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地球的过渡区是否像上地幔一样变形

更新时间:2020-09-13 15:24点击:

  在最近发表的《地球与行星科学快报》上的一篇论文中,爱媛大学地球动力学研究中心,里尔大学的研究人员结合了位错滑移的数值模型和扩散实验的结果,重新研究了地质条件下的辉石,菱铁矿和石榴石石榴石的流变学。基于理论可塑性模型的地球地幔过渡带的应变率。

地球的过渡区是否像上地幔一样变形

  尽管地幔由坚固的岩石组成,但延伸至地壳下方约2890 km的深度的地幔通过从地球内部清除热量而经历了对流。此过程涉及通过从地壳俯冲的冷构造板块和向地球表面上升的热羽上升来进行质量转移,这造成了许多大规模的地质特征,例如地震和火山作用。通过结合先前的地震学和矿物物理研究,众所周知,地球的地幔被(矿物学上)分为两个主要区域:上地幔和下地幔,由“ 过渡带 ” 隔开,边界层位于〜410之间和约660公里的深度。上下地幔之间的传质。地震层析成像研究(使用地震波对地球内部进行CT扫描成像)以前发现,尽管某些平板穿透过渡带,但其他平板似乎停滞在内部或下方。原因尚不清楚,由于缺乏对地球力学特性的了解,整个过渡带的地幔动力学仍然受到限制。

  这些机械性能取决于矿物响应低机械应力(称为“蠕变”)而经历缓慢塑性变形的能力,通常通过称为“粘度”的参数进行描述。上地幔的动力学取决于其主要成分Mg 2 SiO 4的塑性变形黄绿。上地幔的前约300 km以地震波的速度与方向的强烈相关性为特征,被称为“地震各向异性”。因此,通常认为“位错蠕变”是导致上地幔整体形变的原因,这种形变机理是导致弹性各向异性矿物中橄榄石的晶格旋转和晶体学优选取向(CPO)的原因。位错蠕变是一种晶体内变形机制,负责由称为“位错”的线性缺陷介导的晶体剪切的传输。它是一种复合变形机制,可能涉及沿某些特定晶体方向和平面的位错滑移,以及由扩散介导的滑移面滑出。确实,Boioli等人的最新数值模拟。(2015年)表明镁的变形在相关的上地幔条件下,Weertman型位错蠕变可容纳2 SiO 4橄榄石晶体,其中位错的爬升可恢复位错连接,从而通过位错滑行有效地产生塑性应变。

  随着压力(P)和温度(T)的增加,橄榄石进入约410 km深度以下的地幔过渡带,首先转变成其高P多晶型沃兹利石,然后在约520 km转变成林木。尚不清楚橄榄石的高致密多晶型物的这些更致密结构的变形过程是否与橄榄石相似(Ritterbex等人2015; Ritterbex等人2016)。为了解决这个问题,里尔大学可塑性研究小组和爱媛大学地球动力学研究中心的研究人员将热活化位错滑移运动的数值模拟与实验扩散数据的结果相结合,并证明与上层橄榄石相比地幔条件,位错爬升速度超过了橄榄石的高P多晶型物的滑移速度,引起位错蠕变状态下变形机制从Weertman蠕变到纯地质蠕变在地质相关应力下的转变。基于可塑性模型并受来自实验的扩散数据的限制,当前的研究量化了主要过渡带矿物瓦兹利石,林伍德石和主要矿物石榴石的稳态变形随晶粒尺寸的变化。

  这些模型能够解释与地幔过渡带有关的许多关键特征。结果表明,在地质应力下,纯爬升蠕变作用使沃兹利石,林伍德石和镁榴石石榴石的晶内塑性导致等粘度过渡区为10 (21±1)Pa.s,如果晶粒尺寸为〜0.1 mm或更大,则与可用的反面地球物理数据(通常用于限制地幔的流变特性)匹配得很好。由于纯爬升蠕变不会引起晶格旋转,也不会产生CPO,因此与上地幔相比,这种机制对过渡带的变形与其相对的地震各向同性兼容。研究人员还发现,通过激活Weertman蠕变,CPO能够与应力集中一起发展,例如在冷俯冲板块周围的拐角流中,这可能导致俯冲阻力增加,这解释了为什么某些板块停滞在底部。过渡区。另一方面,如果晶粒小于〜0,则可以预测粘度会降低。

  在地球对流模型中,这些变形机制作为晶粒尺寸的函数的未来合并将增强我们对上下地幔之间相互作用的理解,并有望有助于限制地球的地球化学演化。


地球的过渡区是否像上地幔一样变形