地幔条件下铁硅酸盐熔体输运性质和热力学性质计算

发布时间：2020-04-12 06:14

【摘要】：地球化学证据显示早期地球可能经历过几次全球性的熔融事件,导致早期陆壳的形成,并促进了铁质地核与硅酸盐地幔间的化学分异。硅酸盐熔体作为地球内部物质和能量迁移的重要载体,在地球演化过程中扮演了重要角色,其输运性质和热力学性质决定了岩浆洋的化学演化和热演化过程。地震学研究指出,地球内部可能存在许多部分熔融区域,如板块俯冲带、软流圈低速区(LVZ)、低剪切波速省(LLSVPs)以及核幔边界(CMB)。要深入了解地球内部熔融区域的地质过程,也需要正确认识硅酸盐熔体的输运性质和热力学性质。铁作为最重要的一种金属元素,对硅酸盐熔体性质的影响不可忽略。铁在岩浆洋早期时的浓度可能比现在地幔中的铁浓度要高,并且目前地幔中部分熔融区域可能与铁的存在有关。目前对不含铁的硅酸盐熔体已经有了广泛的研究,但对铁硅酸盐熔体的研究还非常少。本文采用经典分子动力学方法和第一性原理方法,对橄榄石的铁端元熔体和布里奇曼石的铁端元熔体分别进行研究,获得了以下成果。Fe2SiO4熔体的黏度和自扩散系数随着温度的增加分别减小和增大,意味着温度对Fe2SiO4熔体的输运性质有显著影响。当压力小于5 GPa时,输运性质对温度的依赖性表现出Arrhenius行为。在更高的压力则表现出非Arrhenius行为,这可能是由于Si-O配位数引起熔体动力学协同性导致的。压力对Fe2SiO4熔体的活动性有抑制作用,黏度随着压力的增加而增加,自扩散系数则相反。Fe2SiO4熔体的输运性质对温度和压力的依赖性与镁橄榄石相同,但在较高压力下时Fe2SiO4熔体的黏度却比Mg2SiO4熔体的黏度要大,这是由于Fe2SiO4熔体具有更多的桥氧。沿着岩浆洋绝热线,我们计算了 Fe2SiO4熔体的黏度剖面。沿着该剖面,熔体黏度在0-50GPa的压力区间内增加了1-2个数量级。结合Mg2SiO4熔体的黏度数据,我们发现富铁硅酸盐熔体可能降低下地幔岩浆洋的冷却速率,并对岩浆洋下地幔部分的物理性质产生重要影响。这种高黏度的富铁硅酸盐熔体可能与ULVZs的形成有关。我们获得了 FeSiO3熔体在高温高压下的P-T-V状态方程和热力学参数。将得到的P-V-T状态方程应用到岩浆洋,发现更低的位温就可以使地幔环境高于液相线。根据不同的地幔液相线讨论了岩浆洋的结晶路径,FeSiO3熔体的加入对结晶路径有轻微改变,但更为关键的还是取决于地幔液相线。此外,基于FeSiO3熔体2500K绝热线,在完全熔融的地幔底部得到的温度为5360 K,比前人的要高560K～1100K,这将降低岩浆洋在地幔底部区域的熔体黏度,对岩浆洋的演化有重要影响。同时我们也获得了 FeSiO3熔体在高温高压下的详细结构信息和铁的自旋转变特征。在整个地幔压力下,Si-O配位数从4配位增加到下地幔底部的6配位,Fe-O可达到7配位以上,这意味着熔体在地幔底部发生较大的结构变化。与橄榄石熔体相比较,FeSiO3熔体在地幔中的聚合度比较高,这将影响熔体的输运性质。FeSiO3熔体中铁的自旋转变在所计算的压力区间内均为线性变化,自旋转变区间超过了 296GPa。在核幔边界条件下,FeSiO3熔体中铁自旋态主要为高自旋态。结合前人的研究,硅酸盐熔体中铁的自旋转变或将促进铁在压力增加的过程中不断富集到熔体中。
【图文】：

上地幔,矿物组成,下地幔,钛矿

穿过地幔过渡带，就进入占据地球体积约５６％的下地幔。占地球一半体积的逡逑下地幔，其矿物相却较地壳和上地幔简单。根据地幔岩模型，下地幔主要由布里逡逑奇曼石、铁方镁石和Ｃａ－钓钛矿组成（图１．２）。在后来的研究中，发现具有钙逡逑钛矿结构的布里奇曼石（Ｐｖ－ＭｇＳｉＣｂ，在下地幔底部会转变成后钙钛矿结逡逑构（ｐＰｖ－ＭｇＳｉＯ；，０”Ｃ７７７）邋（Ｍ／ｒａ々“”＂’邋￡’／“／？，２００４；逦２００４）。根据目逡逑前的认识，我们可以看到随深度增加地球内部矿物相变得越来越简单，到达地核逡逑时，只剩下绝大部分的Ｆｅ和少量的Ｎｉ邋（？５邋ｗｔ％）以及少量的其它轻元素（？１０逡逑ｗｔ％），例如邋Ｓ，Ｃ，０，Ｓｉ邋（／／／ｍｓｅ邋ｅ／邋“／．，２０１３；逦“＂ｄ邋５７／＂，１９９５；邋Ｚ／？ｃ／Ａ７ｇ逡逑ｅｆ邋ａＬ，邋２０１６）。逡逑３逡逑

结构图,低剪切,波速,下地幔

图ｕ下地幔结构图逡逑来自邋Ｇｏｒｎｅｒａ邋ｆｉｆｗｔ／邋ＭｃＭｓｗａｒａ邋（２００８）逡逑虽然下地幔矿物相变得简单了一些，但其内部结构却是非常独特（图１．３）。逡逑地震层析成像技术发现位于非洲和太平洋下面的下地幔区域有两个巨大的低剪逡逑切波速异常体（ｌａｒｇｅ邋ｌｏｗ－ｓｈｅａｒ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ邋ｐｒｏｖｉｎｃｅｓ，，ＬＬＳＶＰｓ邋）邋（５ｒｅｇ＾ｒ逡逑Ｒｏｍａｎｏｗｉｃｚ，邋１９９８；邋Ｈａｒｔ，邋１９８４；邋Ｈｅ邋ａｎｄ邋Ｗｅｎ，邋２００９；邋Ｋｕｓｔｏｗｓｋｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００８；邋Ｍａｓｔｅｒｓ邋ｅｔ逡逑ａ／．，邋１９９６；／？／加ｗｆｌ邋ｅ／ｏ／．，１９９９；邋Ｓｗ邋１９９４）（图邋１．４）。其中非洲异常体底部呈逡逑“Ｌ形”（奶训ｔ／．？，２００４），在中下地幔呈铃铛形状，高度在核幔边界（ｃｏｒｅ－逡逑ｍａｎｔｌｅ邋ｂｏｕｎｄａｒｙ，ＣＭＢ）以上达邋１３００ｋｍ邋（Ｍａｗ／／／６／？７６0＂识＂，２００３；邋Ｆｔｗｇａ／Ｗｅｎ，逡逑２００７），剪切波速的降低从顶部的－２％到底部的－１２％变化。太平洋异常体由间隔逡逑７４０邋ｋｍ宽的两部分组成：异常体的西边部分位于西太平洋下，在ＣＭＢ上高７４０逡逑ｋｍ
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P542.5

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