PDF《地球的层圈结构、力学性质和地幔矿物的高压相变 ＂》

! # 卷($%%&

年) $ 期评! 述 地球的层圈结构、 力学性质和地幔矿物的高压相变 白武明'

, ( ! ! 谢鸿森$ ! ! 侯! 渭$ ('

! 中国科学院地质与地球物理研究所!北京) ($! 中国科学院地球化学研究所!贵阳) 摘! 要! ! 简要介绍了目前被广泛采用的地球内部的分层结构, 并说明了板块构造体系中岩石圈和软流层所对应 的分层方法, 以及各层圈的主要物质成分组成) 较系统地介绍了地幔矿物的高压相变实验结果和地幔的矿物组成) 结合高温高压下矿物的流变实验, 讨论了岩石圈、 上地幔、 过渡带和下地幔的变形机制和流变学性质) 关键词! ! 地球的分层, 矿物相变, 力学性质 0'

10#2 0'

#))+'

#

0 %)#) , %.

2#

13 4) -%.*$# *+, -./0123'

, ( ! ! 4,5 6723/8923$ ! ! 6:;

-91$ 01-#%2#,31% '

#'

42./'

5- () 62%'

2'

#,7'

%8% ,9 '

%%'

%'

, 31% .) 21'

5%#$:-,31% '

#'

42./'

5- () 62%'

2'

9 &

&

%%%$, 31% . ) 56)*'

%,*7

7 ?@9A9B CDA.ED.A9 7F D=9 5?AD=GC 12D9A17A ?2B D=9 E>

?CC1F1E?D172 7F D=9 >

1D=7CH=9A9 ?2B ?CD=927/ CH=9A9 ?C I9>

>

?C D=9 J?D9A1?>

E7JH7C1D172 7F D=9 >

?@9AC ?A9 B9CEA1K9B) -9 A9L19I D=9 A9C.>

DC 7F 9MH9A1J92DC

72 =13= HA9CC.A9 H=?C9 E=?239C 7F D=9 J?2D>

9 ?2B D=9 >

?DD9ANC J129A?>

E7JH7C1D172) 731E?>

HA7H9AD19C 7F D=9 >

1D=7CH=9A9,.HH9A J?2D>

9,DA?2C192D O729 ?2B >

7I9A J?2D>

9 ?A9 B1CE.CC9B) 8#&

91'

()7

7 >

?@9A9B CDA.ED.A9 7F D=9 9?AD=,J129A?>

H=?C9C E=?239,J9E=?21E?>

HA7H9AD19C ! 国家自然科学基金 (批准号: '

%$PP%#%, #%$Q#%$R) 、 中国科学院知 识创新工程 (STU4$ V 8- V W7) ) 资助项目 $%%# V %&

V %P 收到初稿, $%%# V %X V '

$ 修回 (! 通讯联系人) 5J?1>

: K?1IY J?1>

) 13E?C) ?E) E2 '

! 引言 地球是太阳系的一颗类地行星) 除地球外, 类地 行星还包括水星、 金星和火星) 它们的共同特点是: 距离太阳近, 质量小, 密度高, 主要由岩类物质 (指 硅酸盐和金属等高温凝聚物质) 组成 ['

] ) 在这四颗 类地行星中, 地球的质量和体积最大, 其内部层圈构 造最为复杂) 此外, 从地球表面观测到的大量地质和 地球物理现象, 如地震的发生, 火山的喷发, 乃至岩 石圈板块的运动, 都表明地球内部物质的相互作用 至今仍十分强烈) 地球还是一个演化时间最长、 演化 历史最复杂的类地行星) 鉴于地球的这些特点, 对固 体地球的探测必须是多角度的) 大致包括以下三个 方面: 对固体地球整体物理和化学状态的观测和研 究;

对地球内部各层圈物理性质和化学成分的观测 和研究;

以及对各层圈物质间相互作用的动力学过 程的观测和研究) 针对如此纷繁复杂的研究对象, 地 球科学发展了多种不同的探测方法) 地质学观测和 超深钻探都属于直接探测的方法, 此类方法所达到 地球内部的深度十分有限) 目前地质学观测所涉及 的最大深度在 '

%%ZJ 左右, 而超深钻探的深度只在 '

ZJ 之内) 因此, 间接的方法在地球内部的探测中 就显得十分重要) 全球性地球物理观测是最主要的 间接探测方法, 它包括地震学、 力学、 电学、 热学、 磁学, 以及界面形态学等多方面的研究, 目前已取得了 大量有关地球内部分层和各层圈物理性质和形态学 ・ : ;

;

・ 物理 方面的数据! 此外, 在模拟地球内部的高温高压条件 下进行实验研究, 也是了解地球内部物质结构的一 种间接探测方法! 在众多模拟实验研究中, 地幔矿物 的高压相变实验目前已获得了比较统一的实验结 果, 并推断出了被大多地球科学家所认可的地幔矿 物模型! 本文除对固体地球的层圈结构、 各层圈的物 质组成, 以及对地球各层圈的强度、 变形和流变学性 质等进行介绍外, 还对地幔矿物及其相变的高温高 压实验结果作较详细的报道! # 地球内部的分层和主要物质组成 固体地球总体上可以看作为一个弹性体, 允许 弹性波在其内部通过! 地震波是一种弹性波, 地震波 在地球内部的传播方式主要有纵波、 横波和面波等! 纵波的传播方向和介质的运动方向一致, 横波的传 播方向和介质的运动方向垂直! 面波又分为洛夫 ($%&

'

) 波和瑞雷 波! 洛夫波和瑞雷波都 为质点在水平方向振动的波, 但是洛夫波的振动方 向和波的传播方向垂直, 而瑞雷波的振动方向和波 的传播方向平行! 面波的特点是波扰动的幅度随离 开自由表面距离的增加而迅速衰减, 即波的扰动只 局限于自由表面附近! 由于纵波的速度大于横波的 速度, 在地震台的记录中纵波最先到达, 所以纵波也 称为 / 波(012'

) 34,5)'

) , 横波在 / 波以后被记录 到, 所以也称横波为

6 波(012'

) 7'

8012'

)) ! 地震波 在地球内部的传播速度与地球内部的密度直接有 关! 一般来说, 同一震源在相同介质中纵波速度是横 波速度的两倍至三倍! 因此, 通过地震波传播速度的 记录, 可以推断地球内部的密度变化! 如果地球内部 是一个完全均匀的固体介质, 随深度增加, 物质逐渐 压实, 密度应呈现线性增加, 地震波速度也应是逐渐 增加的! 然而, 地震观测结果表明, 在地球内部存在 多个地震波速突然变化的界面, 在这些界面处, 地震 波速出现跳跃式增加, 甚至出现横波的突然中断 (图9) ! 这些界面被称为地震不连续面! 根据地震不 连续面, 地球内部被划分为若干个层圈! 在各层圈内 部, 地震波速随深度而递增! 但各层圈之间地震波速 随深度的递增速率是不同的! 地震波的研究发现, 地球内部的结构不仅在径 向分层, 而且在横向也存在不均匀和各向异性! 近年 来的研究表明:地球内部的非均匀和各向异性同地 球内部的物质流动和物质组成等地球动力学基本问 题密切相关! 比如面波研究所反映的地幔内部速度 方位变化的图像同地幔对流研究所得到的地幔内部 物质流动的图像很相似, 这种相似所反映的物理本 质是什么?这又促使矿物物理学家从地幔矿物的结 构和变形等方面寻找证据……有关地球内部非均匀 和各向异性的研究已经成为地震学和地球动力学研 究中重要的方向! 图9# 地球内部各层圈的深度和地震波速度分布 [:] 根据地球内部最主要三个地震不连续面, 从地 表向下将地球划分为: 地壳、 地幔、 外核和内核四个 层圈! 这三个主要的地震不连续面是: (9) 莫霍面, 它是地壳和地幔之间的界面! 此界面处, 地震波的纵 波速度 (!/) 由:!;

― 7! 大 陆区和大洋区莫霍面的深度不同, 大陆区莫霍面的 深度约为 @?―A?=5, 大洋区莫霍面的深度约为 A― 9?=5! ( ) 在约 B??=5 深处存在着地幔与外核之 间的界面, 也称为古登堡面! 此界面处 !/ 由9@ =5>

7 突降为 ;

=5>

7, 而横波 (!6 ) 中断, 表明外核物质为 液态! (@) 在约 A???=5 深处为外核与内核之间的界 面! 此界面处 !/ 明显增加, !6 再次出现! 表明内核物 质为固态! 随着观测技术和方法的不断进步, 有更多的地 震不连续面被发现, 地球内部分层也逐渐细化, 提出 了多种分层模型! 表9列出了应用比较广泛的布伦 模型 和初步地球参考模型(/(CD )的分层情况[ ―A] ! ? 世纪 :? 年代以来, 在板块构造学说的建 立和发展过程中, 提出了岩石圈和软流层的概念! 岩 石圈是指地球表部的刚性层, 它包含了地壳和上地 幔的最上部 (表9中/(CD 模型中的盖层) ! 岩石圈 之下的软流层相当于 /(CD 模型中的低速层! 在横 向上, 岩石圈由一些相互独立的板块组成, 所以板块 也称为岩石圈板块! 板块运动就是指岩石圈板块在 软流层之上的相对运动! 大陆板块和大洋板块的厚 度也不 同, 大陆地盾的岩石圈厚度可达9A?― ・ ! ・ 评# 述! # 卷($%%&

年) $ 期$%%'

(, 软流层很薄, 甚至缺失) 大洋岩石圈厚度约 #%'

(, 下面有 *+%'

( 的低速层 [#] ) 目前, 这种对于地 球上部的分层方法已被广大的地球科学家所采用) 表$给出了结合板块构造体系的层圈划分方法及各 层圈的特征参数) 地壳和地幔主要由硅酸盐矿物集合成的岩石组 成) 地壳上部是酸性花岗岩类, 下部是玄武岩质岩 石) 地幔主要是橄榄岩类) 组成地壳岩石的矿物以硅 铝酸盐类矿物如辉石和长石为主, 组成地幔岩石的 矿物以铁镁硅酸盐矿物如橄榄石等为主) 因此, 地壳 和地幔也被分别称为硅铝质地壳和铁镁质地幔) 实 验表明, 随压力和温度增加, 硅酸盐矿物可能发生结 构相变) 目前根据地幔矿物高压相变实验的结果, 已 普遍公认上地幔与过渡带之间, 以及过渡带与下地 幔之间的界面可能是硅酸盐矿物相变引起的 [,] ) 有 关的内容将在下节作较详细的介绍) 天体化学和陨石学研究表明, 球粒陨石是与原始 地球最为相似的地外物质) 球粒陨石中所含的金属铁 - 镍(./ - 01) 的密度与地球内核非常接近) 金属铁 - 镍熔点很高, 在内核的高压高温下仍能保持固态) 因 此推断地球内核的成分可能是金属铁 - 镍质的) 地球 外核的密度低于金属铁 - 镍, 因此外核中除金属铁 - 镍外, 还应含有一定数量的轻的元素) 这些轻元素的 加入还应使体系的熔点下降, 从而使外核保持液态) 根据球粒陨石的成分分析, 以及相关的高压熔融实 验) 目前认为, 外核中除金属铁 - 镍外, 可能含有的轻 元素有: 硫(2) 、 硅(21) 、 氢(3) 、 磷(4) 、 碳(5) 、 钾(6) 、 钠(07) 、 钙(57) 、 镁(89) 等[:] ) 要说明的是, 上述对地球各层圈的描述仅仅勾 划出了地球内部结构的基本轮廓, 而地球内部的结 构是非常复杂的) 实际上, 各层圈的界面并不是一个 理想的球面, 而是有起伏的) 即使在同一层圈内, 也 就是垂直半径方向 (简称为横向) , 其密度和物质组 成也有很大变化, 这被称为地球内部物质的非均一 性 (或不均匀性) ) 此外, 地震学和其他地球物理学 观测表明, 在地球内部相同地区的不同方向上, 地震 波传播速度和其他物理性质也可能是不同的, 这种 特性被称为地球内部的各向异性, 这可能与所组成 矿物的晶体定向排列, 物质的分异、 调整和运移有 关) 在地球科学中, 地球内部的物质不均匀性和各向 异性已经成为非常重要的研究课题, 由于篇幅所限, 本文不再作进一步介绍) ! 地幔矿物的高压相变 压力作为热力学的基本参数, 其主要作用是改 变物质原子间距, 引发一系列结构与性质的重大变 化乃至突变) 在从常压增高到 *%% 百万大气压的过 程中, 物质一般出现 ―&

个相变, 同时物质的性质 也随之发生变化) 地球内部是一个天然的高温高压 实验室, 在地表和岩石圈中观测到的矿物在更高的 温压条件下的地幔中将发生一系列的相变) 高压实 验资料表明, 在高温高压下, 所有硅氧四面体均变成 八面体, 使之产生了一整........