地幔主要矿物的相变动力学特征及俯冲带的物质性质

俯冲带深部的物质结构取决于主要矿物橄榄石和辉石的相变动力学行为。 目前橄榄石的相变动力学研究取得了很大进展，理论上的进展主要包括考虑新相晶核形状对橄榄石相变体积分数计算公式和成核率公式的修正，以及水对于长大的影响在于降低活化能等，为深入研究地幔主要矿物的相变动力学行为奠定了很好的基础。 本项目拟通过地幔主要矿物橄榄石相变的高温高压原位实验研究，进一步确认修正的相变体积分数计算公式和成核率公式的以及水对于橄榄石相变长大率方程的影响；研究橄榄石相变到瓦士利石（beta相）及到林伍德石（gamma相）的相变动力学差异；明确橄榄石相变的晶内成核机制存在的温度压力范围。 结合地幔另外一个主要矿物辉石的相变动力学实验数据研究其相变动力学行为，建立典型俯冲带深部物质结构和流变结构的全景图像。

地幔主要矿物的相变动力学特征在深入理解深源地震形成机制以及俯冲带与660km地幔间断面相互作用等方面取得了重要进展，尤其是近年来实验观测到水加快橄榄石相变速率以及理论研究表明相变后晶粒尺寸发生变化，但对于亚稳态橄榄石能否存在于最大震源深度以及相变后晶粒尺度变化对俯冲带流变性质的影响范围等问题还存在争议。本项目通过不同含水条件下地幔主要矿物橄榄石相变的高温高压原位实验研究，确认理论研究修正的相变体积分数计算公式、成核率公式和长大率方程，橄榄石相变到瓦士利石(β相)及到林伍德石(γ相)的相变动力学差异，以及橄榄石相变的晶内成核机制可能存在的温度压力范围。考虑新相晶核的表面能对其形状的影响，项目组修正了晶面成核情形的成核动力学方程，由此可以确定出成核过程中新相晶粒与反应相晶粒的接触角度及新相物质与反应相物质之间的表面能。应用理论研究结果对已有的成核实验数据分析表明，硅酸镍在相变过程中新相成核的接触角度和表面能分别为0.57°，32.33 Jm-2。目前的镁橄榄石和地幔橄榄石数据不能够能到合理的成核率参数。项目组对橄榄石相变长大率与水含量关系的研究结果表明，含水量较高的镁橄榄石在相变过程中对应较低的亥姆霍兹活化能，而长大率方程中的指前系数几乎是一个与含水量无关的常数。这个常数的数值在晶界控制长大的晶体相变动力学经典理论中相应于晶界是一层或几层分子的厚度。应用日本SPring-8同步辐射源的实验环境，项目组成功观测到12组橄榄石到林伍德石(γ相)的相变动力学过程。实验条件为16~20 GPa，680~1050℃,500~2000 wt.ppm H2O，实验数据点在温度压力空间呈“L”型分布。实验结果的初步分析验证了考虑水的长大率方程的理论修正。在实验观测的温度压力范围内，橄榄石相变到瓦士利石(β相)及到林伍德石(γ相)的相变动力学特征相近，晶界成核是主要的橄榄石相变机制。在干的状态下（含水量约为800wt.ppm）俯冲带主要矿物橄榄石的亚稳态可以达到深源地震的最大发生深度。