高温高压下斜方辉石的流变性质和单晶弹性性质：水及化学成分的影响

Rheological and elastic properties of upper mantle minerals are of essential importantance to understand the chemical composition and dynamics process in upper mantle such as lithosphere and asthenosphere. In this project, we plan to investigate the rheological property and elasticity of orthopyroxene under high-pressure and high-temperature. We will focus on the effect of pressure, temperature, chemical component (Fe,Al) and water content on the flowing strength and elasticity of othopyroxene. Rheological experiments will be conducted at a temperature of 1200-1600 K and confining pressures of 300-450 MPa using the Paterson mechanical testing machine and at confining pressure of 1-7GPa using Griggs and D-DIA deformation apparatuses, and the strain rate will be controlled in the range of 10-4 to 10-6 s-1. Elasticity experiments will be conducted using Brillouin scattering combined with external-heating DAC at pressure of 0-15 GPa and temperature of RT-1000K. The experimental data will be used to analyze the relative strength between olivine and orthopyroxene and the elastic velocities and anisotropy of orthopyroxene. The results of this project will provide new experimental constrains on the rheological profile, chemical composition and dynamics process in the upper mantle.

本项目拟选择上地幔主要矿物斜方辉石作为研究对象，重点研究高温高压下水和化学组成对流变学和弹性性质的影响。流变学实验主要在Paterson装置上进行，辅之以Griggs装置和D-DIA装置，围压设定为300-450MPa和1-7GPa，温度1200-1600K，应变速率10-4-10-6s-1；通过研究流变强度随温度、压力、水含量和化学组成（Fe、Al）的变化规律，计算出应力指数、活化能、水逸度指数和活化体积等流变方程参数，同时研究变形的显微构造和组构型式。弹性测量实验采用外加热金刚石压腔布里渊散射技术进行，实验压力为0-15GPa，温度为室温-1000K，通过测量弹性波速及其随压力、温度、水和化学组成变化的规律，计算一整套的单晶弹性系数、弹性模量和波速各项异性数据。研究结果将有助于理解斜方辉石在上地幔的流变行为，厘定斜方辉石和橄榄石的相对强弱，解读地球物理观测事实并约束上地幔的动力学机制。

上地幔矿物的流变学和弹性性质对于认识不同构造环境的上地幔物质成分、结构和地球动力学过程十分重要。尽管上地幔由橄榄石、斜方辉石和单斜辉石等主要矿物构成的岩石组成，长期以来上地幔的流变强度被假定可以用含量最丰的橄榄石来代表，忽略了次要矿物的影响。针对这一问题，本项目采用Paterson气体介质高温高压流变仪研究了顽火辉石和单斜辉石的流变学性质。此外，我们还实验研究了上地幔矿物的蚀变矿物即俯冲带重要含水矿物叶蛇纹石的流变性质以及高密度含水镁硅酸盐相E的弹性性质。取得的主要研究成果包括：1）量化了顽火辉石的流变学参数，在位错蠕变域（应力指数 n=3）顽火辉石在无水条件和水饱和条件下的活化能分别为567±39 kJ/mol和603±54 kJ/mo，水的存在会显著降低顽火辉石的有效粘度约50倍；2）量化了在位错蠕变域温度、应变速率、水、铁含量和氧逸度对单斜辉石流变强度的影响，并确定了流变方程参数，发现水致弱化程度与斜方辉石相近；3）叶蛇纹石在高温高压下的变形表现为脆-韧性过渡行为，脱水不会诱发致脆效应，同时在低围压变形过程中发生粘滑行为，并且在脱水条件下这种行为更为明显，探讨了这些行为对俯冲带地震的意义；4）观察到了氢键对delta-AlOOH和相Egg的单晶弹性系数存在制约，给出了delta-AlOOH氢键对称化的拉曼光谱证据，发现高密度含水镁硅酸盐相E的波速显著低于典型上地幔和过渡带矿物，因此是俯冲带相关环境中上地幔底部和过渡带低速异常的一种可能成因。这些研究结果为深入认识岩石圈地幔的流变学性质、俯冲带环境水的循环和低速层的成因提供了新的实验约束。