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构成地幔的大部分名义上无水矿物,包括橄榄石及其同质异象体、辉石以及石榴石等,均可以羟基形式赋存一定量的水.水在地幔不同深度的出现不仅对一系列物理性质(包括密度、波速、熔融温度、电导率和流变强度等)有重要影响,并且对地幔的动力学行为、横向结构和成分的不均一性以及地球深部的演化过程具有重要意义.近年来,地震学研究在地幔不同深度和不同区域均发现低速带的存在,而观测到的地幔速度异常很可能与地幔中的水密切相关.高温高压矿物学利用实验和理论计算,对水是如何影响地幔主要构成矿物的弹性模量和波速进行了深入研究,并取得了大量进展.这些研究对正确理解地幔速度异常的形成机制,查明地幔中水的分布,探寻水在地球内部的迁移形式至关重要.本文针对近年来高温高压矿物学在地幔含水矿物弹性模量的研究成果进行了综述,介绍了该研究方向的进展和不足,并对未来的研究方向进行了阐述. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2016,(3)
地幔深部的矿物具有显著的含水能力,含水量从几十到几万ppm(part per million)不等.由于地幔体积巨大,地球深部的水可能远大于地表水的总量.研究水在地幔矿物岩石晶体中的赋存机制及其影响是目前矿物学和地球物理学界的研究热点之一.一方面,俯冲板块向下运动,其中的蛇纹石在高温下分解,产生一系列的高含水硅酸盐矿物(如相A、粒硅镁石和斜硅镁石),这些矿物是潜在的"搬运工",将水进一步带入地幔深部,乃至转换带中;另一方面,橄榄石在转换带中的高压相(瓦兹利石和林伍德石)具有较高的储水能力,使得转换带成为了地球深部最重要的储水层,并且水也对地幔转换带的物理化学性质产生了显著影响.本文主要讨论以下两方面内容:(1)含水的硅酸盐矿物晶体结构,为微观上认识地球深部水的赋存机制和循环过程提供实验依据;(2)水对硅酸盐矿物热力学状态方程的影响,为约束地球动力学过程以及水的影响提供重要参数. 相似文献
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介绍了地幔电性结构、地幔温度、地幔含水量等参数对地球动力学和地幔动力学过程的重要科学意义,综述了近年来利用海底电缆在该领域的主要研究进展.本文首先介绍了日本利用海底电缆探测地幔深部结构的方法原理与发展历程,然后阐述了该方法的观测方式、观测系统与仪器,综述了国际上近年来利用海底电缆在环太平洋地区海底的观测资料进行地幔一维电导率结构、三维电导率分布的研究进展.基于海底电缆的观测数据进行反演的结果表明,太平洋海域地区地球深部存在410 km,660 km的电导率不连续面,此不连续面与地震资料的波速不连续面基本一致,为地幔不连续面提供了新的地球物理证据.在根据由海底电缆观测数据反演得到的太平洋地区地球内部电导率分布基础上,综述了综合深部地震波速、岩石高温高压实验等,将电导率的分布转换为地球内部的温度场分布、推导地幔过渡带水的浓度进而转换为地幔过渡带的含水百分比(含水量)的方法技术与研究进展.研究结果表明,夏威夷和北日本海地幔过渡带电导率异常主要受温度控制,菲律宾海域地幔过渡带的电导率异常除了和温度有关外,还受含水量影响,该处地幔过渡带的含水量大约在1％左右.这些研究表明,海底电缆探测方法,在地球深部探测尤其是地幔不连续面的探测、地幔温度场分布与特征、地幔含水量等方面有重要的作用.最后,展望了海底电缆探测方法的研究与发展,这些研究方法及成果对认识中国海域地球内部机构提供一定的参考. 相似文献
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电导岩石学:原理、方法和进展 总被引：2，自引：0，他引：2
杨晓志 《中国科学:地球科学》2014,(9):1884-1900
电导岩石学是国际地学界近年来新发展起来的一门交叉性和综合性很强的学科,主要是通过高温高压实验,在有效控制温度、压强、成分和氧逸度等参数的条件下,对硅酸盐矿物的电导率进行测定,并把有关结果和地球物理学电磁探测的结果相比较,从而为正确认识地球深部的组成、结构、性质和动力学过程提供制约.根据近年来的文献报道,本文综合评述了电导岩石学研究工作的主要原理和方法,并就下地壳、上地幔、地幔过渡带、下地幔和核幔边界一些主要组成矿物电导率的实验测定进展及其对深部地球电导结构的制约进行了介绍. 相似文献
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现代固体地球科学已经认识到,地幔对流不再是少数动力学家的假想,它是地幔热动力系统的主要构架.地幔对流和板块运动驱动机理关系的研究已经从简单的主动或被动驱动的讨论转向对统一热动力系统的探讨.包括地幔热柱在内的地幔对流的深入研究不仅成为研究地幔热动力系统演化的主线,也成为研究大陆形成和演化驱动机理的主线.与此同时,以地震层析成像为主体的地震、地球物理观测资料和以地幔岩石化学组份为主体的地球化学观测成为认识地幔对流的强有力的工具.然而,地球化学和地球物理观测之间存在明显的差异,一些依赖于地球化学数据构思的新的热动力学框架对地幔对流的研究构成了强烈的挑战. 相似文献
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本文主要总结了近十多年来橄榄岩流变实验的研究成果,介绍了上地幔流变研究的进展和意义.经过多年的实验研究,橄榄岩流变性质在理论和应用方面都已取得重要突破.人们利用高温高压实验深入研究了熔/流体、铁含量、粒径尺度、温压条件等因素对橄榄石流变性质的影响,得到了表征橄榄石流变特性的幂率本构方程的各参数,并从理论方面探讨了橄榄石等矿物在不同深度处可能存在的变形机制.在应用方面,高温高压流变研究为许多地质现象(如软流圈的成因)的解释和地球动力学(如地幔对流)的模拟提供了实验依据和基础数据,如辉石的粒度效应可以解释上地幔板块边界变形及剪切局域化问题等.尽管对上地幔矿物的流变特性进行了深入地研究,但还有许多问题需要人们进一步厘定,如碳酸盐熔体对橄榄石流变性质的影响,橄榄石变形机制的转化等. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2016,(5)
地幔中的富水流体以其独特的物理和化学性质影响着一系列地球化学和地球动力学过程.受制于实验数据的缺乏,人们对地幔中富水流体及其与周围岩石、熔体相互作用的认识仍然非常不足.从热力学平衡计算的角度,富水流体体系的状态方程是推进本领域建模工作的关键.目前能用于地幔温压条件、被公认具有较好准确性和预测性的富水流体高压状态方程并不多见.本文对若干代表性方程进行了介绍与评述,并通过分析指出提高状态方程外延能力的主要途径:借助于高质量分子模拟数据,采用理论基础更好的方程形式,优化方程的拟合过程与参数求取方法等.根据典型富水流体体系的高压实验数据分布现状,含离子成分的水溶液体系是本领域研究的重点与难点,而当前实验与理论模拟工作正取得的重要突破将极大地促进相关研究的进展. 相似文献
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在朱涛等的"球层中的非线性自由热对流-变粘度模型"研究中(2004),我们建立了变粘度地幔对流模型,不仅获得了描述地幔物质垂直运移特征的极型场,而且获得了描述地幔物质水平运移的环型场.在计算中,假定在常粘度背景下的小粘度横向扰动形式非常简单,仅仅随着纬度而变化,其它参数取值非常接近真实地球,依此从理论上获得了变粘度情形下环型场的某些认识.但是,它还不能被直接用来解释或联系实际的地球构造运动及其分布,因为在模型中还没有引入任何实际地球物理观测资料来约束模型.建立模型的目的是希望它能为合理认识和理解现今的地球构造现象及其动力学演化过程提供帮助,为此,必须使得地幔对流模型更加合理、更加接近真实情况.一般情况下,主要采用两种方式将地球物理资料引入地幔对流模型: 相似文献
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依据地球物理宏观资料、行星化学和地球化学微观分析以及高温高压实验结果,阐明了地幔中存在丰富的流体,扼要介绍了若干流体引发地震的假说,简述了隐爆产生地震的机制。地幔矿物流体包裹体、高温高压相含水硅酸盐矿物与地球物理探测资料表明,整个地幔内普遍存在高能密流体,地幔过渡带和D″层是流体富集的地带,地幔中存在的总水量比海水量高出几个数量级。地幔高能密流体流动产生热对流,造成了固体地球内温度、电导率、地震波速度以及地球化学组成的不均一性。高能地幔流体向外逃逸,不仅改变了壳幔岩石的物理和化学性质,且为岩浆形成和地震孕育提供了能量。流体在地震孕育中的作用包括两个方面:降低断层带摩擦力以及岩石强度触发地震和流体爆炸或相变产生地震。流体爆炸产生地震是地核与下地幔流体以“运移—局部聚集—爆炸的幕式循环”反复进行,产生不同震源深度、不同震级的各类地震。然而,地幔流体的组成、行为及其在孕震过程中的作用机制还需深入研究。 相似文献
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《中国科学:地球科学》2017,(5)
高温高压电导率实验研究是透视地球内部结构与物质组成的一个重要窗口.百年来进行了大量地幔矿物电导率的研究,但对地幔岩石的研究却不足;进行了压力对地幔矿物电导率影响的研究,但获得的激活体积值却有正有负;进行了含水橄榄石电导率的测量,但仍存在干湿软流圈地幔之争;进行了部分熔融岩石电导率的研究,但对异常高导成因的解释却仍没有定论.因为该研究对人们认识地幔的物质组成和矿物相变,地幔的电性结构和热结构,以及洋壳俯冲和高导异常成因等地幔动力学问题有重大意义,因此,还需继续研究地幔岩石、矿物的电导率与温度、压力、氧逸度和组分等之间的关系,再结合地球物理的探测结果,构建合理的电导率-深度剖面图. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2016,(3)
水对于地幔的部分熔融发挥了关键作用.地幔岩浆作用主要发生在板块边界(俯冲带和洋中脊)和若干板内热异常区域.在大洋俯冲带,俯冲板片释出的水可以诱发上覆地幔楔甚至板片自身发生熔融,导致弧岩浆作用,也有可能形成超临界流体.板片熔融和产生超临界流体的物理化学条件仍存在争议.在洋中脊和板内热异常区域,水和CO_2使上涌地幔发生熔融的起始深度增加,熔融比例增大.在地球深部层圈边界可能发生低程度的地幔熔融,如岩石圈和软流圈边界、上地幔和过渡带边界、过渡带和下地幔边界等,其成因一般认为与边界两侧矿物储水能力的差异有关.水可以促进地幔岩石熔融的根本原因在于水是一种不相容组分,强烈倾向于富集在硅酸盐熔体相(矿物-熔体的水分配系数远小于1),从而令其吉布斯自由能降低.前人对水在橄榄石、辉石和石榴石等地幔矿物与熔体之间的分配行为已经研究得比较充分,但水对硅酸盐熔体密度和迁移性质的影响还需要更进一步的高温高压实验和计算制约. 相似文献
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地幔柱模型作为地球内部对流系统的重要组成部分,可与板块构造理论相媲美.它们共同构成了地球内部物质和能量循环的重要过程.自从地幔柱模型提出以来,地震学、高温高压矿物学、地质学以及地球动力学数值模拟对其进行了多学科的综合研究.其中数值模拟通过建立理论模型来研究地幔柱的动力学效应,定量化地给出了地幔柱的演化过程以及地球内部和表层的响应,并用以解释其他学科的观测和实验结果.因此,地球动力学数值模拟是研究地幔柱动力学最重要的手段之一.文章总结了近几十年地幔柱数值模型的研究进展,包括地幔柱的起源和存在的证据,地幔柱与岩石圈、洋中脊、俯冲带和地幔过渡带的相互作用以及地幔柱与大型剪切波低速区的关系.数值模型得到的理论结果必须与其他各学科的观测结果进行对比和验证才能真正理解地幔柱的动力学过程.随着数值模拟方法的发展和计算能力的提高,地球动力学数值模拟将为研究包括地幔柱动力学在内的地球科学前沿问题提供更为准确和高效的手段. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2016,(5)
矿物在高温高压下的弹性特性是我们将地球内部波速信息转换为地球内部成分、温度时所不可缺的最基本数据,是我们理解地球内部水的分布、地球动力学特性等的基础.最近十多年来,弹性特性的研究取得了长足的进展.第一性原理计算方法无需引进任何经验参数,所得的结果跟实验可以比拟,可以提供认识地球内部所需的高温高压弹性系统可靠数据,在矿物高温高压下弹性研究中扮演了越来越重要的角色.这一方面得益于计算能力的提高,同时也由于计算方法的进步,如最近发展的新方法所需的计算量不到常规方法的十分之一,且保持计算精度,新方法缓解了常规方法惊人计算量对矿物弹性研究的制约,加速了我们对地球内部主要矿物弹性特性的获取,有力地深化了我们对地球内部成分动力学特性的认识.目前我们对下地幔的主要矿物的弹性特性已经有比较好的认识,包括温度、压强、铁含量对弹性的影响,以及铁的自旋转变下铁方镁石体模量的反常降低,利用这些数据限定下地幔铁方镁石最可能的含量为10~15%.其自旋转变效应足以在层析成像中产生清晰的信号,例如在~1700km处纵波的温度敏感性不到~2300km深处的几分之一,全球P波图像及夏威夷、冰岛等热点下面的地幔柱P波图像在相应深度的"中断"都可能与铁方镁石自旋转变有关.地球动力学模拟也发现铁的自旋转变对太平洋和非洲下面大低波速块体的两大结构特点(包括清晰的边界以及从核幔边界一直稳定到边界以上近千千米)的形成扮演关键的角色,从不同的角度表明下地幔铁发生了自旋转变.计算也研究了大部分上地幔和地幔过渡带的矿物弹性特性包括水含量对地幔过渡带矿物弹性的影响,以及俯冲带含水矿物及其他不含水的主要矿物的弹性特性,以帮助弄清俯冲带的含水及水的运移状况,水在地球内部的分布等.但目前水对矿物弹性影响的计算工作基本上还没考虑温度的影响,俯冲带的温度比周围地幔低,温度的效应是不容忽视的问题,应该是将来进一步研究的重要方向.铁及其合金在高温高压下的弹性也被计算大量的研究,这些研究为更好地确定地核轻元素的种类及其含量提供基础数据,但现有的弹性数据还远未能满足我们认识地球内部结构对弹性数据的需求,我们还有大量的工作需要展开. 相似文献
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硅酸盐熔体是地球和其他类地行星内部非常活跃的、物质和能量迁移的重要载体.测定硅酸盐熔体的状态方程,获得其摩尔体积(或密度)与温度、压强和成分之间精确的定量关系,对于模拟岩浆的产生、运移、喷发过程和地球及其他类地行星形成早期岩浆海阶段的演化过程,计算和模拟硅酸盐熔体参与的相平衡,以及揭示硅酸盐熔体的微观结构随压强的变化都至关重要.但由于硅酸盐岩石的液相线温度较高,而且熔体容易与样品仓物质发生反应而改变熔体成分,以及熔体易于流动,在高温高压实验中容易发生泄漏等一系列问题,在高温高压条件下原位测量其体积性质一直是实验的难题,目前积累的硅酸盐熔体高压密度数据仍然十分有限.近年来,相关高温高压实验技术得到了快速发展,不仅可达到的温度和压强范围扩大,测定结果的精确度提高,而且出现了新的原位测量方法.文章系统总结了目前广泛使用的硅酸盐熔体的常压和高压状态方程理论模型,并举例介绍了本领域内一些亟待解决的问题:(1)含铁和钛硅酸盐熔体的常压状态方程仍需要进一步完善;(2)含挥发组分硅酸盐熔体中的H_2O和CO_2组分的偏摩尔性质可能随熔体成分发生明显变化,其高压状态方程仍有待于进一步研究;(3)各种高压状态方程的形式和适用范围如何对应熔体结构和压缩机制的变化需要进一步研究.之后重点介绍了硅酸盐熔体状态方程的各种测定方法的基本原理和应用范围,对比了双球阿基米德法、熔融曲线分析、冲击压缩、沉浮法、落球法、X射线吸收、X射线衍射和超声干涉法的优缺点.本领域研究未来的发展趋势一方面是发展高温高压原位测量熔体密度或声速的实验技术,积累更多实验数据,另一方面是结合硅酸盐熔体微观结构和压缩机制方面的研究,改进熔体状态方程的理论模型. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2016,(5)
名义上无水矿物(NAMs)中能够保存微量的与晶体缺陷相关的结构水.这些水可以使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和二次离子质谱(SIMS)等分析方法进行测定.到目前为止,已有相当多的研究系统地报道了不同岩相中NAMs的水含量,特别是地幔橄榄岩包体.在橄榄岩包体中,水在橄榄石中的分布经常呈核部浓度高,边部浓度低的扩散曲线,这显示橄榄石中的水在包体随岩浆上升过程中发生了扩散丢失,而辉石中水的分布通常是均一的,并且一般认为辉石保留了地幔值.利用水在硅酸盐矿物-熔体间的分配系数可以计算与这些矿物平衡的岩浆的水含量.此方法可以进一步被用于估算母岩浆以及源区的水含量,但方法受制于适合于研究体系的分配系数的选取.利用地幔NAMs的氢同位素组成以及H_2O/Ce比值可以示踪上地幔中水的源区和地幔中水含量的不均一性.水对克拉通岩石圈地幔的稳定性有重大影响,但是不同克拉通岩石圈的水含量和垂向分布存在显著差异,这是由于不同的地质活动所导致,而地幔柱和克拉通的相互作用可能并不会导致克拉通岩石圈水含量的显著变化.由于地幔NAMs含水量数据的局限性,目前上地幔水含量的估算仍建立于地球化学模型的基础之上. 相似文献
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高温高压下弹性波速测量是研究地球深部物质状态、性质和运动等问题的一种重要手段．现今人们认为，脱水是引起地球内部地震波速度异常的主要原因之一(Kern，1982；Ito，1990；Christensen，1989；Popp，Kern，1993；宋茂双等，1996；周文戈，1998；赵志丹等，1996)．地球物理、地球化学和岩石学等资料表明，云母、闪石和蛇纹石等含水矿物的脱水作用是地球深部水的主要来源(Ulmer，Tromsdorff，1995；Ito，Tatsumi，1995；Newton，1989)．蛇纹石是地幔的主要矿物——橄榄石和辉石的主要蚀变矿物，含H2O量达13%(wt)，远远高于其它含水矿… 相似文献
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高温高压下地幔矿物岩石电导率影响因素研究进展 总被引：1，自引：0，他引：1
实验室高温高压条件下获得的地幔矿物岩石电导率值可以帮助获得地球内部物质组成、物质运动变化状态和解释地球物理探测资料.研究表明,电导率测量影响因素(外部因素和内部因素)控制不当将使得测量的电导率值产生较大差异.本文综述了近20年来这些影响因素对地幔矿物岩石电导率的影响程度及进展情况,电导率随着温度,铁含量和水含量的增加而增加;不含水条件下,电导率随着氧逸度和压力的增加分别增加和减小,含水条件下则恰恰相反;忽略颗粒边界的影响;测量频率和结晶方向对电导率的影响尚存在一定争议;进行电导率测量时有必要考虑系统平衡时间和样品中铁含量的流失.最后探讨了高温高压条件下电导率实验研究的不足和发展方向. 相似文献
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就采用地球物理探测、地质岩石学分析和高温高压实验(GGE)综合研究区域地壳细结构和确定地震震源区的可能性和方法作了探讨,并以临汾地区为例,给出了实施过程中的一些具体考虑.这些考虑包括:通过地球物理探测建立地壳、上地幔的速度、电性、密度、磁性和热等结构,给出深部的温压分布等;通过地质调查、钻探和岩石学分析确定沉积层的性质与厚度、结晶基底的组成,推测深部物质的状态,选取典型样品等;在模拟深部温压条件下,通过对岩石波速、电性和密度等的测定和与地球物理结构模型、地质岩石学结构模型进行综合比较建立区域地壳三维结构,通过对岩石力学行为的实验测定与了解,选择发震判据,确定潜在震源区. 相似文献