貴陽分部廣州分部
網站地圖聯系我們所長信箱建議留言內部網English中國科學院
 
 
首頁概況簡介機構設置研究隊伍科研成果實驗觀測合作交流研究生教育學會學報圖書館黨群工作創新文化科學傳播信息公開
  新聞動態
  您現在的位置:首頁 > 新聞動態 > 學術前沿
【前沿論壇】Jackson:上地幔礦物的高溫粘彈性與流變性
2019-10-18 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  報告人:報告人:Ian Jackson | 整理:付博燁、魏佳(地星室)  

摘 要:上地幔處于高壓環境,礦物流變作用明顯,穿過的地震波極易發生衰減,研究上地幔礦物在高溫高壓環境下對地震波的影響具有重要意義。Ian Jackson教授團隊通過寬頻帶強迫振動高溫高壓礦物物理實驗,還原了上地幔的溫度環境,研究了在上地幔溫度條件下礦物的流變學性質以及對地震波的影響,為進一步對上地幔結構進行精細刻畫奠定了基礎。

  1.引 言 

  大家上午好,今天我報告的題目是“Laboratory measurements of high-temperature viscoelastic relaxation with application to the seismic properties of the Earth’s upper mantle”。地震層析成像方法已發展了30余年,它所獲取的地球深部速度模型為我們認識地球動力學過程提供了重要依據。首先,我們來看上地幔地震速度結構(圖1),它顯示了150 km深度處的澳大利亞剪切波速度結構,其中綠色表示該區域剪切波速度高于局部平均值。這種高速或低速異常通常被認為代表了比平均溫度高或低的溫度異常。圖2顯示了全球上地幔逆品質因子(注:Q值的倒數,1/Q)的分布,其中紅色部分的逆品質因子高于全球平均值,藍色部分低于全球平均值。這也表示紅色部分對地震波的衰減作用更大,而藍色部分對地震波的衰減作用較小。 

1  澳大利亞上地幔速度結構模型

2  全球上地幔逆品質因子的分布

  地震波速度以及衰減性質的差異,代表了上地幔結構中溫度、壓力的差異。在過去的幾十年中,我的研究團隊通過高溫寬頻帶強迫振動礦物物理實驗,測量了上地幔溫度環境下的地震波在不同頻率下的衰減以及速度變化,希望能夠為通過地震波速度頻散和能量衰減刻畫上地幔溫度、壓力環境提供實驗依據。 

  3是我們實驗研究所用儀器的示意圖,通過該實驗儀器,我們能夠控制樣品所處溫度、壓力環境以及強迫振動的頻率,從而定量地研究不同溫度條件下上地幔礦物的速度頻散及能量衰減等性質。 

 

3  寬頻帶高溫強迫振動實驗裝置

  2. 實驗測量 

  由于上地幔主要組成礦物為干巖石,因此我們的實驗樣品主要為人工合成的橄欖石集合體。我們研究了礦物顆粒尺度與位錯密度、礦物含水以及部分熔融對上地幔中傳播的地震波的速度頻散、能量衰減產生的影響。 

  首先研究了礦物顆粒尺度對地震波速度頻散和衰減的影響。通過控制礦物顆粒尺度,合成了礦物顆粒尺度不同的橄欖石集合體,測量了不同顆粒尺度橄欖石集合體的地震波速度頻散與衰減特征,如圖4所示。根據圖4中的現象,我們發現隨著礦物顆粒尺度的減小,礦物集合體的速度頻散以及能量衰減在不斷增加。 

4  不同顆粒尺度礦物集合體的模量頻散及衰減曲線 

  一般認為,在礦物顆粒邊界處會發生如圖5所示的彈性、滯彈性以及粘彈性三種性質的作用,并且隨著作用力的增加,顆粒邊界之間的相互作用會向著粘彈性作用發展,從而造成衰減。由于顆粒尺度的下降,會導致顆粒邊界密度的增加,這也就導致隨著顆粒尺度的減小,礦物集合體的速度頻散以及能量衰減作用的增強。 

5  顆粒邊界作用示意圖

  之后,我們繼續研究了含水礦物集合體對地震波頻散以及衰減作用的影響,從而研究大洋中脊中地震波的頻散以及衰減特征。我們通過Fo90Ti的加水實驗(圖6)發現,礦物集合體含水能夠極大的增大地震波的衰減和頻散作用,根據研究,我們認為這個現象主要是由于水分子增加了礦物原子結構的缺陷導致的。 

6  Fo90Ti強迫振動實驗

  最后,我們研究了高溫條件下部分熔融對礦物集合體速度頻散和能量衰減的影響。如圖7所示,我們在人工橄欖石集合體中摻入易發生熔融的金屬顆粒,并且在高溫環境下,使樣品發生熔融。進行強迫振動實驗后發現(圖8),隨著溫度的提高,部分熔融現象增加,從而會導致礦物集合體內部發生金屬流體的噴射流動,造成衰減和頻散的增加。 

7  人工橄欖石集合體

8  部分熔融強迫振動實驗

  3.結 論 

  上地幔中存在礦物顆粒的細粒化,礦物含水及部分熔融等現象。我們通過實驗證明了以下結論:強迫振動實驗裝置能夠研究上地幔環境下,礦物集合體的頻散和衰減性質;我們通過改變集合體粒徑,往礦物集合體中加水及部分熔融等實驗,得到了顆粒尺度、礦物含水以及部分熔融對礦物集合體頻散和衰減性質影響的大小;部分熔融引起的衰減,主要是由熔融金屬的噴射流動引起的;強迫振動實驗裝置能夠清晰的研究不同機制對礦物集合體衰減和頻散特征的影響,進而精確地分析上地幔礦物對地震波的頻散和衰減作用,是研究上地幔結構特征的重要手段。

  主要參考文獻

  Cline II C J, Faul U H, David E C, et al. Redox-influenced seismic properties of upper-mantle olivine[J]. Nature, 2018, 555(7696): 355.鏈接 

  Dalton C A, Ekstr?m G, Dziewoński A M. The global attenuation structure of the upper mantle[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2008, 113(B9). 鏈接 

  Jackson I, Faul U H. Grainsize-sensitive viscoelastic relaxation in olivine: Towards a robust laboratory-based model for seismological application[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2010, 183(1-2): 151-163. 鏈接 

  Jackson I, Faul U H, Fitz Gerald J D, et al. Shear wave attenuation and dispersion in meltbearing olivine polycrystals: 1. Specimen fabrication and mechanical testing[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2004, 109(B6).鏈接 

  Jackson I, Schijns H, Schmitt D R, et al. A versatile facility for laboratory studies of viscoelastic and poroelastic behaviour of rocks[J]. Review of Scientific Instruments, 2011, 82(6): 064501. 鏈接 

  Kennett B L N, Fichtner A, Fishwick S, et al. Australian seismological reference model (AuSREM): mantle component[J]. Geophysical Journal International, 2012, 192(2): 871-887.鏈接 

  相關新聞
· 澳大利亞國立大學Ian Jackson教授來所訪問交流并作學術報告  [2019-06-25]

 

 
地址:北京市朝陽區北土城西路19號 郵 編:100029 電話:010-82998001 傳真:010-62010846
版權所有© 2009- 中國科學院地質與地球物理研究所 京ICP備05029136號 京公網安備110402500032號
重庆时时五星直选