富Cr石榴子石PVT状态方程——对上地幔中下部密度和热弹性性质的约束

Garnet is a major rock forming mineral of the Earth's upper mantle. Garnets from mantle xenoliths, xenocrysts and as inclusions in diamonds indicate that peridotitic garnets from the middle-lower parts of the upper mantle (80-410 km) are mainly Cr-rich (Cr2O3 > 1 wt.%). The variation of compositions in garnet has significant effect on its thermoelastic properties, thus, studying the pressure-volume-temperature (PVT) equation of state of Cr-rich garnets is important to model the density and thermoelasticity of the middle-lower parts of the upper mantle. However, the PVT equation of state of Cr-rich garnets has not been systematically investigated yet. In this project, the PVT equation of state of Cr-rich garnets with different chemical compositions will be investigated at high pressure and high temperature using the resistance heating and laser heating diamond anvil cells combined with synchrotron radiation X-ray diffraction method. The effect of Cr-content on the thermoelastic parameters of garnet will be discussed. Based on the thermoelastic parameters of olivine, orthopyroxene and clinopyroxene, the density and thermoelasticity model of mantle lherzolite with Cr-rich garnet will be established. This project will provide the fundamental data for understanding the density and thermoelasticity of the middle-lower parts of the upper mantle.

石榴子石是上地幔的重要组成矿物。来自上地幔的岩石捕掳体、矿物捕掳晶以及金刚石中的矿物包裹体显示，上地幔中下部（80-410公里）的橄榄岩型石榴子石主要是富Cr的石榴子石（Cr2O3含量大于1 wt.%）。组分的变化对石榴子石的热弹性性质具有重要影响，因此研究富Cr石榴子石的压力-体积-温度（PVT）状态方程对于更合理地构建上地幔中下部的密度和热弹性性质模型具有重要意义。但是，还没有关于富Cr石榴子石PVT状态方程的系统研究报道。本项目拟利用电阻外加热和激光加热金刚石压腔装置结合同步辐射X射线衍射技术，在高温高压条件下，对不同Cr含量的石榴子石进行PVT状态方程研究，探讨Cr含量的变化对石榴子石热弹性参数的影响，结合现有的关于橄榄石、斜方辉石和单斜辉石PVT状态方程的研究成果，获得富Cr石榴子石地幔二辉橄榄岩的密度和热弹性性质模型，为更合理地约束上地幔中下部的密度和热弹性性质提供实验依据。

富Cr石榴子石是大陆岩石圈上地幔的一种主要矿物，对其状态方程以及弹性性质的研究对于模拟计算岩石圈地幔的密度和地震波速度具有重要意义。我们对不同Cr含量的富Cr石榴子石进行了高温高压条件下的同步辐射单晶X射线衍射以及布里渊散射实验研究。获得了不同组分富Cr石榴子石的弹性参数以及状态方程参数。结合前人关于岩石圈上地幔其他主要矿物的研究成果，我们计算了几种不同类型大陆岩石圈上地幔在上地幔温度压力条件下的密度以及地震波速度。结果显示，大陆岩石圈上地幔岩石组分的演化对其密度的影响非常明显。经交代作用改造过的岩石圈地幔密度显著大于初始岩石圈地幔的密度，这将导致被交代过的岩石圈地幔发生重力失稳，为岩石圈地幔的拆沉创造前提条件。另一方面，计算结果显示岩石组分的改变对地震波速度无显著的影响。我们发现，交代后岩石圈地幔与初始岩石圈地幔的地震波速度差异在计算的误差范围内。由交代作用引起的温度变化所导致的地震波速度变化比组分变化导致的地震波速度变化显著得多。而且，这种有温度变化导致的波速变化可以用于解释某些克拉通内部上地幔的横波速度负异常。由于富Cr石榴子石是克拉通金刚石中最常见的矿物包裹体之一，准确测定富Cr石榴子石包裹体被捕获时的环境压力（Pe）对于研究金刚石的形成环境至关重要。我们获取的富Cr石榴子石的状态方程参数可用于计算Pe。我们的计算研究结果显示，用实验测得的富Cr石榴子石状态方程参数计算得到的Pe明显大于用端元石榴子石的状态方程参数计算得到的Pe。因此，用端元石榴子石状态方程来计算金刚石捕获富Cr石榴子石是环境压力将会得到偏低的结果。