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660km深度俯冲板块流变强度的高温高压实验研究及其动力学应用

作　者: 赵素涛
导　师: 金振民; Harry W. Green II
学　校: 中国地质大学
专　业: 构造地质学
关键词: 660km地震不连续面深俯冲板块高温高压实验 Griggs流变仪 Co-Ti尖晶石后成合晶电子背散射衍射深源地震东北地区 Multianvil仪器单斜辉石 Ca-Eskola含量
分类号: P542
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

660km地震不连续面一般对应着地球深部林伍德石(ringwoodite,Mg2SiO4)向钙钛矿(perovskite, MgSiO3)和镁方铁矿(magnesiowustite, MgO)的相变,是地球内部分开上地幔和下地幔的重要地球动力学界面,深俯冲板块在这一深度附近发生了许多重要的演化,譬如深源地震的彻底消失,深俯冲板舌发生偏转后才进入下地幔等。因此,了解和把握660km地震不连续面附近物质的力学属性及其边界本身的化学／结构属性是当前地球深部物质科学和动力学研究的重要前沿课题。而高温高压实验研究是认识深部地球动力学过程的重要途径之一,它使得我们可用实验室的观察结果来代替仅仅是推测的假说,所以我们要充分认识实验研究工作在解决未来固体地球科学难题中的地位和意义。目前,国际上对上地幔橄榄岩等已经有较多的研究,而对660km地震不连续面附近的物质(钙钛矿和镁方铁矿)由于实验仪器的限制而研究很少,这在很大程度上限制了我们对660km深度俯冲板块的变形和演化及相关地球动力学问题的认识。本论文主要利用能很好控制变形并能精确确定其强度的加州大学河滨分校Green教授实验室的高温高压Griggs流变仪对与660km深度不连续面附近结构完全相同的物质(Co2TiO4→CoTiO3+CoO)进行了一系列开创性的初步研究工作,具体研究内容包括以下几个方面：a)660km地震不连续面附近物质分解前后强度变化的流变学实验研究；b)660km地震不连续面附近物质电子背散射衍射(EBSD)初步研究；以及c)以我国唯一的深源地震区——东北深震为例探讨了深源地震的发震机理及为什么大于660km深度以后没有地震发生的机制。对660km地震不连续面附近物质分解前后强度变化的流变学实验研究初步确定了1)分解产物(CoTiO3+CoO)的确具有后成合晶结构——表面上看是微小细粒的,在二维空间上看是独立的单个晶体,但在三维空间上它们很有可能是连在一起的。2)相同条件下后成合晶(CoTiO3+CoO)的强度比Co-Ti尖晶石(Co2TiO4)强约25%,说明这种后成合晶结构是一种使物质变强的结构而不是像前人提到的由于颗粒度变小而使物质变弱的结构；应用到地球科学中,俯冲岩石圈当其进入下地慢时并没有变弱而是比其下伏的地幔转换带具有更大的粘度,这与地球物理上的证据是一致的。利用我们的结果能够很好的解释俯冲陡倾板舌中(包括汤加以及我国的东北地区)由于下地幔粘度的加大导致的对插入板片的抵抗力致使其应力状态以下倾压缩应力为主的情况。之外,在尖晶石相分解的一系列试验中并没有发现任何的剪切不稳定性,那样深源地震在转换带底部停止的最可能解释或者是亚稳态橄榄石已经消耗殆尽(但已经在4个俯冲带内发现此深度橄榄石依然存在)或者就是像此文研究中的那样生成了不产生剪切不稳定性的这种后成合晶结构。另外,显微构造和岩石组构分析是构造地质学中一项重要基础工作,它通过研究变形岩石的显微构造和结晶学优选方位(LPO)来揭示宏观构造变形规律、应力状态、运动方式和形成机制等构造信息,对于研究地质体变形环境、变形机制和变形动力学过程非常关键,也是约束和建立地球深部地质与地球物理模型的重要支撑。最近十几年来,装备在扫描电镜上的电子背散射衍射(EBSD)技术日臻成熟,已经成为材料科学和地球科学显微组构分析的强有力手段。作为构造地质学中的革命性技术方法,EBSD能提供完整的量化显微构造和结晶学测量数据,实现矿物相鉴定、变形机制、位错滑移系、变质过程和岩石物理性质模拟等研究。我们对变形前后CoTiO3+CoO后成合晶的EBSD测定结果显示：1)变形前后成合晶结构中的CoTiO3和Co0在三维上的确是连接在一起的,并且它们同时生长还遵循一定的方向,即CoO的{111}//CoTiO3的{0001}、CoO的{110}//CoTiO3的{10-10}和CoO的{100}//CoTiO3的{2-1-14}或{1-214}；2)后成合晶变形过程中,发生了动力学重结晶和颗粒生长,但并没有任何证据显示由颗粒边界滑移主导的“超塑性”流动使后成合晶结构弱化的现象；对变形后的Co-Ti尖晶石(Co2TiO4)和变形前后的分解产物(CoTiO3+CoO后成合晶)分别进行了电子背散射衍射(EBSD)晶格优选方位的初步研究,结果表明：1)变形后的Co-Ti尖晶石和变形前后的分解产物中的CoO其晶格优选方位都不明显,它们的极密图中均显示近随机分布的组构特征,对应的方位差角相对频率分布图也都接近理论随机分布曲线。可能这是由于我们的轴向压缩实验样晶变形量较小或者是其高对称性晶体结构(立方晶体)所导致的,因而不能用来推导其变形机制；2)变形后的分解产物中的具有三方结构的CoTiO3存在较强的晶格优选方位,{110}面和{100}面极点为近于平行面理(σ2和σ3组成的面)分布的大圆环带,其最大极密值对应轴向近于平行线理；{001}面极点垂直线理方向,最大极密值接近Z轴(σ1轴向压缩)方向；说明CoTiO3内的位错滑移很可能是主导其塑性变形和形成较强优选方位的主要变形机制,且(001)面是其主滑移系中的易滑移面；也就是说分解后这两种物质不是各自以颗粒边界滑移来进行变形,而是后成合晶以整体的位错蠕变来进行变形的。之外,深震是指震源深度大于300km的天然地震,研究深源地震的机理将有助于深入地了解板块构造的驱动机制、动力学特征；而通过深源地震体波的研究还可以获得许多与地球深部构造有关的物质状况和性质的重要信息,从而加深对地球内部结构的认识；同时深源地震也是人类潜在的自然灾害之一(例如1970年6月31日发生在南美哥伦比亚的深震和1977年6月17日发生于汤加地区(西南太平洋)的深震(震级5.6级,震源深度达684km)等)；由此探索深源地震机制对于查明俯冲板块与地震空间成因关系和开展全球自然灾害地质研究具有十分重要的意义。因此本文对我国唯一的深震区——东北深源地震带的深源地震进行了初步性研究,研究结果显示：1)我国东北深震的发生与西北太平洋板块向欧亚大陆的俯冲直接相关,且其震源机制解显示的应力状态以下倾的压缩应力为主,这与上述的俯冲岩石圈当其进入下地幔时并没有变弱而是比其下伏的地幔转换带具有更大的粘度的结果相一致。证据主要有a,震源深度在SEE—NWW方向有依次加深的趋势,而在SSW—NNE方向的剖面上震源深度似乎没有明显变化,分布较SEE—NWW方向上的剖面是很均匀的；b,P轴的优势方位为北西西向,平均方位是277°,而P轴的平均仰角是31°,T轴的平均仰角为50.8°(与P轴方向接近垂直)；也就是说东北深震震源机制解中的主压应力轴是与太平洋板块的下插方向相一致的,而主张应力轴与其垂直；c,从日本海沟到我国的东北地区震源深度逐渐增加,依次为浅源、中源和深源地震区,且中国东北深震几乎是从日本海沟沿直接倾斜下来；2)通过与东北深震区和西太平洋俯冲带的地球物理资料相对比,认为我国东北深源地震的发生很可能是由橄榄石的相变引起的,而没有发现任何超过660km的深源地震发生,或者与本区亚稳态橄榄石已经消耗殆尽有关,或者与林伍德石转换为钙钛矿和镁方铁矿从而形成稳定的后成结晶结构相关。最后值得一提的是本论文的第六章,从内容上来看它似乎与本博士论文的题目不太相关,但考虑到对较常用的高温高压Multianvil仪器操作和实验流程的学习也是我博士研究生期间主要目的之一,且单斜辉石中Ca-Eskola含量随温度、压力、化学成分的变化对理解许多超高压变质(UHPM)现象(例如在许多榴辉岩和石榴橄榄岩中的绿辉石和透辉石中显示有小的具有一定晶体学趋向的SiO2包裹体)有着重要的理论研究意义,所以在第六章中对我博士研究生期间重要的研究成果之一——“利用多压砧(Multianvil)高温高压仪器对单斜辉石中Ca-Eskola含量高温高压实验研究”进行了展示。本研究中我们利用加州大学河滨分校的Walker型多压砧高温高压仪器对具有绿辉石组成(Na2O=1.78wt.%,CaO=10.37wt.%,MgO=5.44wt.%,Al2O3=23.12wt.%,SiO2=59.29wt.%)的玻璃(glass)粉末样品在无水的、P分别为6、8、10、12GPa和T分别为900、1000、1100、1200℃状态下进行了一系列实验(共16个实验),并对实验后的样品进行了Ca-Eskola(简写为Ca-Esk)含量随温度、压力、化学成分变化的研究。研究结果显示：1)所有的反应产物中与单斜辉石共同存在的矿物有石榴石、蓝晶石和Si02(柯石英或斯石英),且单斜辉石都是非配比平衡的(nonstoichiometric),也就是说在6个氧的基础上总的阳离子数小于4；2)Ca-Esk含量对起始物质化学组成非常敏感,尤其是Si02的含量；3)等温条件下非配比平衡单斜辉石中Ca-Esk含量值在4-5和8GPa之间达到最大(38-42mol.%),随后随着压力的升高Ca-Esk含量在约9GPa-10GPa迅速降低直到斯石英变为稳定(在12GPa,1200℃时降低到约18mol.%),同时也伴随着辉石向石榴石的转换,直到15GPa所有的辉石全部转换为石榴石为止；4)等压条件下非配比平衡单斜辉石中Ca-Esk含量值随温度的变化较压力来说并不是很明显；且考虑到等温条件下单斜辉石中“过量Si02”从1.5到4-5GPa逐步升高,在5-8GPa达到最大,我们认为UHPM中Ca-Esk含量与从地球深部深达200-250km处(压力约为8GPa)折返上升来的辉石中SiO2的出溶相关,因为其在P≥9GPa后Ca-Esk含量迅速降低,这样系统中“过量SiO2”也将随着降低。只有UHPM岩石在“过饱和的Si”的状态下折返,其才能出溶SiO2(柯石英或石英),所以200-250km只是从本研究中推论出的岩石折返的最大深度。实验结果还说明辉石从地球深部上升过程是非常迅速的,因为发现在单斜辉石中出溶的SiO2是柯石英(如果上升过程很慢,其势必退变为石英)。

全文目录

作者简介  5-7
摘要  7-11
ABSTRACT  11-17
第一章绪论  17-33
  1.1 研究背景  17-28
    1.1.1 660km地震不连续面  17-19
    1.1.2 深源地震及其震源机制  19-28
  1.2 论文研究目标、内容和拟解决的关键问题  28-29
    1.2.1 论文的主要科学目标  28
    1.2.2 研究内容  28-29
    1.2.3 拟解决的关键问题  29
  1.3 研究方法和实验方案  29-30
  1.4 主要创新点  30-31
  1.5 论文工作量  31-32
  1.6 论文内容组成和结构  32-33
第二章高温高压变形实验的理论基础  33-48
  2.1 高温高压实验背景知识  33-35
  2.2 各种高温高压仪器及其优缺点  35-43
    2.2.1 气体介质(Paterson)流变仪  35-36
    2.2.2 活塞圆筒式Griggs流变仪  36-37
    2.2.3 旋转式流变仪(RDA)  37-38
    2.2.4 多砧高压装置(Multianvil,MA)  38-40
    2.2.5 变形DIA(D-DIA)  40-41
    2.2.6 金刚石砧腔(Diamond anvil cell,DAC)  41-43
  2.3 Griggs高温高压流变仪及其样品装置  43-46
    2.3.1 Griggs高温高压流变仪简介  43-45
    2.3.2 样品装置简介  45-46
  2.4 Walker型多砧高压装置(MA)及其样品装置  46-48
第三章 660km地震不连续面附近物质分解前后强度变化的流变学实验研究  48-66
  3.1 研究背景及其存在的问题  48-50
  3.2 实验起始材料  50-54
  3.3 实验细节  54-56
  3.4 实验结果  56-60
  3.5 实验过程中遇到的一些问题及解决方案  60-64
    3.5.1 生成Co-Ti尖晶石静压实验后的样品太短无法进行变形  60-61
    3.5.2 起初进行Co-Ti尖晶石变形实验时,热电偶移动且极易断掉  61-62
    3.5.3 进行后成合晶变形实验时变形活塞破裂导致“volcano”发生  62-64
  3.6 结论及进一步研究方向  64-66
第四章 660km地震不连续面附近物质电子背散射衍射(EBSD)初步研究  66-76
  4.1 电子背散射衍射研究基础  66-67
  4.2 电子背散射衍射研究结果  67-74
    4.2.1 变形前后CoO+CoTiO_3后成合晶的EBSD测定结果  67-71
    4.2.2 后成合晶变形前后组成端元及Co-Ti尖晶石的EBSD研究结果  71-74
  4.3 小结及进一步研究方向  74-76
第五章中国东北深源地震特征及其震源机制、动力源初探  76-92
  5.1 中国东北深震区简介  76-77
  5.2 中国东北地区深源地震的研究现状  77-80
    5.2.1 东北深震的基础研究  78
    5.2.2 东北深震的发震机理研究  78-80
  5.3 研究结果  80-91
    5.3.1 东北深震震源深度空间分布特征  81-85
    5.3.2 东北深震震源机制解的研究  85-87
    5.3.3 东北深震与日本海深震的对比研究  87-88
    5.3.4 东北深震与此区地球物理资料的对比讨论与研究  88-91
  5.4 结论及其进一步研究方向  91-92
第六章利用Multianvil仪器对单斜辉石Ca-Eskola含量高温高压实验研究  92-111
  6.1 研究背景及其存在的问题  92-94
  6.2 实验起始材料及实验细节  94-98
    6.2.1 实验起始材料  94-95
    6.2.2 实验装置、条件及处理  95-97
    6.2.3 扫描电镜  97-98
    6.2.4 拉曼光谱  98
    6.2.5 Ca-Esk含量的计算  98
  6.3 实验结果  98-104
  6.4 讨论  104-109
  6.5 结论及进一步研究方向  109-111
致谢  111-113
参考文献  113-131

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