中国东部地幔转换带物质弹性波速的高温高压测量研究及其地球动力学意义

We propose to investigate mineral physical causes of seismic discontinuities and heterogeneities in the mantle transition zone (MTZ) under Eastern China, through high-pressure (HP), high-temperature (HT) experimentation. We plan to combine HP-HT experiments with ultrasonic acoustic velocity measurements and to conduct a systematic study on representative minerals and rocks of the MTZ (synthetic pyrolite and MORB "rocks"). We will focus on the pressure-, temperature-, as well as composition (Fe, Al, and OH) dependence on density and P- and S-wave velocities for the materials to be studied. Based on these experimental results, we further examine seismic velocity structure of the MTZ under Eastern China by mineral physics modeling, aiming at providing a physical explanation in terms of mineralogy and thermodynamic state. At China University of Geosciences (Wuhan), the 1000 ton multi-anvil press at our Laboratory for Study of the Earth's Deep Interior (SEDI) has been operating to P-T conditions corresponding to the top of the lower mantle (26 GPa, 2500 oC). We have acquired the equipment for ultrasonic interferometry, and the main participants of this proposal have accumulated sufficient knowledge and experience in HP-HT ultrasonic experiments. We expect our new results to build a solid basis for mineral physics interpretation of the abundant (and increasing) seismic data under Eastern China, and to help understand the connection between deep mantle dynamics and shallower geological processes.

本研究拟通过高温高压实验和矿物物理研究来探讨中国东部地幔转换带（MTZ）不连续面及其横向不均匀性的成因。我们将结合高温高 压实验和超声波速测量手段，对具有代表性的地幔岩石组分（原生地幔岩、MORB玄武岩）进行系统的弹性波速测量。研究重点是P-、S-波速以及密度随温度和压力的关系，以及矿物化学成分对波速和密度的影响。在此基础上，拟对我国东部地幔转换带的速度结构进行模拟，为了解该区域的矿物组成及热状态提供约束。中国地质大学（武汉）的1000吨大压机目前已可进行高达下地幔顶部温压条件下的实验，并已引入国际通用的超声波测量设备。参加本项目的主要人员具有丰富的高温高压超声波测量知识和经验。相信在我国丰富的地震学资料和地幔结构研究的基础上，本研究能够为中国东部MTZ不连续面及横向不均匀性的成因提供物理解释，为深入了解我国东部地幔构造和浅表地质运动的背景提供矿物物理的资料和约束。

本计划拟在地大武汉地质过程与矿物资源国家重点实验室建设高温高压超声波测试实验平台，对上地幔和转换带的主要矿物进行原位波速测量，为中国岩石圈上地幔和转换带的地震波速，特别是有关华北克拉通的数据，提供矿物物理的解释。经过四年的努力，完成以下工作。（1）超声波高温高压测试实验平台已经完成，合成并研究了了若干转化带样品，并培养博士后一名（周春银，已出站）。在16.5 GPa、1400ºC条件下成功合成严密烧结的瓦兹利石多晶样品，并对其进行了高温高压原位波速测量。成功合成严密烧结的斯石英、方辉橄榄岩样品，并开始超声波测量工作。许多超声波数据正在分析中，预计还会产生若干篇文章。（2）完成地幔转换带条件下滞留大洋岩石圈物质（含水方辉橄榄岩）的相变实验，压力在6-14 GPa，温度在800-1200 oC（俯冲带条件），以及部分熔融实验研究，压力范围为16-22 GPa，温度范围为1200-1500 oC。本研究发现滞留板块通过部分熔融产生富水低密度熔体，熔体在浮力的作用下上升至上地幔，进而交代上地幔橄榄岩，从而形成低速异常区域；另一方面，在华北克拉通下部也存在大尺度滞留板块，通过滞留岩石圈部分熔融，低密度熔体为华北克拉通岩石圈的的破坏提供水，以软化坚硬的岩石圈地幔物质。（3）利用高精度P波和S波层析成像数据，研究了中国华南地区地幔转换带中速度异常体的成因。发现华南地区地幔转换带中大尺度高速度异常具有低Vp/Vs比值的特征，而华夏板块下部低速度异常具有高Vp/Vs比值的特征。我们认为，华南地区地幔转换带可能存在古老的俯冲大洋岩石圈物质，且华夏板块下部地幔转换带可能存在俯冲板块物质的脱水现象；相对于温度异常而言，化学成分异常对地幔深部速度异常的影响更大；Vp/Vs比值可能是研究地幔深部速度异常成因的有效方法之一。