大别超高压榴辉岩高温高压下地震波速和密度的初步实验研究——对造山带地壳深部组成和莫霍面性质的启示

<正>深部岩石高温高压下物理性质是制约地球物理测深成果解释、建立岩石圈物质组成和结构模式、探讨超高压变质带俯冲和折返机制的先决条件,也是大陆科学钻探先行研究的重要基础性工作.地震各向异性(Seismic anisotropy)和S波分裂(Shear wave splitting)研究已成为揭示岩石圈动力学机制的新方向,但目前有关超高压岩石的实验数据尚十分缺乏例如,目前国际上对榴辉岩地震波速实验研究最详细的成果应属Fountain等1994年对挪威加里东造山带榴辉岩的研究,该研究系统测定了至600MPa不同压力下榴辉岩和有关麻粒岩的P波速度和波速各向异性,但未研究S波以及温度对波速的影响.本文报道了大别超高压榴辉岩及其围岩在高温高压和组构定向条件下精确测定地震P波、S波、波速各向异性、S波分裂、泊松比、密度和体积变化的初步成果,探讨了实验结果在大别超高压带深部结构、组成和莫霍面性质研究中的意义.     

地球深部科学中的静态超高压实验研究

目前超深钻探的最大深度只有13km,幔源岩石所提供的上地幔物质成分资料一般涉及的深度也仅在200km以内,全球性地球物理测量虽然能提供地球深部从地幔直至地球核心的物理参数,但无法了解地表以下各层圈的物质组成,因而开展超高压下的模拟实验研究对于了解地球深部物质的成分、性质和状态非常重要.超高压实验技术分为两大类型:动态超高压实验技术和静态超高压实验技术.动态超高压实验技术是利用各种爆轰装置产生冲击压力,同时在瞬间产生高温.在地球内部,物质一般处于静高压状态,因而动态超高压实验一般仅用来进行核幔边界区和地核物质状态方程的测定,所获得的实验结果可为静高压实验研究提供基础资料,而其他关于地球深部的模拟实验研究主要是在静态超高压实验装置中进行的.     

硅酸盐熔体的物理化学性质研究进展及其应用

硅酸盐熔体具有高度的物理和化学活性, 是地球乃至其他类地行星内部物质和能量迁移的重要载体. 它们在地球内部层圈形成和演化的岩石学和动力学过程中发挥了关键作用. 充分了解高温高压条件下各种成分硅酸盐熔体的物理化学性质, 是正确认识与壳幔部分熔融相关的各种地质现象(如深部岩浆作用和火山喷发)的先决条件. 硅酸盐熔体自身的物理化学性质分为热力学性质(包括热力学状态函数和均相反应平衡常数)与动力学性质(包括迁移性质和均相反应速率常数). 针对硅酸盐熔体性质的研究, 近年来在高温高压实验和分析技术、计算方法(特别是第一原理分子动力学模拟)、理论模型以及熔体宏观性质与微观结构之间联系等方面都取得了很大进展. 通过与地球物理和地球化学观测的结合, 熔体性质领域的研究进展显著改进了我们对地球内部状态和地质过程的理解. 本文综述了硅酸盐熔体物理化学性质研究的成果和现状, 阐释了一些具有重要意义的应用实例, 并展望了该领域未来的研究趋势.     

大别超高压榴辉岩高温高压下地震波速和密度的初步实验研究——对造山带地壳深部组成和莫霍面性质的启示

深部岩石高温高压下物理性质是制约地球物理测深成果解释、建立岩石圈物质组成和结构模式、探讨超高压变质带俯冲和折返机制的先决条件,也是大陆科学钻探先行研究的重要基础性工作.地震各向异性(Seismic anisotropy)和S波分裂(Shear wave splitting)研究已成为揭示岩石圈动力学机制的新方向,但目前有关超高压岩石的实验数据尚十分缺乏例如,目前国际上对榴辉岩地震波速实验研究最详细的成果应属Fountain等1994年对挪威加里东造山带榴辉岩的研究,该研究系统测定了至600MPa不同压力下榴辉岩和有关麻粒岩的P波速度和波速各向异性,但未研究S波以及温度对波速的影响.本文报道了大别超高压榴辉岩及其围岩在高温高压和组构定向条件下精确测定地震P波、S波、波速各向异性、S波分裂、泊松比、密度和体积变化的初步成果,探讨了实验结果在大别超高压带深部结构、组成和莫霍面性质研究中的意义.     

高温高压下碱性橄榄玄武岩的P波速度及其影响因素

<正> 地震波反演是认识地球深部结构的有效手段之一,尽管近年来高温高压波速就位测量的实验技术得到了发展,所能达到的压力已很高,但仍然缺乏作为反演基础的地球深部物质在高温高压条件下的波速及其影响因素的实验数据。笔者选择蛇纹石化碱性橄榄玄武岩,在2.0～5.0GPa和温度达1500℃范围内测量了P波速度,探讨了温度、压力、相变及其蛇纹石脱水对P波速度的影响,发现在熔融前存在声软化效应,并分析了声软化效应产生的机制。     

高温高压下碱性橄榄玄武岩的P波速度及其影响因素

地震波反演是认识地球深部结构的有效手段之一,尽管近年来高温高压波速就位测量的实验技术得到了发展,所能达到的压力已很高,但仍然缺乏作为反演基础的地球深部物质在高温高压条件下的波速及其影响因素的实验数据。笔者选择蛇纹石化碱性橄榄玄武岩,在2.0～5.0GPa和温度达1500℃范围内测量了P波速度,探讨了温度、压力、相变及其蛇纹石脱水对P波速度的影响,发现在熔融前存在声软化效应,并分析了声软化效应产生的机制。     

中国第一钻

最近有报道称,俄罗斯斯维尔德洛夫斯克州的SG—4号钻井经过16年不停工作,其钻头已经深入地下5470米。它所钻取的岩心为石油、矿藏、地质勘探提供了宝贵的信息。迄今为止,人类对地球内部的奥秘还知之不多,地球科学家通过分析地表岩石、仪器探测等方法获得对地球内部的认识,但尾这些均是间接方法和认识,有时甚至造成误解。直到20世纪70年代,地球科学家们研究认为,只有直接给地球开口子,向地球内部"开钻",才是获得地下深部物质和真实信息的唯一办法,这项研究的学名是"大陆科学钻探"。大陆科学钻探实施30年,已有13个国家打了近百口井。最受世界关注的工程便是中国大陆科学钻探和墨西哥陨石坑钻探。     

深部碳循环：来自火成碳酸岩的启示

全球碳循环研究对于理解现今及未来大气圈CO2浓度及其变化趋势至关重要。传统的碳循环研究多侧重于探讨碳元素在大气圈、水圈、生物圈等地球表层之间的循环过程,基本不讨论地球内部圈层碳元素地球化学的行为与循环,现在发现传统的研究方式已很难深刻认识大气圈CO2浓度变化的规律。探讨地球内部与表层碳元素双向交换过程的深部碳循环研究应运而生,成为当前全球碳循环研究的主要方向。火成碳酸岩主要由碳酸盐矿物所组成,是地球内部碳元素含量最高的岩石,因而成为深部碳循环研究的主要对象之一。当前的研究发现,相当一部分火成碳酸岩中的碳来自大气圈的CO2,是再循环的碳。地表附近消耗大气CO2所新生成的沉积碳酸盐岩借助板块深俯冲作用被带入地球内部,在（超）高温和含水条件下发生部分熔融作用,形成碳酸岩浆,后者再上侵形成火成碳酸岩,或者直接喷发至地表,碳元素又重返地球表层。因此,地球内部的构造运动主导碳元素在地球表层与内部的循环过程,进而控制大气圈CO2浓度长周期变化的趋势。     

岩浆与岩浆岩：地球深部“探针”与演化记录

岩浆是在地下形成的含挥发分的高温粘稠的硅酸盐或碳酸盐熔融体,由岩浆凝固而成的岩石称为岩浆岩或火成岩。用科学的方法来观察和解释它们,它们就不是一堆死气沉沉、枯燥无味的石头,而是一部引人入胜的“无字天书”。地球系统是一个整体,它是由从地心到地表的多个层圈构成的。岩浆是地球各层圈之间相互作用的产物,是地球各层圈之间物质和能量交换的重要使者。研究岩浆作用与岩浆岩有三个方面的意义：①岩浆岩及其所携带的深源岩石包体可以被称作探测地球深部的“探针”（lithoprobe）和“窗口”(window)。②岩浆岩也是板块运动与大地构造事件的记录,通过岩浆岩的研究,可以恢复古板块构造格局,追溯大地构造演化历史。③归根到底,是服务于人类社会对于合理利用资源,改善环境,减轻自然灾害的需求。     

超高压岩石中矿物显微出溶结构研究进展、面临问题与挑战

造山带岩石中一些矿物显微出溶结构的深入研究, 不仅成为识别其赋存岩石是否经历超高压变质的标志之一, 而且在了解超高压岩石俯冲深度及其动力学演化过程等研究方面发挥着重要作用. 然而, 如何区分认定某些矿物的显微结构是“出溶结构”还是“非出溶结构”, 并准确解析这些显微结构的地质内涵是目前超高压研究亟待解决的科学难题之一. 从矿物出溶作用的基本概念出发, 依据前人关于超高压与超深地幔岩石中一些矿物出溶结构的研究成果, 本文强调应从出溶矿物精细的几何学特征以及出溶前后矿物之间化学成分是否一致两个方面的研究, 综合分析判别一些矿物的显微结构是“出溶结构”还是“非出溶结构”; 进一步强调提出解析矿物出溶结构能否作为超高压变质的标志及其指示的温压环境等地质内涵的关键, 是要加强对出溶母体矿物在高温高压条件下的晶体化学行为及其分解与变化规律的全面深入的了解; 同时提出: 把高温高压实验与天然岩石样品中的显微结构观察以及多种矿物微区分析测试手段有机结合, 深入开展对造山带岩石中发现的各种矿物的显微出溶结构的研究, 不仅对深化超高压变质作用以及大陆深俯冲研究提供重要信息和关键性的约束条件, 而且有望对陆壳深俯冲以及引发的壳幔交换作用等固体地球科学重要问题提供新认识.     

漫谈物质密度*

物质的密度是与组成该物质的元素种类及其原子排列的疏密程度有关。在元素种类相同时固态物质的密度取决于晶体结构及其化学键特性。探讨了地球内部各圈层物质的密度状态及其差异的原因,指出了随着深度的增加,即温度和压力的增加,共价键及金属键的键性有增加的趋势。阐述了天体物质的密度差异。笔者认为研究地球各圈层物质的温度和压力状况有利于晶体材料的开发和改进。     

新十年科学大洋钻探——照亮地球的过去、现在和未来

新十年国际大洋发现计划(2013-2023)以探索深部了解整个地球系统为目标,围绕气候与海洋环境、深部生物圈、地球内部与表层连接、灾害与观测等四大科学主题,预测未来,预警灾害,提出了14个前沿科学问题。继板块构造学说掀起地球科学领域的一场革命之后,科学大洋钻探将触发地球科学领域新的革命。     

地幔中的水与重大地质现象和过程

地球地幔中的矿物都只是名义上的无水矿物,它们的结构缺陷里包含的水含量(表示为H_2O的质量分数)虽然都只是在ppm量级上,但是能够显著影响矿物(以至于岩石系统)的物理和化学性质。因此,地幔中的水在某种程度上决定着许多重大地质现象的出现和重大地质过程的发生。研究水与重大地质现象和过程之间的联系将成为今后发展地球科学理论的新生长点。     

保卫地球——近地天体的巡视与防御陨击的对策

地球处于危险的宇宙环境中。运行到地球附近的"近地天体(NEO)"潜在着撞击地球的危险。实际上,地球自诞生以来就不断地受到这些天体的轰击,月球和水星的斑痕累累陨击坑就是最好的佐证,只是地球经历严重演化而抹去了老的陨击遗迹,仅见到170多个较近期的陨击构造。幸运的是,现阶段的陨击大多是规模小的,危害不太大。然而,陨击是很难预料的,一旦发生较大的撞击,就会造成比大地震还严重得多的危害。1994年的彗星撞击木星事件轰动世界,启迪人们更加关注地球被撞击的危险问题。实际上,也不乏地球近期遭遇陨击的例子:1908年的通古斯爆炸事件;1976年的吉林陨石雨;2008年的小行星2008TC3陨落在苏丹。2010年初,美国科学院公布《保卫地球:近地天体巡天和缓解危险策略最终报告》,笔者将结合有关资料作简要介绍,让公众了解真实的科学知识和对策,以免被歪曲的影视情节所误导。     

地球内部的3He是原始起源吗？

³He的来源至今被地球学家解释为在46亿年前地球形成时贮存在地球内部的,即原始起源。但是这原始起源学说在解释有的地学问题已受到了挑战,例如：①有的金刚石中的反常高的³He/⁴He 比值;②大洋中脊玄武岩（MORB）和洋中脊的热液气孔喷出的热流的³He/⁴He比值具有近似恒定的峰状分布。作者最近对火山湖水中氚的垂直分布进行了新的研究,发现火山口形成的土耳其Nemrut湖和德国Laacher湖底部同时注入有来自地幔的氚（³H）和³He。这二者都是核聚变（d-d反应）的产物。氚的半衰期为12.4年,地球形成时的氚早已不存在。地球深处由已知常规核反应生产的氚含量小于0.01TU (1TU相当³H/H=10^-18),处于探测限以下。地球深处释放的氚表明其可能来源于核聚变。作者认为产生³H和³He的核聚变可能发生在地幔和地核的交界处的高温高压下富集氢的介质。由此推论：地球深处的³He并非一定是“原始起源”。     

金伯利岩与金刚石

本文简要介绍了自然界分布极少,来源最深的一种火成岩 — 金伯利岩、其中的地幔捕虏体以及金刚石的特征,他们三者有着密切成因联系。金伯利岩岩浆来自深达200 km的地幔,地幔内部在高温、高压及低氧逸度的环境下可以结晶出金刚石,当岩浆快速上升时携带了地幔捕虏体及其解体矿物,金刚石也是被携带的矿物之一。除了碳的微粒通过固体扩散形成金刚石外,流体及熔体对金刚石生长过程所起的作用也不可忽视。     

冲击变质效应与冲击变质的阶段:兼论岫岩陨石坑的证实

最近辽宁岫岩罗圈里的疑似陨石冲击坑,实施了深达307 m的科学钻探,在107~149 m深度发现一系列冲击波所产生的冲击变质的效应:  含岩石熔体玻璃的多相角砾岩, 石英击变面状页理和陨击玻璃等。从而使岫岩罗圈里陨石坑得到了证实。这是中国冲击变质作用研究方面的一大进展。研究确定陨石坑除了地形地貌特征之外, 主要依靠冲击变质效应的发现。权威性的冲击变质效应是:  震裂锥;高压,超高压矿物多形的出现;石英、长石等矿物中的面状页理以及震击均质体化和冲击玻璃的产生等。冲击波所产生的瞬时高压,不同于常规地质作用,它以应变速率极高并快速高温淬火和一定压力产生的后冲击温度等为特征, 导致不同程度的冲击变质效应,可称为冲击变质阶段 (stage of shock metamorphism), 不同的冲击变质阶段,作为近似的压力计,可以用以衡量冲击变质的强度。