岩石圈地幔的流变性：实验研究之约束

To provide a better understanding of rheological properties of mantle rocks under lithospheric conditions, we propose undertaking deformation experiments on olivine + pyroxene polyphase aggregates under both anhydrous and hydrous conditions in a high-pressure deformation testing apparatus at low temperatures and high differential stresses. The results of this study will refine our understanding of the flow behavior of the lithospheric mantle and provide a robust data base and constraint for understanding continental structure geometry, kinematics and dynamics and for modeling geodynamic processes occurring with Earth’s interior; it is of great scientific significance.

为更好地理解岩石圈地幔中岩石的流变性，我们计划开展关于橄榄石+辉石二项体系在低温和高差应力的热力学条件下及在无水和含水的环境条件下的高压变形实验。 本研究结果将进一步完善对于地幔岩低温流变性的认识，为研究大陆构造几何学、运动学和动力学，为模拟地球内部的地球动力学过程，提供可靠的实验数据和约束条件，具有重大的科学意义。

本项目（NSFC 41674097）选择岩石圈地幔中的主要矿物顽火辉石作为研究对象，深入研究这类矿物的流变性质以及可能的水致弱化效应，为认识岩石圈地幔流变性提供必要的实验约束。 .（1）顽火辉石流变性的水致弱化研究：通过实验研究，厘定了顽火辉石流变性的水致弱化影响。 实验中，运用D-DIA流变装置结合同步辐射X射线源，开展了对含水条件下的顽火辉石的扩散蠕变研究。对流变学实验数据、物质成分鉴定和显微构造观察结果进行综合分析处理，建立顽火辉石含水条件下的流变学方程，揭示水对顽火辉石流变性的影响规律。这部分成果发表在地学I类期刊Journal of Geophysical Research 杂志上（Zhang, Mei, et al., 2017）。.（2）为了进一步探讨水对顽火辉石流变性能的影响，我们利用气体介质压机，在300MPa围压和1373-1473 K温度之间，对顽火辉石分别在水饱和和无水条件下，进行了三轴压缩蠕变实验。在水饱和条件下，随着差应力的增大，变形机制由扩散蠕变向位错蠕变转变。而在无水条件下，没有观察到扩散蠕变，变形一直在位错蠕变状态下进行。同在位错蠕变机制内，顽火辉石的流变强度在无水条件下要比水饱和条件下高出4倍左右，而且在活化能等变形参数上也显现出差异。在地球动力学界，一直都认为地幔中唯橄榄石的流变强度最小。但通过将我们实验结果与橄榄石的流变规律相对比后发现，在一定的压力范围内，顽火辉石的流变强度低于橄榄石的流变强度，修正了传统认识中的不足之处。这部分成果发表在地学I类期刊Geophysical Research Letters 杂志上 （Zhang, Mei, et al., 2020）。