自然资源部第二海洋研究所揭示俯冲至下地幔顶部的海洋岩石圈存在亚稳态橄榄石

近日，自然资源部第二海洋研究所海底科学重点实验室海底演化与动力过程团队孔凡圣博士等与美国密苏里科技大学、德克萨斯大学达拉斯分校合作在 Geology 上发表最新研究成果，揭示俯冲至下地幔顶部的海洋岩石圈存在亚稳态橄榄石。 研究背景 橄榄石作为上地幔的主要组成矿物（Pyrolite模型），被俯冲板块带至地幔转换带的深度时（410km至660km），在热力平衡条件下，将发生结构相变生成橄榄石的高压相——瓦茨利石和林伍德石，并至大于660 km的深度后，再次相变生成布里奇曼石。由于俯冲板块相对于周围地幔温度较低，未能达到橄榄石相变的温度，因此在地幔转换带可以存在亚稳态橄榄石，通常成楔状分布。橄榄石的相变对认识地幔速度间断面的成因、地幔的物质组成与循环、俯冲带深源地震成因机制等具有重要意义，然而下地幔是否仍有亚稳态橄榄石一直未有发现和报道。 研究成果 自然资源部第二海洋研究所海底科学重点实验室海底演化与动力过程团队孔凡圣博士等与美国密苏里科技大学、德克萨斯大学达拉斯分校合作，利用USArray提供的大型阵列地震观测，基于相同地震事件与地震台站产生的SKS和SKKS分裂参数的差异，发现一区域内（图1）SKS相比SKKS的延迟时间平均多了0.2 s，优势方向为北偏东约60°，一种最简单的解释是SKS相比SKKS多穿过了一厚度约20 km的方位各向异性层。多方位的计算分析表明，此方位各向异性层位于下地幔顶部800km至900km的深度，其空间位置与俯冲至下地幔顶部的Farallon板块吻合。基于目前岩石物理学研究成果，作者们认为最可能的一种解释是Farallon的亚稳态橄榄石包含的“化石”各向异性——板块俯冲前橄榄石受板块运动和地幔流影响以晶格优先排列的方式形成，这也解释了为什么探测到的方位各向异性的优势方向与Farallon板块在晚侏罗世至中新生代的俯冲方向一致。据此得出的新认识是：1）亚稳态橄榄石自身的低密度异常与周围物质的低温异常导致的高密度异常接近相等，（部分）使得Farallon板块达到中性浮力，“悬浮”在目前深度；2）此区域地震波速度异常的部分原因归咎于亚稳态橄榄石导致的下地幔物质不均一。 图1. A. SKS与SKKS射线路径示意图，两者在接收端500km以上深度的路径基本重合，而在500km以下深度，差异随深度增加而增大。ϕ：快波偏振方向；δt: 快波与慢波积累的延迟时间，与各向异性层厚度或者强度成正比。B. SKS与SKKS横波分裂延迟时间的差异。C. SKS与SKKS横波分裂快波偏振方向的差异（快波偏振方向反映各向异性优势方向） 图2. 海洋板块形成与俯冲、及在深部发生橄榄石相变示意图 研究信息 论文信息：Kong, F.*, Gao, S.S., Liu, K.H., Fang, Y., Zhu, H., Stern, R.B., & Li, J., 2022, Metastable olivine within oceanic lithosphere in the uppermost lower mantle beneath the eastern United States.Geology. https://doi.org/10.1130/G49879.1 研究成果已在线发表在Geology上。本研究得到了国家重点研发计划（2017YFC1405502）、国家自然科学基金（41890811，41976071）等联合资助。 本文来源：自然资源部第二海洋研究所海底科学重点实验室 近日，自然资源部第二海洋研究所海底科学重点实验室海底演化与动力过程团队孔凡圣博士等与美国密苏里科技大学、德克萨斯大学达拉斯分校合作在 Geology 上发表最新研究成果，揭示俯冲至下地幔顶部的海洋岩石圈存在亚稳态橄榄石。研究背景 橄榄石作为上地幔的主要组成矿物（Pyrolite模型），被俯冲板块带至地幔转换带的深度时（410km至660km），在热力平衡条件下，将发生结构相变生成橄榄石的高压相——瓦茨利石和林伍德石，并至大于660 km的深度后，再次相变生成布里奇曼石。由于俯冲板块相对于周围地幔温度较低，未能达到橄榄石相变的温度，因此在地幔转换带可以存在亚稳态橄榄石，通常成楔状分布。橄榄石的相变对认识地幔速度间断面的成因、地幔的物质组成与循环、俯冲带深源地震成因机制等具有重要意义，然而下地幔是否仍有亚稳态橄榄石一直未有发现和报道。研究成果 自然资源部第二海洋研究所海底科学重点实验室海底演化与动力过程团队孔凡圣博士等与美国密苏里科技大学、德克萨斯大学达拉斯分校合作，利用USArray提供的大型阵列地震观测，基于相同地震事件与地震台站产生的SKS和SKKS分裂参数的差异，发现一区域内（图1）SKS相比SKKS的延迟时间平均多了0.2 s，优势方向为北偏东约60°，一种最简单的解释是SKS相比SKKS多穿过了一厚度约20 km的方位各向异性层。多方位的计算分析表明，此方位各向异性层位于下地幔顶部800km至900km的深度，其空间位置与俯冲至下地幔顶部的Farallon板块吻合。基于目前岩石物理学研究成果，作者们认为最可能的一种解释是Farallon的亚稳态橄榄石包含的“化石”各向异性——板块俯冲前橄榄石受板块运动和地幔流影响以晶格优先排列的方式形成，这也解释了为什么探测到的方位各向异性的优势方向与Farallon板块在晚侏罗世至中新生代的俯冲方向一致。据此得出的新认识是：1）亚稳态橄榄石自身的低密度异常与周围物质的低温异常导致的高密度异常接近相等，（部分）使得Farallon板块达到中性浮力，“悬浮”在目前深度；2）此区域地震波速度异常的部分原因归咎于亚稳态橄榄石导致的下地幔物质不均一。图1. A. SKS与SKKS射线路径示意图，两者在接收端500km以上深度的路径基本重合，而在500km以下深度，差异随深度增加而增大。ϕ：快波偏振方向；δt: 快波与慢波积累的延迟时间，与各向异性层厚度或者强度成正比。B. SKS与SKKS横波分裂延迟时间的差异。C. SKS与SKKS横波分裂快波偏振方向的差异（快波偏振方向反映各向异性优势方向）图2. 海洋板块形成与俯冲、及在深部发生橄榄石相变示意图研究信息论文信息：Kong, F.*, Gao, S.S., Liu, K.H., Fang, Y., Zhu, H., Stern, R.B., & Li, J., 2022, Metastable olivine within oceanic lithosphere in the uppermost lower mantle beneath the eastern United States.Geology. https://doi.org/10.1130/G49879.1研究成果已在线发表在Geology上。本研究得到了国家重点研发计划（2017YFC1405502）、国家自然科学基金（41890811，41976071）等联合资助。本文来源：自然资源部第二海洋研究所海底科学重点实验室