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岩石圈研究的两个有趣方向:地压梯度和水的临界奇异性
热度 1 Michaelhu 2020-9-28 17:08
一是岩石圈中地压梯度的渐-突变,二是岩石圈中水的临界奇异性,及其在成岩、成矿、成灾方面的意义。从这两个新角度来研究岩石圈的组成、结构、地质作用,会产生一些新思路。
个人分类: 地压梯度|3531 次阅读|3 个评论
Hindawi高被引文章 | 特提斯陆缘海按时间发展的地幔熔体演变和岩浆产量
Hindawi 2020-5-22 15:51
Lithosphere(岩石圈)是一家 地球科学类优秀期刊 ,目前 实行开放 获取政策 ,其期刊范围已扩大至地球化学、地球物理学、矿物学、晶体学、海洋学、大气科学、空间和行星科学以及地质学的各个领域。 题目: 《特提斯陆缘海按时间发展的地幔熔体演变和岩浆产量 :对阿尔巴尼亚-希腊蛇绿岩的案例研究》( Time-progressive mantle-melt evolution and magma production in a Tethyan marginal sea: A case study of the Albanide-Hellenide ophiolites ) 作者: Emilio Saccani、Yildirim Dilek、Adonis Photiades 摘要: 在该论文中,作者根据新的和现存的地球化学数据,借助痕量元素建模,全面综述了侏罗纪时期阿尔巴尼亚-希腊蛇绿岩的上地幔橄榄岩和各类火山岩的熔体演变过程。 由查尔斯沃思集团(Charlesworth Group)统筹翻译。 点击阅读论 文原文 。
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强震机理新探:水的临界奇异性致震说
Michaelhu 2020-3-15 11:22
强震突发,造成巨大灾害,能否预测?关键在成因 机理 。 通过大量地震现象 的 总结和地震过程的热力学分析 , 提出了《 水的临界奇异性致震说》,发表在《地学前缘》 2020 年第 1 期 。 ( 1 )总体思路: 地震的共性 主要 有 平面上 分带,与断裂相关 ; 垂向分层, 有多震层,震区深部常有高导低速层 ; 与水密切 相关 ; 过程中 主震时短具突变性 ; 地震前后出现异常, 部分动植物生长异常,地形地貌变化,出现地球化学 、 地球物理、气象等异常。 又可 分为两 大 方面,一是与断裂相关,断裂又是岩石性质与力两因素作用的结果 ; 二是与 水及其行为 相关。 这两方面共同作用,可引发水的二级相变,使水的物理化学性质发生临界奇异性突变,导致岩石力学性质明显弱化和热力剧增同时出现,从而产生强震。 ( 2 ) 机理概要:简言之, 岩石圈中水 发生二级相变,水的物理化学性质发生 临界奇异性突变, 可使热力 突变剧增、趋于无穷大,同时水的溶解行为突变迅速弱化岩石力学性质,压力剧增加上岩石力学性质迅即弱化从而产生爆炸和破裂形成强震。 水的临界奇异性致震 图 ( 按 地壳 15~35℃/km 线性地温梯度计算的多震层深度 10.0~23.3 km ) ( 3 ) 强震 3 要素:在岩石圈局部,有大量的水,且温度达 374.15℃ 和压力达 22.1 MPa 。 要有水。 在地震区域的地壳和上地幔中要有一定量的水,这些水可有多种赋存状态。否则即便 这种 致震机 理 起作用,仍形成不了强震。 要确保 3 要素,必须要有断裂等降压构造,其有降压、升温和聚水三重作用。断裂是水聚集的场所, 断裂降压 提供水 聚集 的驱动力,且断裂 降压才 能 使 岩石圈局部的 温压同时达到水的临界 值( 374.15℃ 和 22.1 MPa ) ,从而引发 水的二级相变 , 出现物理化学性质奇异性突变。 以热容 为例,左图 显示临界点处水 理化 性质奇异性突变 、 趋于无穷大。 右图若无 断裂降压 , 岩石圈水 理化 性质 仅 小幅度渐变无突变 ( 4 )强震 许多自然 现象 异常 源 于 水的临界奇异性。 水二级相变时,水的热容、电离度、粘度、导热系数、极性、氢键、离子积、扩散系数、介电常数、偏摩尔体积、溶解度、极性和化学反应性质 ( 反应速率、选择性和转化率 ) 等许多物理化学性质 发 生 临界奇异性突变,导致诸如电、磁 、 热、光 等多方面异常。但由于由震源到地表,这些参数受到 干扰 、混合或弱化等,从而与地震相关性变低。 水二级相变 时的 水热爆炸,原有平衡被突变破坏,又要达到新的平衡,在这个过程中岩石圈物质组成和结构等等的化学、力学等新的平衡,也会引起一些地球化学、地球物理等方面的新现象。 水二级相变 时 , 水及 其中含有其他气体组分 从深部向浅部运移 ,对 地下水、 气象、动植物都会有间接的影响。 此外,按正常地温梯度计算岩石圈中 374.15℃ 对应的深度与多震层深度完美重叠。 因此,在一些重点断裂区段,开展 前述 各种地球化学、地球物理、气象、动植物等特征或参数的异常变化测量 和监控 , 强 震 预测 有 可 能 。 附: 胡宝群-地学前缘2020-水的临界奇异性致震说.pdf 本文摘要版在“贵州地调”公众号中可见
个人分类: 地压梯度|3857 次阅读|0 个评论
“岩石圈有效弹性厚度”有两个定义,究竟用哪一个?
maoxp9 2018-8-17 08:32
最近刚接触了这个这个概念,这个在前 20 年还是比较火的。有两个定义 1.是真的厚度 ,Burov(1995)年说,“ 表征岩石圈似强度的参数是弯曲刚度 D ,它通常通过岩石圈的有效弹性厚度( T-E )来表示。海洋岩石圈的 T-E 估计大致遵循一个特定的等温线(类似于 600 度 C )的深度,这标志着机械岩石圈的基础”。原文是这样的“ The parameter that characterizes the apparent strength of the lithosphere is the flexural rigidity D, which is commonly expressed through theeffectiveelasticthickness(T-e) of the lithosphere. Estimates of T-e for oceanic lithosphere approximately follow the depth to a specific isotherm (similar to 600 degrees C), which marks the base of the mechanical lithosphere. ” 可以按字面理解,即常规理解,若洋壳是15km,则其它都是水货,只有这15km能抵抗上覆压力,但是否扛得住,这另说,即,只有这15km是硬的。但这个不表示强度概念了,而是一个厚度。 2.是强度 , McNutt(1990年,nature)说,“ 岩石圈的有效弹性厚度 Te 标志着岩石在超过 100 MPa的应力作用下在地质时间尺度上的弹性和流体行为之间的转换深度。 ” ,原文是“ The effective elastic thickness Te of the lithosphere marks the depth of the transition between elastic and fluid behaviour of rocks subjected to stresses exceeding 100 megapascals over geological timescales. ”它表示,一个地区的岩性决定了它的强度,若这个地区岩石圈是120km,但其岩性决定了,TE值等于50km,即只需要一部分岩石圈,如TE=50km的厚度,就可以抵档住上覆100MPA的压力,而不产生形变,这个地区120KM妥妥地是硬的,稳如泰山;若这个地区的岩石圈只有30km,而TE值是50km,则这30km的岩石圈,是抵档不住100MPa的压力的,而产生挠曲。 我信谁? 一个严酷的现实问题是,华北克拉通有效弹性厚度从0-100km(郑勇,2012),试想,在Te=0.1km处,按定义,能在1Ma年内岩石承受超过100MPa压力时发生弹性行为和流体行为转变的深度为0.1km,该地区的强度就是0.1km,能抵抗住100MPa的压力而不发生形变? 结论:查了多篇文献,现在公认的应是前者,就是体现一个地区的岩石圈的强度。未受到破坏的部分,能抵抗上覆负荷产生的挠曲的,顶事儿的部分地厚度,其它有的软的。 2018年9月11日补充: 郑勇(2012),岩石圈有效弹性厚度是表征岩石圈力学强度的参数之一.岩石圈有效弹性厚度(Te)定义为一假想的、上覆于非黏性流体的、在相同载荷作用下产生与真实岩石圈相同弯曲的弹性板的厚度,表征了岩石圈在长期载荷(10万年)作用下抵抗变形的能力。因此,岩石圈的Te大小和分布状态对于了解大陆岩石圈的长期形变和流变结构,以及克拉通岩石圈在长期地质作用下的破坏的机制有重要的参考作用。 付永涛(2000),大陆岩石圈有效弹性厚度(Te) 是表示岩石圈抵抗挠曲变形能力的参数。通过计算该参数, 可以获得不同地区、不同构造省的岩石圈挠曲强度, 并可以进行区域的比较。 陈波(2013,博士论言语),大陆岩石圈有效弹性厚度变化主要反映了在山脉、冰川、火山和沉积层等载荷作用下,大陆岩石圈抵抗变形的能力。 高海英(2005,硕士论文P26),地壳和上地慢是坚硬的地球最外层,为响应其上部负荷如地形、沉积岩和冰川等以及下部负荷如火山、上地慢物质上涌等,会在大的地质时间尺度内发生弹性形变,而不是明显的粘质性形变,这种形变会一直持续到其内部密度介面和弯曲应力平衡这种形变为止。 参考文献: McNutt M K. 1990. Flexure reveals great depth. Nature, 343: 596-597 Burov E B. Diament M. 1995. The effective elastic thickness(Te) of continental lithosphere: what does it really mean? J.Geophs. Res., 100:3905-3927.
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岩石圈的地压梯度及其变化和意义
热度 2 Michaelhu 2018-4-25 07:36
2018年4月20-22日,参加了“ 第六届 流体地球科学与矿产资源及环境灾害学术研讨会”。在会上报告了“岩石圈的地压梯度” 研究 ,算是至今的研究总结。 基本认识: ( 1 )岩石圈的地压梯度,总体为热压梯度和重力梯度叠加,与地温、组成、相态、体系性质等有关。明显变化,既有渐变也有突变,可以有 2-4 倍重力梯度的渐变,也可以有奇异性突变热压剧增而造成局部爆炸。不仅仅影响深度计算结果,继而影响地压梯度渐变和突变时相对应地质现象的解释,可以成为构造控岩控矿、成矿大爆发、小岩体成大矿、油气形成、俯冲与折返、透岩浆流体、克拉通破坏、岩石圈减薄、地震、火山等重大地质过程解释或学说的理论基础。沿着地压梯度变化,引发相变、体系性质的改变等,可以把岩石圈中发生的许多地质作用联系起来。( 2 )地压梯度驱动说,是 基于 基础地质方法和物理化学方法及系统论 , 提出的岩石圈中物质运动 动力来源 的理论, 还 可以用于板块运动驱动力 的 解释。 胡宝群-岩石圈的地压梯度及其变化和意义.doc 胡宝群20180422北京流体地球科学会议 岩石圈的地压梯度.ppt
个人分类: 地压梯度|5422 次阅读|3 个评论
岩石圈、上地幔及地球深部结构专题信息:AGU-JPGU2017年会议
shenxzh 2016-12-6 14:57
2017 年 AGU 和日本地球物理学会( JPGU )联合举办一次规模较大的国际性会议,这是 AGU 和 JPGU 第一次大范围的联合。原来 JPGU 也有一些国际专题,但是都比较少,本次地球物理共有 75 个 Session ,一大半为 International session (英语的 Session 有 49 个),会议时间为 2017 年 5 月 20 日至 25 日,地点位于东京边上的千叶市( Makuhari Messe, Chiba )。 本次会议中我们有两个专题,内容主题是岩石圈和地幔结构,目前我们已经邀请了四位专题报告。 摘要投稿日期将于下月开始( Jan. 6 – Feb. 16, 2017 )。欢迎大家关注日程,早做明年的出国参会计划,投稿参会。开会地点就在东京附近,交通十分 方便。 五月份也是日本最为美丽的季节。 会议 session 的网址: http://www.jpgu.org/meeting_e2017/session_list/index.html 我们的 Session 如下: S-IT30Characterizing/contrasting seismic discontinuities in the oceanic andcontinental lithosphere S-IT31Revisit Bullen's layer C - Mantle transition zone and beyond 邀请报告 Invited talk ofS-IT30 Brain Kennett (ANU) -latest view on lithospheric heterogeneity, discontinuity and plate formation,with a focus on similarity/difference between continental/oceanic lithosphere. Emily J Chin (Scripps) - worklinking fabric, geochemistry and stratification in arc lithosphere ( http://scrippsscholars.ucsd.edu/e8chin/content/microstructural-and-geochemical-constraints-evolution-deep-arc-lithosphere ) Invited talk ofS-IT31 Nicholas J Mancinelli (Brown University) -conducted global studies of scattered body waves to improve constraints on thelength-scales and strength of heterogeneity throughout the mantle https://www.linkedin.com/in/nicholas-mancinelli-619ba533 Maxim D. Ballmer (ETHZ) -the composition, dynamics and evolution of the Earth’s (and planetary)mantle(s). Magma-ocean crystallization processes sets up the initial conditionfor mantle convection. Density and viscosity variations as a function oftemperature, major-element (e.g., Mg/Si ratio) and minor-element (e.g.volatiles) composition, as well as mineralogy (e.g., grain-size, fabric)control the evolution of the mantle through time, and to the present day. http://jupiter.ethz.ch/~ballmerm/ Session 介绍 S-IT30Characterizing/contrasting seismic discontinuities in the oceanic andcontinental lithosphere (Xuzhang Shen, YoungHee Kim, Teh-Ru Alex Song, RainerKind) The lithospheric seismic structure is crucial tounderstandings of the creation, modification and destruction of the plates.Oceanic lithosphere is typically thought to be the outcome of melting ofundepleted mantle and subsequent cooling, whereas continental lithosphere,especially beneath the cratons, is often considered as the result of plumemelting, stacking oceanic lithospheres or/and arc collision. However, laterepisodes of hydration, small-scale convective instability or/and andmetasomatism, among other possibilities, potentially facilitate themodification and disruption of oceanic and continental lithosphere. Seismic discontinuities of variable sharpness, strength and polarity of theiramplitudes are now frequently observed at many regions and defy predictionsfrom a simple thermal boundary. More sophisticated modeling efforts suggestthat some of these seismic discontinuities may be consequences of fineanisotropic layerings. The session focuses on characterizing seismic structures of lithosphere andtheir implications on the formation and evolution of the oceanic and cratoniclithosphere. We welcome abstracts that focus on new seismic observations withdiverse dataset, improvement of the robustness of seismic processing/modeling,and welcome cross-disciplinary efforts that link seismic observations,deformation experiments, geodynamic modeling and geological/petrofabric data. S-IT31 RevisitBullen's layer C - Mantle transition zone and beyond (Teh-Ru Alex Song,YoungHee Kim, Xuzhang Shen, Hitosi Kawakatsu) Large seismic velocity gradient between 400 km and 1000km depth led Bullen in 1940 to the construction of the layer C, which includesthe mantle transition zone and uppermost lower mantle defined in thepreliminary reference earth model, or PREM. While phase transition of olivineto its high pressure polymorphs generally defines the 410 and 660 km seismicdiscontinuities, several interesting findings associated with the lower half ofthe layer C are somewhat difficult to be reconciled with the olivine phasetransition alone. First, just below the 660 seismic discontinuities, traveltime and triplication data typically define a large velocity gradient down toabout 800 km depth. Second, observations of high frequency seismic scatteringoriginating from 700 to 1000 km depths remain puzzling. Third, in some latestglobal tomographic models, positive radial anisotropy appears prominent near orbelow the slab in the upper lower mantle. Fourth, downgoing slabs andupwellings interpreted in recent tomographic models are not always linked tothe olivine phase boundaries and they frequently experience strong distortionnear the bottom of the layer C. If the internal structure of the Earth and its layering are evolved from longterm mantle convection and mechanical mixing due to plate construction ordestruction over billions of years, one may attempt to understand the nature ofseismic complexities in the layer C as a whole. One may ask how the layer Ccontrols modern mass and heat advection in the mantle. If the layer C iscompositionally inhomogeneous with depth, one may wish to refine its densityprofile and discuss plausible dynamic consequences. This session solicits all efforts characterizing seismic properties in allwavelengths in the layer C, and we also encourage integrated andmultidisciplinary efforts to help untangle the nature and the dynamic impact ofthe layer C.
个人分类: 研究工作|5113 次阅读|0 个评论
岩石圈中水的临界奇异性——内生地质过程突变的肇因
热度 2 Michaelhu 2016-4-28 06:46
岩石圈中水的临界奇异性,是一个非常有意思的研究课题。沿着水物理化学性质临界奇异性突变的思路,重新考察岩石圈中所发生的地质作用,会有些启发。 从更广泛的意义来说,相图中相变线及两端点(临界点和三相点)邻区物理化学性质突变的研究,会给地质学和材料学带来一些新认识。如临界点及三相点,分别与热液矿床及岩浆岩形成关联密切。 附:20160423“第五届流体地球科学与矿产资源及自然灾害学术研讨会”参会的PPT new 水的临界奇异性——内生地质过程突变的肇因.ppt
个人分类: 热液矿床|2848 次阅读|3 个评论
降压——热液成矿作用的必要条件
热度 2 Michaelhu 2014-11-17 15:44
不降压就不能形成热液矿体、矿床。 今年连续在4月25日第三届流体地球科学与巨型成矿带及重大自然灾害学术研讨会、11月15日第四届全国矿田构造研讨会和12月17日(将在)第十二届全国矿床会议上汇报这个认识。期待引起共鸣和收获好的建议。 附 岩石圈中的降压--成矿(藏)的必要条件.doc 20141213厦门12届矿床会议 岩石圈中的降压--成矿的必要条件.ppt
个人分类: 热液矿床|3034 次阅读|6 个评论
从岩石圈与岩石层谈起
热度 7 dongping2009 2013-8-19 21:31
从岩石圈与岩石层谈起 魏东平 小文老师的 “ 为什么我们要搞多圈层 ” 一文,说到将地球进行水平切割成层,从上到下有 “ 对流层、平流层(同温层)。。。水圈、土壤圈、岩石圈 ” ,但小文老师笼统地以“圈层”二字一带而过,没有细分文中的“圈”与“层”的概念差别,也没有解释为什么其圈层结构划分,从上面的的对流层与平流层(同温层)的层状结构,突然就直接过渡到下面的水圈、土壤圈及岩石圈的圈状结构。 强行插播我的博文链接: “ 海底扩张与板块构造学说的建立 ” 。 在讲授 “ 地球物理学基础 ” 课程时,我如果看到下面听课的同学中,有超过个位数的走神或者打瞌睡,有时候便会中断正常的课程内容讲授,八卦八卦一些与该堂课程内容相关的地球物理东东,提提听课同学们的精气神儿。其中,关于地球的圈层结构及其划分,便属于我在需要时,于课堂上对同学进行八卦的内容之一。 我曾经在 “ 地幔!帷幔?——幕布拉开之后 ” 一文中,比较详细地介绍过 “ 地幔 ” 一词的由来,与大多数中文科学词汇最初转引自日文不同, “ 地幔 ” 一词完完全全是一个纯中文的科学词汇,定名至今也不过 50 年的光景,他是由我国地球物理学先驱傅承义先生于 1963 年定名而成。 但其实,傅承义先生还对包括 “ 岩石圈( lithosphere )、软流圈( asthenosphere ) ” 等等,进行了统一修正为 “ 岩石层”与“软流层 ”等的中文定名工作 ,这从多方面途径可以得到证实,一种证据是:在傅承义等人所著的《地球物理学基础》一书中,所有涉及到 lithosphere 与 asthenosphere 的部分,都统一书写为岩石层与软流层的中文译名;笔者本人于上世纪 80 年代后期,在一次专业会议间隙及其它见过傅承义先生的场合,也聆听过傅承义先生关于岩石层等的如此说法。 一种比较靠谱的解释是:傅承义先生认为, “ 圈 ” 字描述的,一般是一个一维结构,例如曾经风靡一时的“呼啦圈”,即使考虑到 “ 圈 ” 的厚度,也最多代表了一个二维的结构,这与描述地球表面的 lithosphere 及 asthenosphere 所代表的实际三维球层的物理含义并不相同。事实上,作为后缀,英文中的 -sphere ,确确实实代表了 “(球) 层 ” 而不是 “ 圈 ” 的意思,因此如傅承义先生所说,用岩石层与软流层来描述,是恰如其分的。 另一种相对八卦的说法是:地球物理学科从血缘划分来讲,与大气物理似乎更接近一些。这说的是上世纪 40 年代后期,准确地说是 1947 年春天,傅承义先生正在加州理工学院执教的时候,突然有一天,他收到了其大学时的同窗好友、时任国民政府中央研究院气象研究所所长的赵九章来信,希望他能回国主持气象研究所的地球物理研究工作。于是他毫不犹豫,接信两周后,便启程回国,任气象研究所高级研究员,并同时兼任当时的中央大学物理系教授。 尽管自 1950 年开始,中国科学院地球物理研究所便从原大气研究所独立出来,但地球物理学科与大气科学的亲密关系,可见一斑。 因此,受这层关系的影响,为了能够与大气科学中的 “ 对流层( troposphere )、平流层或同温层( stratosphere )。。。 ” 等的中文译名统一对应起来,在我国受到傅先生影响颇深的地球物理学界,便一般情况下使用了岩石层与软流层的中文译名。 如果您追踪傅承义先生的学术家谱,会很容易发现傅承义先生与加州理工学院的地震学实验室联系密切,他的学术谱系(参见博文“ 世界上第一位地球物理学教授 ”)为 : 威歇特 ( Emil Wiechert ) — 古登堡 ( Beno Gutenberg ) — 傅承义,也就是说,傅承义的老师的老师就是德国的地球物理学家威歇特,而威歇特本人同时还是一位非常非常杰出的气象学家。从这个意义上来讲,傅承义先生将 lithosphere 翻译成岩石层,并将 asthenosphere 翻译成软流层,以达到与大气科学中的对流层及平流层的一致,就更加可以理解了。 当然,天下大势,合久必分,分久必合!目前,由于各自学科的快速发展,地球物理与地质学科之间的交叉与融合程度也越来越高,所以在中国科学院,原来的地球物理研究所与地质研究所,又合二为一,成为了现在15字的 “ 中国科学院地质与地球物理研究所 ” 。 与此相映的是,由于中国地质学界一直沿用“岩石圈”与“软流圈”的中文译名与用法,现在关于 lithosphere 及 asthenosphere,在我国便一直同时采用“岩石层、岩石圈”与“软流层、软流圈”的混合用法,并且由于各人本科、硕士或博士等的师承来源不同,而采用不同的用名方法,相互之间倒也相安无事、其乐融融。 回过头来,作为一代大家,傅承义先生值得我国从事地球物理学研究的所有后辈们景仰。 1946 年,傅先生被聘为加州理工学院的助理教授,期间他对地震波的传播理论进行了非常深入的研究,在美国《 Geophysics 》杂志上发表了成系列的具有创造性和开拓性的研究论文,系统地研究了地震体波、面波及首波的传播等,成为国际上地震波理论研究领域的先驱。在 1960 年纪念《 Geophysics 》杂志创刊 25 周年之际,这组系列论文入选该杂志创刊以来最有影响力的 100 篇经典著作。 同时自上世纪 50 年代开始,他先后在北京地质学院、北京大学、中国科学技术大学负责建立了有关地球物理学教研室,并任中国科技大学地球及空间科学系主任。在推进中国地震学与地球物理学的研究,及相关人才的培养方面,傅承义先生起到了重要且不可替代的作用。 特别需要指出的是:“ 傅承义非常注重科学道德。在研究工作中,受过他的指导帮助的人很多,但是,不管他对别人的研究工作出过多大力,他从不在研究成果上署名,包括他指导完成的研究生论文。他思路敏捷,在学术讨论中,直言快语,不讲情面,但从不以势压人。 ” 这里再八卦一下。 关于傅承义先生,地球物理学科之外的学者,一般可能并不十分熟悉。但其兄长傅鹰先生,那可是刚刚的大名鼎鼎。这位前北京大学副校长,被太祖爷点名的人物,就因为得到太祖爷的点名,使得文革中所有的红卫兵小将们,都对傅鹰先生无可奈何,而基本上没有敢动他一个“很重的”手指头。 可见当时,傅鹰先生有多么牛 B ,当然了那其实是太祖爷更牛。
个人分类: 地球物理|6980 次阅读|21 个评论
谜一样的水
热度 2 Michaelhu 2012-7-29 20:32
水,我们每天都接触它,是多么熟悉! 但我们对它的行为又了解多少?动植体内的生物水行为?不要说在地下高温压条件下的行为,就连常温常压条件下的行为都说不清! 岩石圈中水的含量、分布、 理化性质和行为,对成矿、岩浆、变形变质等地质作用的的影响,恐怕不是一、二代人能说得清楚的(尽管有一些认识),或者说是永恒的研究课题。 (与岩石圈中水相关的又一课题:地热田的分布及开发。国家正着力研究的潜在替代能源) 链接: 1)“英悬赏1000英镑求解:为何热水结冰比冷水快” http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2012/6/266225.shtm 2) “水科学若干关键基础问题研究”重大项目指南 http://www.nsfc.gov.cn/Portal0/InfoModule_396/49308_fj03.htm 又: 3) 8.“地球内部水的分布和效应”重大项目指南 (十二五第四批重大项目指南及申请注意事项发布) http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2014/6/297397.shtm
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软流圈剪切熔融与板内火山作用
热度 1 chunyinzhou 2011-5-3 10:39
软流圈剪切熔融与板内火山作用
软流圈剪切熔融与板内火山作用 作者注:板内火山作用的成因机制,一直是地质学家研究和讨论的热点之一。板内火山不同于板块边界处的火山,它们位于地质条件相对稳定的区域,这与 洋中脊处的火山完全不同。火山物质是上地幔岩石部分熔融的产物,这是已经得到普遍认可的结论;但是这些熔融作用与上地幔(软流圈)剪切作用的关系,尚缺乏直接的证据研究。最近,美国科学家Conrad及其同事通过对大量的火山样品数据的分析,结合全球地幔对流模型,统计发现板内火山位置与快速剪切的软流圈具有良好的对应关系,从而提出板内火山作用机制的新观点——软流圈剪切熔融机制。这一成果(“Patterns of intraplate volcanism controlled by asthenosphere shear”)发表在2011年5月份最新一期的NatureGeoscience上。 NatureGeoscience 链接: http://www.nature.com/ngeo/journal/v4/n5/abs/ngeo1111.html PDFdownload: 2011-NG-Patterns of intraplate volcanism controlled by asthenospheric shear.pdf Supplementaryinformation: http://www.nature.com/ngeo/journal/v4/n5/extref/ngeo1111-s1.pdf mantle plume网站延伸阅读:"Shear-Driven Upwelling" http://www.mantleplumes.org/ShearDrivenUpwelling.html 原文翻译: 地球上的大多数火山作用位于板块边界,同时伴随着俯冲或者裂谷作用。在板块边界和板内均观测到了一些较大的火山区,物质来源于深部地幔地幔柱上涌(plumeupwelling)(1)。仍然有火山作用远离板块边界。通常是玄武质的、溢流的、小体积的,位于大陆内部(2-7)或者在洋底产生海山(8-11)。板内火山作用通常被归因于各种局部的作用过程(12),如岩石圈的破坏(8,13,14),岩石圈下小规模的地幔对流作用(15-17),或者嵌于岩石圈底部的软流圈地幔低粘度体(low-viscositypockets)的剪切熔融作用(18)。本文我们对比研究了所观测到的板内火山作用和数字模拟中的全球地幔流动模式。我们发现现在的大陆和大洋板内火山作用与由于地幔对流而快速剪切软流圈区域具有对应关系。我们特别探测到以下地区具有良好的对应关系:北美西部、澳大利亚东部、欧洲南部和南极地区,以及太平洋中东太平洋隆起(EastPacificRise)的西部。我们认为,与地幔对流相关的板内火山作用的最好解释是软流圈内剪切流动导致的熔融作用,而其他局部作用过程则作用不大。 板内的小体积溢流火山作用(2)是不可能由板块边界作用或者上涌的地幔柱(1)引起的,因此很难用已有的解释来解决这一问题(12)。区域化的扩散伸展作用引起的软流圈上涌和熔融(5)是先有的一个构造解释,但是最近的研究表明岩石圈伸展可能实际上或阻碍地幔熔融作用(14)。板内火山作用也被认为与一些局部的地下活动有关,如较小的上涌地幔柱(upwellingplumes)(1)、下降流(downwellingdrips)(16)和岩石圈下(17)或者边界驱动(15)的对流作用,这会产生局部的密度不均一性使热地幔物质上升而减压熔融。关于这些机制的重要性的讨论争议,在一定程度上是由于板内火山作用的局部控制机制脱离了全球地幔对流和板块构造的统一过程。 但是,一些机制可以将全球地幔流动和板块运动与板内的岩石圈下的熔融作用联系起来。例如,快速剪切的软流圈可以扩大构造板块底部的牵引力(19),导致破裂和其他的火山作用引起的变形作用(2,8,13)。由此,如果其流变学性质是非牛顿性质的(non-Newtonian),快速的软流圈变形可以软化下部岩石圈,导致对流失稳(convectiveinstabilities)而引起地表火山作用(12)。最后,与岩石圈或者软流圈粘度不均一体的相互作用,软流圈剪切作用能偶直接引起上涌作用,也就是火山作用。比如,逐渐流向减薄岩石圈的软流圈会遇到引起熔融的上涌物质(3,10,12)。因此,由于软流圈剪切会倾向于集中在嵌入其中的低粘度体内,那么在粘度上不均一的软流圈的剪切作用能够促进引起火山作用的剪切上涌(shear-drivenupwelling)(18)。这些机制预测了快速剪切的软流圈地区之上更多的火山作用。通过比较板内火山作用的地理分布和软流圈尺度的模型预测,我们来检验该预测。 Figure1 Spatialcorrelationbetweenasthenosphericshearandcontinentalintraplatevolcanism.a,Backgroundcoloursshowasthenosphericshear magnitude.Recentbasalticvolcanismlocationsaredenotedascontinentalintraplate(greencircles)orother(blackdots)(seeSupplementary Information).Regionslessthan100kmfromintraplatevolcanismaredenoted(insets;greenarea),asaremajorhotspots (1) (pinkdiamonds:A = Afar, C = Caroline,E = Easter,H = Hawaii,I = Iceland,L = Louisville,R = Réunion,S = Samoa,T = Tristan)andvolcanicplateboundaries(pinklines). b,Asthenosphericsheardistributionforallintraplateareas(brown)comparedwiththedistributionforregionscontainingintraplatevolcanism(green hatched).c,Mantledensityheterogeneity(colours),flowvelocity(arrowsinpanel)andplatemotions(arrowsabovepanel)acrosswesternNorthAmerica (sectionina). 我们根据一个由地表板块运动和地幔密度不均一性所驱动的全球地幔流动模型,来估计现在的软流圈中剪切作用的强度(见补充材料)。软流圈剪切幅度具有较大的地区差异,因为上地幔流动和地表板块运动的强度和方向在空间上差异较大(补充材料Fig.S1)。在大陆下面,如非洲大部、亚洲和北美东部地区剪切幅度接近零,在北美和南美的西部以及快速运动的澳洲大陆地区则为5-8 cmyr -1 (Fig.1a,彩色区域)。剪切幅度差异在太平洋和印度洋洋盆地区特别明显(Fig.2a,彩色区域),地表板块运动比大陆快得多。 为了检验陆内火山作用是否更加集中分布在高软流圈剪切地区,我们从 www.earthchem.org 数据库中选取了3760个火山样品,这些样品满足以下条件:是较新的 (年龄10Myr)、板内的(离火山板块边界300km)和玄武质的(见补充材料,Fig.S2)。我们将采样地点100km范围内的大陆地区作为“板内火山作用”区域,对样品副本进行了修正(Fig.1a;见补充材料)。所有这样的地区平均剪切强度为3.3cmyr -1 ,是陆内平均值1.9cmyr -1 的1.74倍。实际上,所有的板内火山作用区域剪切作用的分布是双峰式的(bimodal),并包含一个较大的高剪切峰,使板内火山作用分布向高剪切强度倾斜(Fig.1b)。例如,64%的板内火山作用分布在软流圈剪切速度高于3.0cmyr -1 的区域,而这只占18%的板内大陆区域。类似地,软流圈剪切作用高于6.0cmyr -1 的18.4%的大陆区域则有火山作用,这一火山密度总体来说几乎是板内大陆地区的5倍。 为检验 板内火山作用与随机的 剪切作用的对应关系(co-location),通过验证全球软流圈剪切模式的10000个随机再定位(补充材料Fig.S3)和重新一一计算Fig.1b中的剪切分布,我们计算了p值(见原文Methods介绍)。我们测算了板内火山作用的平均剪切量,至少到我们所观测到的极限(即1.74倍板内平均值),仅用时的3.75%。另外,Kolmogorov-Smirnov统计测试(见Methods介绍)显示,来自板内分布的偶然随机采样的火山作用剪切分布的概率低于5%,如果前者形成于仅6个或以上独立点(补充材料Fig.S4)。如果有明显6个以上独立的板内火山作用地区(Fig.1a),则这些统计测试说明板内火山作用在高剪切作用地区的普遍存在并不是偶然出现的情况。 软流圈剪切最大的大陆地区是北美西部、澳大利亚东部,这两个地区都有大面积的板内玄武质火山作用(2-4)。澳大利亚下面的高剪切作用已经有地震各向异性检测到,并解释为由大陆的快速向北运动所致(22)。北美西部的高软流圈剪切作用也在各向异性上检测到(23),是由北美板块向西移动到往下降的Farallon板片移动的向东的上地幔流之上引起的(Fig.1c)。在南极地区、南美和欧洲的玄武质火山作用也同样倾向于产生在高剪切地区(Fig.1a)。在非洲和亚洲也有一些重要的板内火山作用地区位于低剪切区域,但是他们代表的是极少数情况。 Figure2 Spatialcorrelationbetweenasthenosphericshearandseamountvolcanism.a,Locationsofseamounts(24)residingonseafloorlessthan10Myrold(bluecircles)andthoseonolderseafloor(blackdots).Asthenosphericshearamplitude(backgroundcolours,notethedifferencefromFig.1a),intraplatevolcanismregions(inset;bluearea),hotspots(A=Afar,C=Caroline,E=Easter,H=Hawaii,I=Iceland,L=Louisville,R=Réunion,S=Samoa,T=Tristan)andplateboundarylocationsareasinFig.1a.b,Asthenosphericsheardistributionforseaflooryoungerthan10Myr(blue)comparedwiththedistributionforregionswithin100kmofaseamount(redhatched).c,Mantleflowpatterns(depictedasinFig.1c,exceptthatplate-motion-arrowlengthshavebeenreducedbyhalf)acrosstheEPR(sectionina). 位于每个洋盆海底的海山是板内火山作用的结果,但是其中有很多是在很久以前形成的,那时剪切模式完全不同。为标出现在板内火山作用的海底地区(见补充材料),我们根据一项全球调查考虑的是在海底保存年龄低于10Myr的海山(Fig.2a)。如我们在大陆地区的发现类似,海底火山作用下面的平均剪切量通常比在年轻海底的值要高(高1.45个因子),它的双峰式分布统一也想高剪切作用倾斜(Fig.2b)。例如,快于8.0 cmyr -1 的软流圈剪切仅仅占年轻海底区域的19%,但是却占年轻海山周围的海底地区的43%。通过计算海底火山作用的p值(见Methods介绍),我们发现仅仅2.76%的软流圈剪切重组可以产生海山下的平均剪切值,这至少是年轻海底平均值的1.45倍,而且只有0.034%的同时满足大陆和海底的倍数(补充材料Fig.3S)。Kolmogorov-Smirnov测试表明,如果这一分布是由18或更多独立的点来决定的话(补充材料Fig.S4),那么有可能所观测到的海山剪切分布出现的概率不到5%。为便于对比,数量比年轻海山的数量高30倍以上,尽管也许并不是所有的都是独立的。这些测试充分表明,与大陆火山作用类似,海底火山作用也大多分布在快速剪切的软流圈之上。需要注意的是,我们将复活节岛(EasterIsland)热点东部的海山也当作板内火山作用地区(Fig.2a,插图)。如果这些位于微弱剪切的Nazca软流圈之上的海山并不是复活节岛地幔柱的产物(3),板内火山作用的双峰式剪切分布将会更加想高剪切强度方向倾斜(Fig.2b)。 年轻海底海山最密集的是东太平洋隆起(EastPacificRise,EPR)西部,此处软流圈的剪切作用比地球上其他任何地方都要快(Fig.2a)。这一快速剪切可以达到14 cmyr -1 ,这是由于向西的太平洋板块运动以及相反的向东的上地幔流作用形成的,上地幔流从南太平洋上升流一直到南美俯冲下降流(Fig.2c)。相反,EPR东部Nazca板块和下伏地幔都向西运动,这大大降低了软流去那段剪切作用而与海山几乎没有对应关系(Fig.2a,插图)。横穿EPR海山密度的不对称性在前人研究中也曾注意到(9),这与横穿胡安德富卡(JuandeFuca)洋中脊的不对称性是相似的,表明在这些洋中脊的西边有过量的熔体存在。这一熔融不对称性可能是由于向西的压力驱动的软流圈流动所形成的,软流圈流动会引起(向东减薄的)太平洋板块之下的上升流(10)。在向西迁移的洋中脊的太平洋一侧对略少亏损的地幔采样,也可能会产生不对称性熔融11),但是熔融计算显示这一作用比较微小(10)。本文我们给出的一个可能的解释就是:存在于两个板块之下的粘性不均一性是普遍的,但是这能够促进在EPR东部一侧的更强的剪切上涌(18),并伴随着熔融作用,因为剪切强度在此处明显更高。 Figure3 TemporalcorrelationbetweenseamountdensityandspreadingrateforthePacificBasin.Thecolouredregions(leftaxis)showseamountvolumedensity(seeSupplementaryInformation)onthePacificplateasafunctionofpresent-dayseafloorage,forfourbinsofseafloorageatthetimeofseamountemplacement(25).Emplacementagesyoungerthanunderlyingseafloorindicateuncertaintyinageestimatesforindividualseamounts;thisuncertaintyisreducedherebecausegroupsofseamountsareconsideredinaggregate(25).Thepurplecurve(rightaxis)showstheaveragePacificbasinhalf-spreadingrateasafunctionofseafloorage,computedbyaveragingseafloorspreadingratesmeasuredalongPacificbasinisochronsthatarelessthan10Myroldinarecentseaflooragereconstruction(30). 那么远离过去板内火山作用所形成的洋中脊的太平洋海山,则对于约束这一火山作用的时间关系非常有用。根据一个太平洋海山年龄的数据库(25)(补充材料Fig.5S),对在洋中脊轴线附近的海山(海底年龄在0-10或者10-20Myr之间)以及在古老海底的海山(20-45Myr),我们估算了(见补充信息)太平洋板块中平均海山体积密度随海底年龄的变化情况(Fig.3)。洋中脊附近海山体积密度的时间相关性大致与太平洋海盆扩张速率的变化是一致的(Fig.3)。特别是扩张速率和海山就位速率在80Myr之前都达到了最高,在60Myr附近最低,然后在~10Myr达到局部最高值。平均扩展速率应该与太平洋板块的速度以及软流圈剪切的幅度具有对应关系。因此海山产物和海底扩张速率的这种对应关系(Fig.3)进一步支持了板内火山作用是和快速的软流圈剪切作用相关的观点。 板内火山作用并不是产生在所有的快速剪切的软流圈之上的(如东澳大利亚中部),也并不是在每个板内火山下面均预测有高剪切作用(如东非喀麦隆线)。因此尽管高剪切作用可以促进板内火山作用,但是他必须与其他影响因素(如粘性不均一性和近固相线的软流圈)联合才能产生作用,其中有一些偶尔也会在相对较低剪切的条件下产生火山作用。较高的剪切作用也可能会存在于比全球流动模型(21)更小尺度的流动中。例如板片可以在移动带(mobilebelt)(6)之下极大地改变流动模式,非洲各种厚度岩石圈下的上涌地幔侧向流可能就是与现在的岩浆作用有关(7)。 板内火山作用之下快速剪切作用的出现发生在各种岩石圈和地质背景条件下,这表明这种火山作用的驱动机制存在于软流圈之中。岩石圈机制如破裂(cracking)(13,14)或者对流失稳(convectivedestabilization)(15-17),可以通过基底牵引(basaltraction)或者剪切软化(shearweakening)由软流圈剪切作用得到促进,但是剪切作用之上火山作用的定位可能会由于弹性应力在侧面的大量转移(19)和年轻较薄岩石圈的相对稳定性(如EPR或北美西部)(16,17,20)而比较困难。相反,如果粘性不均一性存在的话,软流圈剪切驱动的上升流预测了对应的火山作用和剪切作用(18)。在洋中脊以及部分大陆(包括澳大利亚东部(3,27)和北美西部(28))之下成分不均一性可能是普遍的,尽管洋中脊玄武岩成分相对比较统一(26)。这种普遍的不均一性,尤其是当和矿物水合作用(28)联系起来时,可以形成粘性差异(29)而只促进高剪切作用区域的上升流。如果剪切驱动上升流可以解释高剪切作用和板内火山作用的对应关系,那么全球地幔对流模式则控制这地球上大部分低体积玄武质板内火山作用。 参考文献:(请直接查阅原文。图片不太清楚,请参考pdf文档中的清晰图像)
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洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(2)
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洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(2)
洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(2) The Fate of Subducted Slabs:Perspectives from Studies of Phase Transitions in the Earth’s Mantle (续)接 《洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(1)》 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=92454do=blogid=422988 , 现为第3章和第4章。 3.大陆地壳(岩石圈)的深俯冲 大陆岩石圈(地壳)与大洋岩石圈具有较大的区别,其在年龄、物质、结构等方面均存在较大差异,地球化学组成上更加复杂。 目前对于大陆地壳的深俯冲研究资料比较有限,主要是针对代表性的大陆地壳物质成分进行高温高压实验,从矿物和岩石物性方面进行解释和分析。Irifune et al.(1994)]和Wu et al.(2009)分别对平均大陆上地壳成分(氧化物合成)和天然大陆上地壳岩石(副片麻岩)进行了高温高压相变实验。两者在物质成分上略有差异(参考Wu et al.,2009原文中的成分对比Table),区别是前者所使用的物质成分为化学合成样品,后者使用的是中国东部大别山双河地区的副片麻岩天然样品。 图14. Mineral proportion changes in the continental crust composition as a function of pressure. Point = the results of a mass-balance calculation using chemical composition data obtained in the present experiments; Cpx = clinopyroxene; Coe = coesite; Or = orthoclase; Ga = garnet; Ky = kyanite; Wd = K2Si4O9 wadeite; Hol = KAlSi3O8, hollandite; St = stishovite; CAS = unidentified Ca and Al-rich silicate; CaPv = CaSiO3 perovskite; CF = calcium ferrite-type phase. (Irifune et al.,1994) 图15. Mineral proportions of the subducted upper continental crust as a function of pressure. Ca–Pv, Ca pervoskite; Cs, coesite; Ep, epidote; C, graphite heater; Cpx, jadeite. Grt, garnet; Holl, KAlSi3O8-hollandite; Jd, jadeite; K-mica, K rich mica with unknown structure; Law, lawsonite; M, melt. Or, orthoclase; Phe, phengite; St, stishovite. (Wu et al.,2009) 随压力(深度)增加,所观测到的物相见图14和15,详细的相关系请参考原文叙述,在此不再赘述。Wu et al(2009)实验结果与 Irifune et al(1994)在氧化物体系的实验有如下两方面差异:(1)Wu et al(2009)的实验中未出现 CAS 相;(2)Wu et al(2009)研究中硬玉(Cpx)含量高于 Irifune et al(1994)的实验,且未观察到硬玉在约 24 GPa 分解为 NAL(NaAlSiO4)+斯石英。 图16. Zero-pressure density changes in the continental crust (CC) and pelagic sediment compositions (SIL = siliceous facies; ARG = argillaceous facies) as a function of pressure. Density changes in a pyrolite composition are also shown for comparison. (Irifune et al.,1994) 图17. Comparison of the calculated densities of the subducted continental crust and MORB (Aoki and Takahashi, 2004; Hirose et al., 1999) with respect to the density profile derived from PREM model (Dziewonski and Anderson, 1981). Density calculations were carried out along the three geotherms which are typical for cold and hot subduction and normal mantle. The thirdorder high-temperature Birch–Murnaghan equation of state was used in the density calculations.(from Wu et al.,2009) 结果发现,陆壳物质在8-9GPa以下其密度远远低于pyrolite的密度,但随后在斯石英和K-锰钡矿等高压矿物的形成以及连续的脱水作用下,陆壳物质的密度将超过pyrolite甚至MORB,在660km不连续面时pyrolite和俯冲陆壳物质的密度相近(图 16,17);但随着压力继续增加进入下地幔时,林伍德石相变分解形成更高密度的钙钛矿和镁方铁矿,下地幔顶部岩石密度将再次远远大于深俯冲陆壳物质的密度。由此可见,大陆上地壳在深俯冲作用过程中或许至少可以俯冲到400km以下的地幔转换带中,这对于我们认识大陆俯冲动力学具有重要的意义。至于大陆上地壳岩石在更高压力的下地幔条件下行为如何,目前尚缺乏直接的高温高压实验数据。Irifune et al.(1994)推测,大陆上地壳物质的密度将会一直低于下地幔岩石的密度,致使俯冲陆壳板片被阻挡在地幔转换带底部处。 以上是对两个代表性的高温高压实验研究对大陆地壳深俯冲命运探索的介绍,下面继续介绍Komabayashi等(2009)对大陆代表性岩石的密度计算结果及其对大陆物质深俯冲命运的启示。 图18. Zero-pressure density profile to 27 GPa for TTG (this study), anorthosite (this study), MORB (Irifune and Ringwood, 1987; Hirose et al., 1999), pyrolite (Irifune and Ringwood, 1987), and harzburgite (Irifune and Ringwood, 1987). (from Komabayashi et al.,2009) Komabayashi等(2009)根据相关数据资料对大陆TTG岩石和斜长岩与MORB、pyrolite及方辉橄榄岩的密度对比计算表明(图18),TTG岩石在9-10 GPa左右斯石英矿物组合形成以后直至下地幔,其密度始终都是大于pyrolite;而斜长岩在9-10 GPa左右斯石英矿物组合形成以后直至转换带底部(24 GPa左右),其密度一直都大于pyrolite,但在转换带底部由于pyrolite中后尖晶石相变生成了更高密度的钙钛矿和镁方铁矿矿物组合,密度关系倒转;在25GPa左右斜长岩中的石榴石相变其密度再次短暂超过pyrolite,而在此深度以下,斜长岩的密度一直都略小于pyrolite。可见,大陆TTG岩石在深俯冲过程中是可以穿越660 km不连续面而进入下地幔甚至核幔边界;而对于斜长岩,预计中的大面积斜长岩目前在地表并未找到,可以认为大量的斜长岩在地质历史时期都发生深俯冲而进入了地幔中,由于俯冲物质具有相对较低的温度,这一温度效应可能使斜长岩在深俯冲过程中具有比周围地幔更高的密度,从而也可以穿越660 km不连续面而进入下地幔。 4. 小结 与大陆和大洋岩石圈深俯冲相关的岩石零压密度随深度的变化关系总结在图19中,在660km不连续面以上由于大陆地壳岩石和MORB中可以形成高密度的斯石英或者石榴石(榴辉岩),其密度将大于pyrolite,单从密度考虑有理由相信大陆岩石和玄武质岩洋壳可以发生深俯冲直到转换带底部。即使pyrolite中后尖晶石相变产生了更高密度的钙钛矿和镁方铁矿组合,但是俯冲带内由于具有相对较低的温度而使岩石密度可能更高,另外在下地幔顶部(700-800km)石榴石也逐渐完全转变成高密度的钙钛矿而产生拖拽力,从而使深俯冲的板块可以俯冲至下地幔。 虽然密度是非常重要的因素,然而影响板块俯冲的因素还需要考虑上下地幔的粘性以及相关的热力学因素,另外地球演化和地质历史时期中地幔内部的状态特征与目前的地幔亦有差异,这些因素对于研究古板块和现在的板块的深俯冲作用都具有重要影响作用。 图19. 几种代表性岩石零压密度随压力/深度变化的比较(周春银等,2010).资料来源:Pyrolite(Irifune and Ringwood,1987), MORB(Irifune and Ringwood,1987; Hirose et al.,1999), 斜长岩(Komobayashi et al.,2009), 副片麻岩(Wu et al.,2009), TTG(Komobayashi et al.,2009), 方辉橄榄岩(Irifune and Ringwood,1987). 其中,副片麻岩在24GPa 以上压力条件下的密度变化目前尚缺乏相关的数据. (完) 参考文献: 费英伟, 2002. 地幔中的相变和地幔矿物学. In: 张有学 and 尹安 (Editors), 地球的结构、演化和动力学. 高等教育出版社, 北京, pp. 49-90. 周春银,金振民,章军锋,2010,地幔转换带:地球深部研究的重要方向,地学前缘, 17(3),90-113. Aoki, I. and Takahashi, E., 2004. Density of MORB eclogite in the upper mantle. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 143-144: 129-143. Dziewonski, A.M. and Anderson, D.L., 1981. Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 25(4): 297-356. Kennett, B.L.N., Engdahl, E.R. and Buland, R., 1995. Constraints on seismic velocities in the Earth from traveltimes. Geophysical Journal International, 122(1): 108-124. Hirose, K., Fei, Y., Ma, Y. and Mao, H.-K., 1999. The fate of subducted basaltic crust in the Earth's lower mantle. Nature, 397(6714): 53-56. Irifune, T., Sekine, T., Ringwood, A.E. and Hibberson, W.O., 1986. The eclogite-garnetite transformation at high pressure and some geophysical implications. Earth and Planetary Science Letters, 77(2): 245-256. Irifune, T. and Ringwood, A.E., 1987. 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洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(1)
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洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(1)
洋壳和陆壳的深俯冲命运:来自地幔相变研究的观点(1) The Fate of Subducted Slabs:Perspectives from Studies of Phase Transitions in the Earth’s Mantle 说明:由于本文插图众多,篇幅较长,不得不将原文章拆分为两部分,总共4章,第1章为前言和背景介绍,第2章讨论洋壳物质的深俯冲命运,第3章讨论陆壳物质的深俯冲命运,第4章小结。 1.前言 关于岩石圈(包括大陆岩石圈/地壳和大洋岩石圈/地壳)的深俯冲命运,是板块构造和地球动力学研究的永恒的话题。岩石圈的深俯冲命运,不可能单一地由某一地学学科(地球化学、地球物理、实验岩石学等)得到完整解释,必须结合多方面的研究成果来认识。本人学识有限,不可能面面俱到,在这里仅从地幔相变研究出发,来稍微做一点介绍。 由于本文讨论是以地幔相变为基础的,因此需要对基本的地幔矿物学知识有所了解才便于理解,大家可以参考本博《 地球内部的基本基本结构和物质组成 》 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=92454do=blogid=408337 及文后参考文献,以及费英伟(2002)的文章(见参考文献);另外最重要的三类岩石的相变,即pyrolite(地幔岩)、方辉橄榄岩和玄武岩(MORB)体系的相变,本博上一篇文章《 地幔相变 Phase transitions in the Earth’s Mantle 》 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=92454do=blogid=419398 已经对此进行了介绍。需要强调地是,本文讨论是以《地幔转换带:地球深部研究的重要方向》一文中的3.5.2节“洋壳和陆壳的深俯冲命运”为主体而展开的,同时加入了更多的原始参考文献数据和图解,内容更加详实丰富。 本文将首先分别讨论洋壳和陆壳物质的深俯冲命运,然后结合Komabayashi等(2009)的文章对其他的代表性岩石的密度-深度剖面进行简单介绍。另外,由于实验条件有限,相关的岩石在下地幔条件下的高温高压相变实验报道很少,本文也将以作者所了解的文献为基础稍作说明。 2.大洋岩石圈的深俯冲 要认识大洋岩石圈的深俯冲命运,首先要对大洋岩石圈的基本结构有所了解。如图1所示,根据Ringwood的模型(e.g. Ringwood and Irifune,1988),大洋岩石圈顶部是一层几公里的相对较薄的玄武岩层(MORB),玄武岩层下面为20多公里厚的方辉橄榄岩层,更下部的为二辉橄榄岩以及“亏损”地幔岩成分物质。在大洋岩石圈深俯冲过程中,二辉橄榄岩以及“亏损”地幔岩层由于物质组成和性质与周围地幔相近,而将会被吸收进入周围地幔环境中,因此,玄武质洋壳(MORB)和方辉橄榄岩的性质变化决定着大洋板块深俯冲的最终命运。 图1. 大洋岩石圈结构图(from Ringwood and Irifune,1988) 2.1玄武质洋壳(MORB)深俯冲命运 The fate of subducted basaltic crust 图2. Phase relations in MORB composition up to 27GPa. Solid lines represent solidus and liquidus temperatures.(Hirose et al.,1999) 图3. Mineral proportions (wt%) in MORB as a function of depth (Perrillat et al.,2006). The solid circles represent the phase proportions estimated in this study from Rietveld refinement of the in situ XRD spectra at 2050 K. Previous estimates by Ono et al. (2001), Hirose et al. (1999) and Irifune and Ringwood (1993) are reported as squares, triangles and open circles, respectively. Mineral abundances at shallower depth region are taken from Irifune et al.(1986). 图4. Experimental conditions and schematic phase relation of NMORB (Ono et al.,2005). Phase assemblages are solid circles, Mg perovskite + Ca perovskite + stishovite + CaFe2O4- type aluminous phase; solid triangle, Mg perovskite + Ca perovskite + CaCl2-type silica + CaFe2O4-type aluminous phase; solid square, CaIrO3-type (Mg,Fe)SiO3 + Ca perovskite + a-PbO2-type silica + CaTi2O4-type aluminous phase. Solid diamonds present results from previous multianvil experiments . Abbreviations in the diagram of phase relation are GA, majoritic garnet; CF, CaFe2O4-type aluminous phase; MP, Mg perovskite; CP, Ca perovskite; ST, stishovite; CC, CaCl2-type silica; CT, CaTi2O4-type aluminous phase; CI, CaIrO3-type (Mg,Fe)SiO3; AP, a-PbO2-type silica. 玄武质洋壳(MORB)体系在地幔中的相变可以参考图2(上地幔),3(下地幔上部)和4(下地幔)。 随着俯冲深度的增加,其中的辉石会逐渐转变为石榴石,玄武岩相变为榴辉岩,而榴辉岩的密度超过了地幔橄榄岩(pyrolite)的密度,驱动着洋壳进一步俯冲到更深的地幔转换带底部(图5;Irifune and Ringwood,1993; Ringwood and Irifune,1988)。但是在转换带底部660处,地幔中的矿物林伍德石相变分解形成更高压高密度的矿物集合体(钙钛矿和镁方铁矿),而MORB由于Al含量比pyrolite更高,致使其中石榴石(majorite)的能够保持稳定至800km深度,石榴石密度比钙钛矿密度低~10%,那么俯冲洋壳的密度将小于周围地幔的密度,成为洋壳穿越转换带底部不连续面的阻碍(图5,6,7)。但是当MORB中的石榴石在27GPa左右完全相变为钙钛矿后,下地幔中MORB的密度将再次大于周围地幔密度(图6,7)。如果俯冲洋壳在转换带底部/上地幔顶部堆积能够突破浮力阻碍而进入下地幔,将可能继续俯冲至核幔边界(图8)。 图5. Density differences between MORB and pyrolite compositions and between harzburgite and pyrolite compositions as a function of depth. (Irifune and Ringwood,1993) 图6. Comparison of zero-pressure density changes in MORB (solid line) and pyrolite (dashed line) (Hirose et al.,1999). Solid circles represent the calculated densities at 24, 26 and 27GPa from X-ray diffraction and microprobe data. The density profle of pyrolite is from a previous study(Irifune and Ringwood,1987). Pyrolite becomes denser than MORB at 660km depth because of the transformation to perovskitite lithology, but once MORB transforms to perovskitite at 720km depth, it is no longer buoyant in the deep mantle. 图7. Comparison of calculated densities in MORB, with average mantle densities based on seismic observations (Ono et al.,2001). It was assumed that the proportions of major phases remained constant for different temperatures. Solid lines represent the isothermal density profiles. The average mantle densities are from Dziewonski and Anderson (1981): PREM and Kennett et al.(1995): AK. 图8. Net density profile of MORB composition.(Hirose et al.,2005) Pressure was calculated based on EOS of gold proposed by (a) Tsuchiya (2003) and by (b) Jamieson et al. (1982). Circles, MgPv+St+CaPv+CF; triangles, MgPv+CaCl2-type SiO2+CaPv+CF; squares, MgPP+a-PbO2-type SiO2+CaPv+CF. Closed and open symbols indicate 300 K and high temperature (1750–2290 K) data, respectively. Broken lines indicate the PREM density. The error of density is typically 0.02 g/cm3, derived from the uncertainties in volumes of coexisting phases and in mineral proportion. (a) Solid line shows a density profile at 300 K for perovskite-dominant assembly fitted to the Birch–Murnaghan equation of state. (b) Data by Ono et al. (2005) using Jamieson’s gold scale were shown for comparison (pluses). Slightly lower density reported by Ono et al. (2005) is primarily due to the lower density of CaFe2O4-type Al-phase with a different chemical composition. 2.2 大洋岩石圈方辉橄榄岩层的深俯冲命运 The fate of subducted harzburgite layer 方辉橄榄岩是俯冲大洋岩石圈中的另一种重要的岩石,它在俯冲过程中与MORB的相变行为不同。方辉橄榄岩的相变见图9. 图9. Mineral proportion changes in a harzburgite compositions as a function of pressure. (Irifune and Ringwood,1987)Opx = orthoenstatite; Cpx = clinoenstatite; St =stishovite; llm = ilrnenite. 根据前人的研究结果(Irifune and Ringwood,1987; Ringwood and Irifune,1988),在660以上,方辉橄榄岩密度始终都小于pyrolite(图 10),这是由于方辉橄榄岩比pyrolite中Fe和Al含量均相对较低,而Al是高密度的石榴石的主要成分之一。在下地幔顶部(24-26GPa),同样由于pyrolite中Al使石榴石稳定至更深部,方辉橄榄岩的密度才略大于周围地幔以及MORB的密度。但是随着pyrolite和MORB中石榴石在27GPa左右完全转变成钙钛矿,此后一直到核幔边界,方辉橄榄岩的密度将始终略微小于相同深度的下地幔岩石(图11)。但是这并不能简单地就此而认为方辉橄榄岩完全无俯冲至下地幔的可能,且看下面的分析。 图10. Density profiles in the harzburgite, MORB and pyrolite compositions along the geotherm as a function of depth. (Irifune and Ringwood,1987) 图11. Bulks density variations of pyrolite, hartzburgite, and MORB calculated, based on the PVT-EoS of constituent mineral phases and their proportions (refer to the paper for details). Broken lines at pressures lower than 30 GPa are results in Irifune (1993).(from Irifune and Tsuchiya,2007) 根据Ringwood的大洋岩石圈模型,Irifune和Ringwood(1987,1988)将玄武岩(MORB)和方辉橄榄岩以1:4的比例(图1,玄武岩和方辉橄榄岩层厚度比大约为1:4)混合来代表深俯冲洋壳的组分,研究俯冲洋壳与周围地幔的密度关系,结果发现在650km以上俯冲洋壳始终比pyrolite密度大,但在下地幔顶部密度关系又倒转过来,而在下地幔700km左右洋壳的密度将再次大于pyrolite,在此深度以下,二者的密度非常接近(图12)。以上结果表明,影响洋壳深俯冲最终命运的关键问题在于能否突破地幔转换带底部的浮力障碍。 图12. Density differences between subducted slab and surrounding mantle. (Ringwood and Irifune,1988) The slab is assumed to consist of 20% basalt and 80% harzburgite and to be cooler than surrounding mantle by 800°C at 400 km and by 400°C at 650 km, attaining thermal equilibrium with surrounding mantle at ~900 km. The surrounding mantle follows the geotherm of Brown and Shankland (1981) and consists of pyrolite above 600 and below 700 km. Between these depths the mantle consists of a pre-existing layer of basalt and harzburgite (图13). Ringwood和Irifune则提出在转换带底部,俯冲的洋壳物质(玄武岩和方辉橄榄岩)可能在660附近堆积而形成一个“巨石”(megalith)(图13;Ringwood and Irifune,1988),这些堆积或残留在转换带底部的洋壳物质及“巨石”可以在横向和纵向上伸展,很可能与所观测到的地震波异常有关;温度相对较低的“巨石”由于高密度而将沉入下地幔中。但是俯冲的洋壳与周围地幔的密度关系非常复杂,相边界的压力-温度斜率此时具有重要意义:转换带底部的主要矿物相是林伍德石和石榴石(majorite),后尖晶石相变和石榴石-钙钛矿相变分别具有负的和正的P-T斜率(Clapeyron Slope),而俯冲带内(或者“巨石”)温度相对周围地幔要低300-400℃,那么意味着在下地幔顶部pyrolite中林伍德石转变成高密度的钙钛矿和镁方铁矿矿物组合后,俯冲带内相对低密度的林伍德石(橄榄石组分)仍可能保持稳定而未发生分解,而石榴石成分则可能已经转变成更高密度的钙钛矿了,由此俯冲带内林伍德石和石榴石组分此时将分别产生正的和负的浮力,二者综合作用的效果尚需进一步的研究。 图13. Model showing subduction of a cool, thick plate of differentiated oceanic lithosphere. Previous subduction episodes involving thin, thermally equilibrated plates have produced a layer of former harzburgite and basalt ('ancient oceanic lithosphere') between 600 and 700 km. The tip of a cool, thick plate experiences buoyant resistance when it penetrates this layer and encounters the discontinuity at 650 km (the 670-km discontinuity in the above figure should read 650-km discontinuity). At that depth the fonner oceanic crust and harzburgite layers may plastically thicken and buckle to form a large melange (megalith) situated mainly below the seismic discontinuity. The megalith is a transient feature and ultimately becomes entrained in the convective regime of the lower mantle. The lower layer of ductile depleted pyrolite initially at the base of the descending plate of sub-oceanic lithosphere becomes resorbed into the upper mantle by convective circulation owing to its inability to penetrate the harzburgite-basalt layer at 600-700 km because of the buoyancy relationships. (from Ringwood and Irifune,1988) (未完,下文见《洋壳和陆壳的深俯冲命运 :来自地幔相变研究的观点(2)》 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=92454do=blogid=423022 ) 参考文献: 费英伟, 2002. 地幔中的相变和地幔矿物学. In: 张有学 and 尹安 (Editors), 地球的结构、演化和动力学. 高等教育出版社, 北京, pp. 49-90. 周春银,金振民,章军锋,2010,地幔转换带:地球深部研究的重要方向,地学前缘, 17(3),90-113. Aoki, I. and Takahashi, E., 2004. Density of MORB eclogite in the upper mantle. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 143-144: 129-143. Dziewonski, A.M. and Anderson, D.L., 1981. Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 25(4): 297-356. Kennett, B.L.N., Engdahl, E.R. and Buland, R., 1995. Constraints on seismic velocities in the Earth from traveltimes. Geophysical Journal International, 122(1): 108-124. Hirose, K., Fei, Y., Ma, Y. and Mao, H.-K., 1999. The fate of subducted basaltic crust in the Earth's lower mantle. Nature, 397(6714): 53-56. Irifune, T., Sekine, T., Ringwood, A.E. and Hibberson, W.O., 1986. The eclogite-garnetite transformation at high pressure and some geophysical implications. Earth and Planetary Science Letters, 77(2): 245-256. Irifune, T. and Ringwood, A.E., 1987. 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Jamieson J.C., Fritz J.N., Manghnani M.H., Pressure measurement at high temperature in X-ray diffraction studies: gold as a primary standard, in: S. Akimoto, M.H. Manghnani (Eds.), High-Pressure Research in Geophysics, CAPJ, Tokyo, 1982, pp. 27– 48. Komabayashi, T., Maruyama, S. and Rino, S., 2009. A speculation on the structure of the D'' layer: The growth of anti-crust at the core-mantle boundary through the subduction history of the Earth. Gondwana Research, 15(3-4): 342-353. Ono, S., Ito, E. and Katsura, T., 2001. Mineralogy of subducted basaltic crust (MORB) from 25 to 37 GPa, and chemical heterogeneity of the lower mantle. Earth and Planetary Science Letters, 190(1-2): 57-63. Ono, S., Ohishi, Y., Isshiki, M. and Watanuki, T., 2005. In situ X-ray observations of phase assemblages in peridotite and basalt compositions at lower mantle conditions: Implications for density of subducted oceanic plate. J. Geophys. Res., 110: B02208,doi:10.1029/2004JB003196. 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岩石圈中热压系数计算及研究意义
Michaelhu 2010-12-31 23:46
岩石圈中,如同温度,压力也是决定岩石圈中许多地质作用的主要因素。 岩石圈中的压力来源有重力、热压和机械力。其中热压计算的关键之一是热压系数。 通过岩石圈中主要物质和相态的热压系数计算,分析影响热压系数的因素及热压存在的条件,探讨岩石圈中热压研究的潜在意义,初步认识如下(胡宝群等, 2008 ) : (1) 常压下各种物质的热压系数平均值为 3 MPa/K 左右,其变化范围主要为 0.33~9.22 MPa/K ,主要集中于 1.08~4.88 MPa/K 。即在常压、等容条件下,每增加1K时,就可产生 3 MPa左右的压力。热压系数一般随压力增加而增加。 (2) 在岩石圈中由于热压存在,可造成岩石圈中的地压梯度明显增加。 (3) 热压存在的前提是等容体系。岩石圈既不是理想的等容体系,但绝不会是理想的开放体系,而是介于两者之间。故岩石圈中的地压梯度介于静岩压力梯度和封闭体系仅考虑热压和重力叠加后的地压梯度之间(可达到静岩压力梯度的2-4倍、详见第3篇博文)。 ( 4) 岩石圈中的热压系数在物质相变点处剧增。 相变点处的热压剧增可能导致火山、地震、成矿作用及变质作用等,具有极为重要的地质意义。
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为什么要研究岩石圈中的地压梯度(开博首篇)
Michaelhu 2010-11-15 16:58
岩石圈的物质组成、物性、地温已有不少人在研究,形成专门的学科分支,然而岩石圈中的地压梯度也是一个大问题,牵涉面广(诸如压力、压力-深度换算关系及其变化,与压力或深度有关地质过程等),综合性强,远未研究清楚。据本人现有的认识,地学界现有的几个重大难题几乎都与岩石圈中的地压梯度未研究清楚有关。 地压梯度研究包括其来源,不同状态(不同体系性质、相态、组成、地温等)条件下的计算方法,不同状态转换时地压梯度的渐变与突变、相对应的地质响应。这些研究对超高压变质、变形、矿床形成、地震、火山、侵入岩的形成、岩石圈破坏及减薄、成矿大爆发等有重要的影响。
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