天然上地幔矿物热弹性参数的实验研究

Experimental study on thermoelasticity parameters of rocks and minerals under high pressure and high temperature conditions plays an important role in discovering Earth's deep interior and building accurate geophysical model. In this proposal, several natural upper-mantel minerals including olivine, garnet, orthopyroxene, clinopyroxene, etc. will be collected from Chinese continent. First of all, in situ X-ray powder diffraction studies on natural samples will be carried out in diamond anvil cell or large volume press using advanced synchrotron light and micro probe techniques, and lattice parameters of minerals and their changes versus pressure and temperature will be acquired by Rietveld full spectra fitting means. Then elastic wave velocities and their changes will be measured in large volume press versus pressure and temperature. Finally, macro wave velocities and micro lattice parameters will be combined to fit the Birch-Murnaghan equation of state, yielding bulk modulus, thermal expansivity and their anisotropy, The differences of thermoelasticity parameters between natural and synthetical minerals will be found, and rock's parameters will be modeled. Experimental data could be used to explain the cause of anisotropy in upper mantle of Chinese continent and act as key parameters in numerical simulation of continental dynamics.

高温高压下岩石、矿物热弹性参数实验研究，是探索地球深部物质组成和建立合理化地球物理模型的重要手段。本项目拟选择采自中国大陆的天然上地幔矿物，包括橄榄石、石榴石、斜方辉石和单斜辉石等为研究对象。首先利用先进的同步辐射光源和微区探测技术，在金刚石压腔和大腔体装置中进行高温高压同步辐射X 射线衍射原位测量，采用Rietveld 全谱拟合方法进行解谱，获得不同温压条件下天然矿物的晶胞参数；然后利用大腔体装置进行弹性波速度的测量，获取不同温压下样品弹性波速度的变化；最后，将宏观的弹性波速度与微观的晶胞参数相结合，由Birch-Murnaghan 状态方程获得样品的体积模量和热膨胀系数及其各向异性。对比分析天然样品与合成样品热弹性参数的异同，并以实验数据为基础，数值模拟由不同矿物组成的上地幔岩石的热弹性参数，探讨中国大陆上地幔各向异性的成因，并为大陆动力学数值模拟提供关键性物性参数。

本项目选择采自于中国大陆多个区域的典型上地幔矿物，包括橄榄石和不同成分的斜方辉石、单斜辉石和石榴石为研究对象，首先利用先进的同步辐射光源和微区探测技术，在金刚石压腔中进行了常温高压和高温高压同步辐射X射线衍射原位测量，采用Rietveld全谱拟合方法进行解谱，获得了不同温压条件下天然矿物的晶胞参数，并由三阶Birch-Murnaghan状态方程获得了样品的体积模量、热膨胀系数及轴向压缩各向异性。然后利用大腔体压机对天然榴辉岩和热压合成的橄榄石人工集合体样品进行了弹性波纵、横波速度的高温高压原位测量，获得了样品的弹性波速度随压力和温度的变化。其次，由第一性原理计算得到了镁端员辉石四种结构相在不同压力下的结构和晶胞体积，拟合得到体积模量，并由弹性系数和Christoffel方程计算了辉石沿不同方向的弹性波速度及其各向异性。根据以上实验和理论计算结果，并结合区域地球物理观测等方面的资料，认为熔体很可能是导致华南过渡带顶部出现低速层的主要因素，并由岩石物理模型估算出来华南东部三个区域低速层中的熔体含量；结合前人结果，发现成分变化对典型地幔矿物的晶胞体积、体积模量和热膨胀系数有明显影响，但与各向异性关系不明显；结合地球物理资料，探讨了中国大陆上地幔各向异性的成因，很可能是由于上地幔物质在板块的相互作用下产生变形，使得上地幔各向异性矿物如橄榄岩、斜方辉石和单斜辉石等的晶格优势取向沿物质流动方向呈现定向排列，从而在地震波观测中表现出强的各向异性。研究结果为大陆动力学数值模拟提供了高质量物性参数。