地幔岩浆熔体的物性对华北克拉通破坏的制约

华北克拉通破坏的机制及其深部过程与地幔和软流层中的岩浆熔体的物质组成、物性特征和状态有密切关系。地幔软流层中到底含有多少基性熔体？熔体中是否含有水？基性岩浆熔体中的水含量能有多少？水对岩浆熔体的物性有多大的影响？目前还缺乏系统地实验依据。本项目以华北地区采集的中生代玄武岩为主要研究样品，在高温高压条件下分别合成岩浆玻璃和各种不同水含量的岩浆玻璃，使用同步辐射微区衍射、高压布里渊散射、高压激光拉曼和高压导电率等各种先进技术，对合成的各种岩浆玻璃在高温高压下进行原位的物性和状态方程的研究，讨论水对岩浆熔体物性和状态参数的影响，对获得的电导率、介电常数、声速、密度、状态方程等物理参量，与地球物理测量获得的地震波速和导电率等数据进行对比，建立地幔软流层的物质组成模型，为讨论华北岩石圈减薄和克拉通破坏的各种机制研究提供原始的实验数据。

华北克拉通破坏与岩石圈减薄是被国内外学者们广泛认可的地质事实，其破坏机制有拆沉、岩石圈地幔水化和热-化学-机械作用等观点。无论是哪一种破坏机制都不可避免地涉及到地幔熔体物质的相关物理化学性质。本项目以含水玄武岩为研究对象，利用高温高压实验手段测量密度、声速和弹性系数等物理参数，给出变化规律，进而探讨对华北克拉通破坏的制约。项目以与华北克拉通破坏相关的典型熔体玄武岩为出发点，利用高温高压方法合成不同含水量的玄武岩熔体样品，利用电子探针和红外光谱对所合成的含水玄武岩的成分和含水量进行表征。表征结果显示：样品含水量较低时，羟基占主导地位；当总含水量大于 2% 时，样品中会存在分子水。根据含水量与成分的分析结果，对含水硅酸盐熔体（玄武岩）的解聚度计算公式进行了修正。修正后的公式考虑了水对硅酸盐熔体体系聚合度的影响，更准确地体现了结构基团与成网变网阳离子之间的相互作用。将热膨胀数据与密度测量相结合获得了不同温压条件下含水玄武岩熔体中水的偏摩尔体积，发现温度的增加或者压力减小都能使玄武岩熔体中水的偏摩尔体积增大。对不同含水玄武岩熔体在常温常压下的布里渊光谱实验表明，水的加入降低了玄武岩熔体的声速，弹性模量 G、剪切模量 KS 与含水量之间呈线性关系且随着含水量的增加而减小。不同合成压力下弹性数据的对比表明，水的加入将破坏熔体结构中多面体之间的相互作用，较为稳定的四面体桥氧结构被破坏导致硅酸盐系统更易被压缩。对比不同压力下合成的样品的绝热压缩率可以看到，高压力下合成的玻璃具有较小的压缩率，水的加入对硅酸盐玻璃有“双重”作用：降低体系的密度并增加其压缩率。高温高压实验测量表明，含水玄武岩的硅酸盐网络在压力作用下向更高的[Si,Al]–O配位拓扑重排，导致含水玄武岩熔体发生二阶相变。与0.46 wt% 含水量的样品相比，10 GPa时2.69 wt%含水量的样品的弹性模量降低了10%–18%；含水量的增加会使二阶相变点向高压放向移动。根据高压实验数据构建的含水玄武岩熔体在上地幔底部的密度模型显示，含水玄武岩熔体在上地幔底部要保持稳定，含水量不能超过 0.46 wt%。水的加入导致了玄武岩熔体的密度下降，能为拆沉的发生提供密度条件；含水熔体的密度下降会导致克拉通底部的熔体失稳。太平洋板块的俯冲挤压和底部高密度玄武岩熔体支撑的弱化或许是华北克拉通破坏能够持续的动力学成因。