橄榄石及其同质异相体在高温高压下的单晶弹性模量

Knowledge of the single-crystal elasticity of olivine polymorphs is the key to constrain the structure and composition, to understand the seismic images and profiles, and to interpret the observed velocity anomalies and anisotropy in the Earth's upper mantle and transition zone. Although laboratory measurements on the single-crystal elasticity of olivine polymorphs have attracted extensive research interests over decades, previous experimental studies were only performed at high pressures but room temperature or high temperatures but ambient pressure, significantly limiting their applications to reveal the internal structure of the Earth's upper mantle and transition zone. Here, we propose to investigate the single-crystal elasticity of olivine polymorphs, including olivine, wadsleyite and ringwoodite, at simultaneous high pressure and high temperature conditions using externally-heated diamond anvil cells together with Brillouin spectroscopy and synchrotron X-ray diffraction. Using this new technique, we aim to provide new constraints on the combined effect of temperature, pressure, and composition (including variations in the Fe and water contents) on the single-crystal elasticity of olivine polymorphs. Experimental results will be used to model the velocity structure of the upper mantle and transition zone. Comparing our modeling to seismic images is expected to reveal the lateral variations of chemical compositions and mineralogy in the Earth's upper mantle and transition zone, to identify the potential water rich region, and to help understanding the water circulation in the Earth's deep interior. In addition, the single-crystal elasticity of olivine polymorphs is essential for understanding the observed velocity anisotropy in the region.

橄榄石及其同质异相体（瓦士力石和林伍德石）的单晶弹性模量，是研究地球上地幔和过渡带物质组成，理解地震波图像，和解释观测到的速度异常和各向异性的关键。尽管在过去的几十年里，橄榄石及其同质异相体单晶弹性模量的研究受到广泛关注，但之前的实验研究仅在单一的高温常压或者高压常温条件下进行，极大地限制了实验结果在深部地球研究中的应用。本项目将利用金刚石对顶砧结合布里渊散射和同步辐射X光衍射，同时在高温高压下研究橄榄石、瓦士力石以及林伍德石的单晶弹性模量。我们将着重研究"温度- - 压强- - 成分（铁含量和水）"的耦合对这些矿物单晶弹性模量的影响，并建立新的矿物学速度模型。其与地震波图像的比较，将着重用于理解上地幔和过渡带物质组成横向的不均一性，并用以探寻潜在的水富集区以及理解地幔的物质循环。而橄榄石及其同质异相体的单晶弹性模量更是揭示观测到的速度各项异性形成机制的关键。

地震学观测是理解地球内部构造和物质组成的重要手段之一。在高温高压下实验测量地球内部主要构成矿物的弹性模量是解读地震学观测、确定地球内部物质组成、揭示地球内部物质组成横向不均一性的关键。过去大部分研究均在高温常压或者常温高压下进行。将数据进行温度或压力的外延对模拟地球内部速度结构造成较大误差。因此在该项研究中，我们着力发展高温高压下原位测量地幔矿物单晶弹性模量实验技术和新方法，并将这些方法应用于研究地幔重要组成矿物如橄榄石等的单晶弹性模量，探讨温度、压力、成分变化对这些矿物弹性性质的影响。具体研究成果包括：1.首次在高温高压下原位测量上地幔主要构成矿物橄榄石的单晶弹性模量。利用实验结果确定成分变化，包括Fe和水对橄榄石以及其同质异象体瓦兹力石弹性模量的影响；2. 利用实验结果模拟上地幔和过渡带上部速度—深度图像，揭示Fe和水含量变化对上地幔橄榄石以及过渡带瓦兹力石含量的影响。此外，获得的单晶弹性模量还应用于计算橄榄石在俯冲板片温压条件下的波速各向异性。这为判定深部地震是否由亚稳态橄榄石相变造成提供了重要的矿物学依据；3. 通过采用发展的高温高压技术在高压下1000 K获取下地壳和上地幔重要构成矿物尖晶石的单晶弹性模量。将该实验结果与橄榄石结果结合我们发现，上地幔成分极大的依赖成分变化。橄榄石和尖晶石相对富集的区域波速可比这两种矿物相对亏损的区域波速高1.3-2.1%。该项研究为理解在上地幔不同区域观测到的横向波速变化与成分的关系具有重要意义；4. 在高温高压下获得俯冲板片重要超级含水相B的单晶弹性模量。利用实验结果我们发现超级含水相B在下地幔顶部的堆积会引起一个2-3%的横波低速带。这为理解地震学在相关深度观测到的横波波速异常提供了重要的矿物物理解释；5. 发展新的在高温高压下原位获得矿物完全单晶弹性模量的新方法。采用这一新方法，高温高压下只需通过采集矿物在不同晶向上的横波就可以完全确定矿物的全部单晶弹性模量。通过本项目的执行我们取得了一些列原创性的研究成果并发表在Nature Index、一区等杂志上。所获得的研究成果对理解地幔物质组成和结构具有重要意义。