莫霍面到～km的不连续带

Question

如题所述

Answer 1

上地幔是由超镁铁岩构成的这一点已成为共识。首先是地球物理资料证明了这一点，上地幔中纵波（P波）的速度是8.1～8.3km/s，密度为3.3g/cm³。这与P波在纯橄榄岩、橄榄岩、石榴子石橄榄岩等岩石中传输的速度是相同的。玄武岩及金伯利岩中各种橄榄岩包体提供了上地幔物质组成的岩石、矿物学证据。实验岩石学除了进一步研究地幔的组成外，在地幔温度、压力下的相转换研究为地球物理对地幔结构的解释提供了物质证据。

图5-2 700km以上地幔橄榄岩中相转换概要图解

从v_P和v_S波速在地球各层圈的变化，Ringwood（1975）描绘了整个地球的结构分层，给出上、下地幔及过渡带的深度。Wyllie（1979）总结各种实验资料，给出了上地幔及过渡带中不同温度、压力下的相转换带的深度（图5-2）。Gasparik（1997）表述了上地幔的不同温度、压力下的矿物相关系（图5-3）。现在广泛认为，上地幔橄榄岩中的橄榄石α相转变为“β相”、橄榄石的“γ相”转化为“钙钛矿和镁质方铁矿”分别形成了400km和660km深度上的地震不连续（Irifune et al.，1996；Morishima et al.，1994；Suzuki et al.，2000；Hirose et al.，2001）。这些地震不连续带是全球性的，尤其是660 km深度上的不连续把下地幔与上覆的过渡带和上地幔分开（Wood，2000）。下面分析莫霍面以下上地幔中各个不连续带的相转换特征。

图5-3 上地幔不同温度、压力条件下的矿物相关系

1.上地幔中的三种橄榄岩之间的变化

Kushiro和Yoder（1966）用钙长石、镁橄榄石的玻璃和晶体作初始材料，按分子比An∶Fo=1∶1，重量比An∶Fo=66.4∶33.6，配好样品，进行固相线下的反应试验，Yoder（1976）根据不同的温度、压力条件下的实验结果总结出上地幔上部三种橄榄岩即斜长石橄榄岩、尖晶石橄榄岩、石榴子石橄榄岩的相互关系（图5-4）。

在压力位于图5-4的A线以下时，“钙长石+镁橄石”是稳定的，压力超过曲线A时，镁橄榄石消失，出现辉石和尖晶石，因而集合体为“辉石+钙长石+尖晶石”。其中辉石是单斜辉石和斜方辉石固溶体，固溶体中含有契尔马克分子（CaAl₂SiO₆和MgAl₂SiO₆）。在曲线A附近发生反应（Yoder，1976）：

实验及理论岩石学

这里（0

在图5-4的A和B曲线之间“辉石+钙长石+尖晶石”是稳定的，但辉石组分以及辉石与钙长石、辉石与尖晶石的比例是随着压力增加而变化的，存在着反应：

实验及理论岩石学

方程（5-2）右边的集合体的体积比左边两种矿物的体积小10%。因而，在固定温度下随着压力的加大，反应应该向右边进行，该反应形成钙质契尔马克分子和镁质契尔马克分子都包含在透辉石、顽火辉石的固溶体中。因而随着压力的增加，辉石中契尔马克组分增加，钙长石和尖晶石的量减少。

图5-4 根据实验资料总结的各种橄榄岩存在的温度-压力范围

当压力进一步增加，越过图5-4曲线B时，石榴子石开始出现，这时稳定的矿物组合为“石榴子石+单斜辉石”。在曲线B附近发生反应：

实验及理论岩石学

这里（02Gr₁表明镁石榴子石与钙铝榴石的分子比是2∶1。根据上述实验，把图5-4的A以下、A—B之间和B以上稳定存在的矿物组合区分开，并根据反应形成的特征矿物把上地幔的橄榄岩命名为斜长石橄榄岩、尖晶石橄榄岩和石榴子石橄榄岩。对比某些陨石和地球上橄榄岩的成分，发现两者密切相关。据报道，这些橄榄岩也可在地壳岩石中出现，“尖晶石橄榄岩”可呈褶皱带中心部位的大侵入体、碱性玄武岩中的包体、大断层带中的侵入体出现。“石榴子石橄榄岩”通常也在褶皱带中出现，并经受了高级变质，也可作为碱性玄武岩和金伯利岩筒中的包体出现。尤其是石榴子石橄榄岩本身成分范围较窄，但它在世界范围内广泛分布，从图5-4可以看出，石榴子石橄榄岩只有在上地幔的深度才是稳定的。这样，逐渐把这一实验成果作为了解上地幔上部矿物相关系的依据。

Robinson等（1998）用相对饱满的地幔岩（MORB-地幔岩）和亏损的橄榄岩（Tinaquillo二辉橄榄岩）在接近固相线的温度上进行尖晶石-石榴子石相转换的实验，实验表明，在MORB-地幔岩中，固相线温度在1470℃、压力低于2.8 GPa（深度＜85 km）时，石榴子石就不稳定，开始向尖晶石转换，对于较亏损的Tinaquillo二辉橄榄岩来说，石榴子石向尖晶石的转换出现在1520℃、3.1 GPa。在两种橄榄岩中，石榴子石-尖晶石的转换间隔大致为0.1～0.2 GPa。用天然橄榄岩做实验得到的尖晶石橄榄岩-石榴子石橄榄岩转化的温度、压力（图5-5）显然要大于早期用人工初始材料得到的转化线（图5-4中B）的温度、压力。Walter等（2002）利用原位X射线研究（in situ X-ray study）修正了CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂系统中尖晶石二辉橄榄岩-石榴子石二辉橄榄间过渡带（图5-6）温度、压力，据他们研究，该过渡带的 dT/dp斜率为～40±10℃/kbar。1575℃时，不变点的压力为 25.1±1.2 kbar。按过渡带曲线估计，1400℃时压力约为19.7kbar，比较接近Yoder（1976）的实验结果（图5-4中B）。

图5-5 MORB-地幔岩、Tinaquillo二辉橄榄岩的固相线（实线）和尖晶石-石榴子石反应边界（虚线）

2.～400km深处的相转换带

在上地幔的～400km深处，地震波不连续，P波速度增加0.6～1.0 km/s，出现了一个相转化带（图5-1，5-2）。实验岩石学研究表明，这是由于地幔岩中主要矿物的相转换所导致的。Ringwood（1975）的实验研究（图5-7）在这方面作出了创造性的贡献。

橄榄石是上地幔中主要组分，有关研究证明，至少在300km或更深的上地幔范围内，橄榄石中Mg/（Mg+Fe）的分子比是0.89左右（Ringwood，1975）。在高压下，镁铁橄榄石有三种同质多象变体：压力相对较低的同质多象变体是“α相”；高压相具尖晶石结构，其连续固溶体成分范围从纯Fe₂SiO₄到（Mg_0.8Fe_0.2）SiO₄，这种具尖晶石结构的橄榄石称“γ相”，γ相较α相密度大10%；从（Mg_0.8 Fe_0.2）SiO₄到纯的Mg₂SiO₄在高压下变成对称程度较低的“β相”，β相较α相密度大8%。

图5-6 制约尖晶石二辉橄榄岩与石榴子石二辉橄榄岩间过渡关系的p-t图解

从图5-7可以看出，纯的Fe₂SiO₄在这样的条件下，在压力超过50kbar时都变成γ相，纯的Mg₂SiO₄在压力超过118kbar时都变成β相。成分为M/（Mg+Fe）=0.89的橄榄石在压力达到109kbar时开始转换为（Mg_0.46Fe_0.54）₂SiO₄的γ相。在压力增加时，γ相的量增加，并且γ相越来越富Mg，在116kbar的压力下达到（Mg_0.75Fe_0.25）₂SiO₄，在这一点上，γ相转变为成分为（Mg_0.8Fe_0.2）₂SiO₄的β相。超过116kbar时γ相消失，进入（α相+β相）区。压力再稍增加到118kbar时，α相完全转变为β相。地幔成分的橄榄石从109kbar变成γ相，到118kbar完全变成β相，三相之间的转变经过的压力间隔是9kbar。如果温度、压力梯度是30bar/℃，在1600℃时相图上的曲线相应都要抬高18kbar，这说明在上地幔的～400km深处发生了橄榄石由“α相”经由“γ相”转变为“β相”的转换。相转换带的间隔为27km，这也就导致地震波速的不连续（Ringwood，1975）。

Morishima et al.（1994）用成分为（Mg_0.9，Fe_0.1）₂SiO₄的橄榄石做初始材料，应用“高压原位衍射技术（high pressure in situ diffraction technique）”精确测定橄榄石的α-β相间的转换边界（图5-8），测定中使高压装置与同步辐射线垂直，用同步辐射X射线源在高温、高压实验过程中进行样品的相的鉴定，能在不到一分钟的时间获得鉴定结果。另外，鉴定相与测定压力是同时进行的，实验试样承受的压力值可从压力标（NaCl）的状态方程直接获得。测定结果表明，Mg₂SiO₄的转换压力可用下列线性方程给出：

实验及理论岩石学

计算的dp/dt=0.0036 GPa/℃。从实验方法来看，Morishima et al（1994）测定的结果很精确，对比图5-8和图5-7可以看出，Morishima et al.（1994）的精确测定证实了Ringwood（1975）实验结果的可靠性。因而Morishima et al.（1994）认为，压力使橄榄石发生α-β相之间的相变，产生了400km深处的地震波不连续，可以制约上地幔的热结构。

辉石、石榴子石也是上地幔中的重要矿物。Ringwood（1975）用MgSiO₃·10%Al₂O₃的玻璃即相当于顽火辉石（MgSiO₃）60%和镁铝榴石（Mg₃Al₂Si₃O₁₂）40%做初始材料，进行高压实验，实验结果如图5-9所示。在压力达90 kbar时，这种玻璃结晶成40%的斜顽辉石和60%的镁铝榴石；在90～100 kbar之间，石榴子石的比例明显增加；到150 kbar时，这种玻璃完全结晶成石榴子石，其成分为[Mg₃（Mg，Si）Si₃O₁₂]₆₀·[Mg₃Al₂Si₃ O₁₂]₄₀。这种辉石-石榴子石之间的转换就发生在300～400 km之间，也是造成400 km深处的地震波不连续的一个矿物学因素。

图5-7 1000℃、40～200 kbar压力下，Mg₂SiO₄-Fe₂SiO₄系统中的相关系

图5-8 原位测定的 Mg₂SiO₄的相图

图5-9 MgSiO₃-Mg₃Al₂Si₃O₁₂系统在温度为～1000℃、压力改变时结晶产物中石榴子石比例的变化