚石信号会掩盖纵波信号;但是ISLS不能准确测量地幔矿物中的剪切波速。因此有学者会结合使用BS(测剪切波速)和ISLS(测压缩波速)来准确获得矿物的地震波速。

二、超声波技术

超声波技术,如超声波干涉法(US)也能够通过向高压样品中发送高频率(kHz-GHz)的“地震波”来研究高压下地球深部物质的弹性性质。声波可以利用压电材料或激光源产生,并在目标样品中传播。使用压电传感器的US技术通常在MHz-GHz频率下工作,通过结合DAC或者大腔体压机(LVP)可以直接测量地幔条件下矿物的波速。利用激光源的US技术是一种超快脉冲探测技术,通常称为皮秒超声波(PSU),同样可以结合DAC实现高压下的测量,但是目前为止还仅局限于相对低温的条件下应用。

US的原理是将声波传入样本,然后检测回波,从而得到样品上、下表面(图3c)返回的回波之间的延时(Δt),样品厚度为L,则声速可以简单地表示为2L/Δt。原理看似简单,事实上高压实验中由于严格的几何限制和无法直观看到样品的长度,测量非常复杂;但是已经开发出相当标准化的测试方法,通过US在DAC或LVP中同时测量剪切波速和压缩波速。其不确定度小于1%。受限于DAC中作为传声粘合剂的石英气凝胶的稳定极限,目前为止基于DAC的US技术仅限于相对低温低压条件(<10 GPa和<523 K)。

LVP-US实验最主要的限制来自于样本。样品的表面必须是水平完整的,没有孔隙、裂纹或任何其他宏观缺陷,同时晶体还要保持细粒并没有任何晶格优选。通常要求样品是预先合成的(一般是通过预烧结),并加工成合适的圆柱体,合成一个单一样本并在LVP中进行超声实验一共所需要的时间约为一周,这是LVP-US技术的主要缺点。最新的研究中将样品预合成与超声波测量结合在一个实验中,大大缩短了实验时间,但是由于样品几何形状的不完美,大量的实验结果并不可靠。然而,在过去的几年里,LVP-US实验已经取得了许多实质性的进展。例如,由于新的商业碳化钨和烧结金刚石砧材料的出现,在LVP实验中常规可达到的压力和温度条件的范围正在不断扩大(图4)。LVP-US实验现在已经可以在大约27 GPa和2400 K的温压条件下进行,而且这个区间将会继续扩大。此外,由于示波器的性能迅速提高,单个超声波测试所需的时间从十年前的大于5分钟减少到小于10秒。除了时间限制和样品合成之外,没有其它因素可以限制LVP-US技术在单晶样品上的应用。迄今为止,单晶测量仅限于对MgO在8 GPa和1600 K下的研究,但是未来利用LVP-US对单晶样品的研究可以提供有关高温下矿物各向异性的重要信息。

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图4  已发表的光散射和超声波实验所涵盖的条件

除了上述方法之外,X射线衍射在约束地幔矿物的压缩系数以及高温高压条件下的密度方面非常重要。目前人们已经实现了对样品密度和声速的同时测量,这在同步辐射光源线站是通过将BS和US技术与XRD测量相结合实现的,同时测量样品的密度和声速对于高温高压条件下的实验特别有用,因为实验中对样品的密度几乎没有预先的约束。此外,BS或US的结果与XRD测量相结合,可以更好地确定样品的真实压力。 

基于DAC的光散射方法以及LVP-US技术已经成为高温高压条件下测定地幔矿物弹性性质的主要技术方法。虽然这几种技术提供了绝大部分高温高压下地幔矿物的弹性数据,但是很少有达到下地幔条件的数据。此外,大多数矿物的实验数据仅来源于一两项测量多晶集合体的研究,例如,在温度>1500 K的条件下,前人使用LVP-US研究了林伍德石、钙钙钛矿、斯石英和超硅石榴石,但是数据仅局限于有限的温压条件和单一组分(每一个矿物相),并且迄今为止很少有重复实验。在2700 K和~91 GPa条件下,还有学者用多晶BS测量了高温高压下铁方镁石和布里奇曼石的地震性质,但是高温数据仅限于七个独立的点(铁方镁石四个,布里奇曼石三个)。

目前缺乏对新的六方铝相、铁酸钙相、超斯石英相、赛石英以及后钙钛矿在高于300 K条件下的地震性质的实验数据,而对瓦兹利石的测量也只达到1073 K。即使是研究最多的下地幔矿物铁方镁石,关于铁自旋转变对其弹性性质的影响以及压力对体弹模量的软化作用仍然存在不确定性,更关键的是缺乏高温下穿过铁方镁石自旋转变区域声速的实验测量数据(图2b)。此外,关于地幔中次要矿物相(如碳酸盐、含水矿物相和熔体)弹性性质的实验研究仍然非常少。  

作者最后指出,高温高压下地幔矿物的实验数据库还远未完成,现有的数据还不足以建立可靠的模型,很难解释层析成像模型中观察到的地震波异常现象。由于数据不足,我们也无法对实验数据的质量及其相关结果进行可靠的统计测试,很难确定已有实验数据的真实不确定度。我们只有提供足够多的实验数据才能降低不确定度,并更好地解释深部地幔的地震波速。另外,地震层析成像表明在整个地幔中波速存在着显著的、广泛的横向变化,未来的研究将不再局限于将矿物物理数据与全球一维平均速度模型进行对比,而这对矿物弹性性质数据提出了更高的要求。 

来源:dizhidiqiusuo 中科院地质地球所

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