660km地震不连续面附近物质的流变学高温高压实验及其显微结构特征研究

The rheological properties and microstructural nature of material above and below the 660 km seismic discontinuity, an boundary between upper and lower mantles, play an important role for the understanding of deeply subducted slabs, the termination of deep earthquakes, mantle convection, post-glacial rebound, and other geodynamic processes. Therefore, it is conceivable that the knowledge of experimental investigation on the strength of material near the 660km discontinuity at high pressures and temperatures and its microstructure features would provide laboratory evidence for understanding these geodynamic processes. To address these important problems, in this study, we will performed preliminary studies on a similar realistic analogue system (Co2TiO4) with the help of 5GPa piston-cylinder (Griggs) deformation apparatus and advanced testing apparatus (eg. Scanning Electron Microscope, Transmission Electron Microscope, Electron BackScatter Diffraction system, and so on).

660km地震不连续面是地球内部分开上地幔和下地幔的重要地球动力学界面，深俯冲板块在这一深度附近发生了许多重要的演化，譬如深源地震的彻底消失，深俯冲板舌发生偏转后才进入下地幔等。因此，了解和把握660km地震不连续面附近物质的力学属性及其边界本身的化学/结构属性是当前地球深部物质科学和动力学研究的重要前沿课题。本项目拟通过改进Griggs型流变仪对能代表660km地震不连续面的具有尖晶石结构的钴钛尖晶石（Co2TiO4）及其分解生成的钛铁矿（CoTiO3）＋CoO的混合物进行实验研究，也就是以高温高压流变学实验为突破口，结合现代化测试仪器和手段，获得660km附近最直接的岩石变形力学参数资料、显微结构特征和变形机制信息，为俯冲带660km地震不连续面附近的动力学研究提供重要的实验约束。

660km 地震不连续面是地球内部分开上地幔和下地幔的重要地球动力学界面，了解和把握660km 地震不连续面附近物质的力学属性及其边界本身的化学/结构属性是当前地球深部物质科学和动力学研究的重要前沿课题。本项目对660km地震不连续面附近物质分解前后强度变化进行了一系列流变学实验及其显微结构分析研究，发现660km地震不连续面对应的分解产物具有后成合晶结构——表面上看是微小细粒的，但从EBSD的结果显示它们的同时生长遵循一定的方向性，说明其在二维空间上看是独立的单个晶体，但在三维空间上它们很有可能是连在一起的；并且相同条件下后成合晶的强度比分解前尖晶石强约25%，说明这种后成合晶结构是一种使物质变强的结构而不是像前人提到的由于颗粒度变小而使物质变弱的结构；应用到地球科学中，俯冲岩石圈当其进入下地幔时并没有变弱而是比其下伏的地幔转换带具有更大的粘度，这与地球物理上的证据是一致的。利用我们的结果能够很好的解释俯冲陡倾板舌中（包括汤加以及我国的东北地区）由于下地幔粘度的加大导致的对插入板片的抵抗力致使其应力状态以下倾压缩应力为主的情况。之外，在尖晶石相分解的一系列试验中并没有发现任何的剪切不稳定性，那样深源地震在转换带底部停止的最可能解释或者是亚稳态橄榄石已经消耗殆尽（但已经在4个俯冲带内发现此深度橄榄石依然存在）或者就是像此文研究中的那样生成了不产生剪切不稳定性的这种后成合晶结构。