發(fā)布時間：2020-04-12 06:14

【摘要】：地球化學(xué)證據(jù)顯示早期地球可能經(jīng)歷過幾次全球性的熔融事件,導(dǎo)致早期陸殼的形成,并促進了鐵質(zhì)地核與硅酸鹽地幔間的化學(xué)分異。硅酸鹽熔體作為地球內(nèi)部物質(zhì)和能量遷移的重要載體,在地球演化過程中扮演了重要角色,其輸運性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)決定了巖漿洋的化學(xué)演化和熱演化過程。地震學(xué)研究指出,地球內(nèi)部可能存在許多部分熔融區(qū)域,如板塊俯沖帶、軟流圈低速區(qū)(LVZ)、低剪切波速省(LLSVPs)以及核幔邊界(CMB)。要深入了解地球內(nèi)部熔融區(qū)域的地質(zhì)過程,也需要正確認識硅酸鹽熔體的輸運性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)。鐵作為最重要的一種金屬元素,對硅酸鹽熔體性質(zhì)的影響不可忽略。鐵在巖漿洋早期時的濃度可能比現(xiàn)在地幔中的鐵濃度要高,并且目前地幔中部分熔融區(qū)域可能與鐵的存在有關(guān)。目前對不含鐵的硅酸鹽熔體已經(jīng)有了廣泛的研究,但對鐵硅酸鹽熔體的研究還非常少。本文采用經(jīng)典分子動力學(xué)方法和第一性原理方法,對橄欖石的鐵端元熔體和布里奇曼石的鐵端元熔體分別進行研究,獲得了以下成果。Fe2SiO4熔體的黏度和自擴散系數(shù)隨著溫度的增加分別減小和增大,意味著溫度對Fe2SiO4熔體的輸運性質(zhì)有顯著影響。當壓力小于5 GPa時,輸運性質(zhì)對溫度的依賴性表現(xiàn)出Arrhenius行為。在更高的壓力則表現(xiàn)出非Arrhenius行為,這可能是由于Si-O配位數(shù)引起熔體動力學(xué)協(xié)同性導(dǎo)致的。壓力對Fe2SiO4熔體的活動性有抑制作用,黏度隨著壓力的增加而增加,自擴散系數(shù)則相反。Fe2SiO4熔體的輸運性質(zhì)對溫度和壓力的依賴性與鎂橄欖石相同,但在較高壓力下時Fe2SiO4熔體的黏度卻比Mg2SiO4熔體的黏度要大,這是由于Fe2SiO4熔體具有更多的橋氧。沿著巖漿洋絕熱線,我們計算了 Fe2SiO4熔體的黏度剖面。沿著該剖面,熔體黏度在0-50GPa的壓力區(qū)間內(nèi)增加了1-2個數(shù)量級。結(jié)合Mg2SiO4熔體的黏度數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)富鐵硅酸鹽熔體可能降低下地幔巖漿洋的冷卻速率,并對巖漿洋下地幔部分的物理性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。這種高黏度的富鐵硅酸鹽熔體可能與ULVZs的形成有關(guān)。我們獲得了 FeSiO3熔體在高溫高壓下的P-T-V狀態(tài)方程和熱力學(xué)參數(shù)。將得到的P-V-T狀態(tài)方程應(yīng)用到巖漿洋,發(fā)現(xiàn)更低的位溫就可以使地幔環(huán)境高于液相線。根據(jù)不同的地幔液相線討論了巖漿洋的結(jié)晶路徑,FeSiO3熔體的加入對結(jié)晶路徑有輕微改變,但更為關(guān)鍵的還是取決于地幔液相線。此外,基于FeSiO3熔體2500K絕熱線,在完全熔融的地幔底部得到的溫度為5360 K,比前人的要高560K～1100K,這將降低巖漿洋在地幔底部區(qū)域的熔體黏度,對巖漿洋的演化有重要影響。同時我們也獲得了 FeSiO3熔體在高溫高壓下的詳細結(jié)構(gòu)信息和鐵的自旋轉(zhuǎn)變特征。在整個地幔壓力下,Si-O配位數(shù)從4配位增加到下地幔底部的6配位,Fe-O可達到7配位以上,這意味著熔體在地幔底部發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)變化。與橄欖石熔體相比較,FeSiO3熔體在地幔中的聚合度比較高,這將影響熔體的輸運性質(zhì)。FeSiO3熔體中鐵的自旋轉(zhuǎn)變在所計算的壓力區(qū)間內(nèi)均為線性變化,自旋轉(zhuǎn)變區(qū)間超過了 296GPa。在核幔邊界條件下,FeSiO3熔體中鐵自旋態(tài)主要為高自旋態(tài)。結(jié)合前人的研究,硅酸鹽熔體中鐵的自旋轉(zhuǎn)變或?qū)⒋龠M鐵在壓力增加的過程中不斷富集到熔體中。
【圖文】：

穿過地幔過渡帶，就進入占據(jù)地球體積約５６％的下地幔。占地球一半體積的逡逑下地幔，其礦物相卻較地殼和上地幔簡單。根據(jù)地幔巖模型，下地幔主要由布里逡逑奇曼石、鐵方鎂石和Ｃａ－釣鈦礦組成（圖１．２）。在后來的研究中，發(fā)現(xiàn)具有鈣逡逑鈦礦結(jié)構(gòu)的布里奇曼石（Ｐｖ－ＭｇＳｉＣｂ，在下地幔底部會轉(zhuǎn)變成后鈣鈦礦結(jié)逡逑構(gòu)（ｐＰｖ－ＭｇＳｉＯ；，０”Ｃ７７７）邋（Ｍ／ｒａ々“”＂’邋￡’／“／？，２００４；邐２００４）。根據(jù)目逡逑前的認識，我們可以看到隨深度增加地球內(nèi)部礦物相變得越來越簡單，到達地核逡逑時，只剩下絕大部分的Ｆｅ和少量的Ｎｉ邋（？５邋ｗｔ％）以及少量的其它輕元素（？１０逡逑ｗｔ％），例如邋Ｓ，Ｃ，０，Ｓｉ邋（／／／ｍｓｅ邋ｅ／邋“／．，２０１３；邐“＂ｄ邋５７／＂，１９９５；邋Ｚ／？ｃ／Ａ７ｇ逡逑ｅｆ邋ａＬ，邋２０１６）。逡逑３逡逑

圖ｕ下地幔結(jié)構(gòu)圖逡逑來自邋Ｇｏｒｎｅｒａ邋ｆｉｆｗｔ／邋ＭｃＭｓｗａｒａ邋（２００８）逡逑雖然下地幔礦物相變得簡單了一些，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻是非常獨特（圖１．３）。逡逑地震層析成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)位于非洲和太平洋下面的下地幔區(qū)域有兩個巨大的低剪逡逑切波速異常體（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）（圖邋１．４）。其中非洲異常體底部呈逡逑“Ｌ形”（奶訓(xùn)ｔ／．？，２００４），在中下地幔呈鈴鐺形狀，高度在核幔邊界（ｃｏｒｅ－逡逑ｍａｎｔｌｅ邋ｂｏｕｎｄａｒｙ，ＣＭＢ）以上達邋１３００ｋｍ邋（Ｍａｗ／／／６／？７６0＂識＂，２００３；邋Ｆｔｗｇａ／Ｗｅｎ，逡逑２００７），剪切波速的降低從頂部的－２％到底部的－１２％變化。太平洋異常體由間隔逡逑７４０邋ｋｍ寬的兩部分組成：異常體的西邊部分位于西太平洋下，在ＣＭＢ上高７４０逡逑ｋｍ
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P542.5

【相似文獻】

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7 李永靜;李文W

本文編號：2624381