橄榄石是上地幔最主要的矿物，它由平均大约90% mol Mg₂SiO₄和10% mol Fe₂SiO₄组成.橄榄石的状态方程(EOS)的确定非常重要，因为通过与观察的地震数据它可被使用来约束上地幔的组分和矿物模型，帮助理解上地幔的动力学.至今.许多含铁橄榄石弹性实验研究已经进行，不同研究者使用不同的方法，如静态压缩(Kumazawa and Anderson，1969; Isaak，1992; Zaug et al.，1993; Meng et al.，1993; Guyot et al.，1996; Abramson et al.，1997; Zha et al.，1998; Li et al.，2004; Liu et al.，2005；Liu and Li，2006).然而，实验条件局限在室温和高压下(Zaug et al，1993; Abramson et al.，1997; Zha et al.，1998)，或者常压和高温下(Isaak，1992).基于原位高P-T测量的热状态方程研究其压力也小于8 GPa(Meng et al.，1993; Guyot et al.，1996; Liu et al.，2005；Liu and Li，2006).通过冲击波压缩实验，一些研究者(McQueen et al.，1968; Van Thiel et al.，1967； Birch et al.，1966)已经得到压力达到100 GPa下的橄榄石P-V曲线.但是，热状态方程数据对于不同研究变化非常大.

橄榄石可以在地球深部410 km处转变成wadsleyite，在深部520 km处 转变成ringwoodite.地震观测证据表明俯冲带可能插入地幔转换带410~660 km之间.俯冲板片同周围环境相比处于相对低压高温状态.板片中的橄榄石如何拖进地幔转换带？

利用冲击波进行的动高压实验对研究超高压下的物质性质也是十分有效的.自20世纪60年代以来，关于金属和矿物的冲击波实验已有大量研究成果发表.这些研究包括了对高压下物质密度、声速变化、相变、熔化、输运和物质状态方程等性质的探索.

本文对大麻坪采集的热压后橄榄石0.1的Fe/(Mg+Fe)样品进行压力在10~45 GPa范围的冲击波动高压实验，对岩石超高压下密度变化、相变过程和状态方程进行研究，并探讨了该项研究对于含有橄榄岩俯冲板块存在地幔转换带区域的地球物理含义.

实验所用的橄榄石来自河北省张家口的大麻坪的二辉橄榄岩，它的XRD谱如图 1所示.首先通过人工手动挑选，然后研磨成小于63目的粉末，再装入铁皮制成的圆柱体中，最后在130 MPa和1400 K下真空热压成型.实验前，样品被切割、抛光成圆片状，并焊接光纤，组装后放入实验腔体，如图 2所示.实验时，化学炸药爆炸推动飞片高速运动，当撞击样品后，在样品中产生一个以速度D向前传播的冲击波，受冲击波压缩后物质以速度u运动.在无相变情况下，实验和理论都证明，D和u可用下述关系式描述(谭华，2007)：

图 1

Fig. 1

图 1 样品XRD测试分析 Fig. 1 XRD examination for the sample

图 2

Fig. 2

图 2 实验装置示意图 Fig. 2 The sketch of experimental device

在10~45 GPa压力范围内进行了10发冲击压缩实验，结果列于表 1.观察实验数据以及回收实验结果，判定我们实验结果没有发生相变.线性拟合冲击波速度D和粒子速度u的关系可得c₀和λ为3.56和2.57，如图 3所示.图 4表明了动高压条件下橄榄岩密度和压力的关系.

表 1(Table 1)

表 1 橄榄岩冲击压缩实验数据 Table 1 Experimental data of shock wave compression on Olivine 样品初始密度 ρ0/(g·cm-3) 冲击波速度 D/(m·s-1) 粒子速度 u/(m·s-1) 压力 p/GPa 密度 ρH/(g·cm-3) 3.157 5170 675 11.13 3.627 3.099 5463 722.9 12.59 3.635 3.118 5730 828 15.13 3.686 3.111 5880 850 15.94 3.687 3.214 5993 956 18.42 3.753 3.175 6336 1082 21.86 3.803 3.225 6867 1234 27.03 3.845 3.19 6944 1306 28.93 3.885 3.131 7253 1473 33.45 3.958 3.122 7880 1681 41.35 4.009

表 1 橄榄岩冲击压缩实验数据 Table 1Experimental data of shock wave compression on Olivine

图 3

Fig. 3

图 3 冲击波速度与粒子速度的关系 Fig. 3 The relationship between shock wave velocity and particle velocity

图 4

Fig. 4

图 4 橄榄岩动高压实验条件下压力与密度的关系 Fig. 4 The relationship between density and pressure under dynamic high pressure for olivine

在固体和液体系统的物态方程研究中，从系统的薛定谔方程出发，通过绝热近似或静态近似，系统的物态方程分成由电子及点阵两个子系统的贡献相加得到，并进一步把这两部分贡献分成零温部分和非零温部分.零温部分能量和压力分别称为冷能E_c和冷压p_c，非零温贡献部分分别称为热能E_T和热压p_T.因此，总能量可分为热能和冷压能：

这里代表E_H总能量.对于冲击波压缩过程，总能量为Rankin-Hugoniot能量关系式：

冷能即常温下与压力有关的能量为

根据(Liu et al.，2005; Liu and Li，2006)的等温下橄榄岩的实验结果，冷压p_c可用Birch-Mumaghan方程表示

式中，K_T=129.0，K′_T0=4.61. 由我们的实验可得V₀=1/3.457.

对固体及液体系统，在小于几百吉帕的压力范围内，在系统的物态方程中，一般可略去电子项贡献，并用以下形式的Gruneisen物态方程描述(经福谦，1999):

设Gruneisen系数随比容的变化满足n幂次关系

由我们关于橄榄岩实验结果和前人冷能和冷压结果(见方程(6)和(7))，得到γ依赖V的数据，拟合上面关系式，可得n=13.5，γ₀=227.39.

结合前人关于橄榄岩等温冷压的实验结果，根据热力学能量关系，可以确定实验过程的温度.

热能即等压过程与温度有关的能量为

其中，k_c为热膨胀系数.于是

结合方程(4)—(7)，并取k_c=2.73×10^-5K^-1(Liu and Li，2006)，由我们的动高压实验结果和前人室温静态高压结果，可确定我们实验对应各个压力下的温度，结果如图 5所示.由图可发现我们的冲击波实验压力从10 GPa到30 GPa，温度从摄氏几十度到摄氏800多度之间.这也间接地表明我们的实验在此过程中没有发生相变.

图 5

Fig. 5

图 5 冲击波实验对应相应压力下温度的确定 Fig. 5 The estimated temperatures corresponding to dynamic high pressure in shock wave experiments

从冲击波速度和粒子速度关系曲线(如图 3所示)的特征，及我们所做的回收试验(压力为28 GPa)回收样品的化学检测结果(图 6)都表明，在我们的实验条件下，或严格的说压力小于30 GPa时，没有发生相变.这从第5节确定的温度结果也可推断出.即使在压力和温度都达到相变条件的情况下，对于冲击波动高压实验样品也不一定就发生相变.因为，动高压实验时间极短，相变可能来不及发生，而处于亚稳定过程.

图 6

Fig. 6

图 6 橄榄岩回收实验后的XRD谱图 Fig. 6 XRD examination for recovered sample about olivine

由于相变过程除了要求一定的温压条件，适当的时间也是需要的.而我们的动高压实验，样品受压时间极短，温度也没有达到很高，因而在压力28.76 GPa以下，我们的样品在冲击波压缩下没有发生相变，可能处在亚稳态相.

板块中亚稳态橄榄岩的存在对于板块俯冲和深部地震起源有着重要的含义.以前亚稳态的橄榄岩在压力高于10 GPa的密度还没有直接测量.使用橄榄岩的热弹性参数(Liu and Li，2006)，构造出在温度为873K和压力从0到35 GPa压力密度曲线.它与我们动高压结果较好的吻合.地球深部410 km(14 GPa)和660 km(24 GPa)处，亚稳态橄榄岩密度是3.67 g·cm^-3和3.82 g·cm^-3，在410 km下，这个密度高于PREM和AK135 模型，这也说明冷板块俯冲更加容易.作为西太平洋俯冲区的例子，如果板块的俯冲速率是8~12 cm·a^-1，地热梯度是0.6 K·km^-1. 在300 km处的温度设为800 K(Tetalaff and Schmeling，2009)，俯冲角设为30°.板块需要大约7~10 Ma 俯冲到410 km 深度.假设板块厚度d是80 km，热扩散系数是κ是10^-6 m²·s^-1.由公式t=d²/4κ，可以估计需要大约12.6 Ma加热板块.上述结果表明冷板块中的亚临界橄榄岩可以存在地幔转换带中.

1)本文叙述了我们对大麻坪橄榄石进行的十发冲击波动高压压力在10~45 GPa范围内的实验结果，得到了绝热压缩雨贡纽曲线.利用前人的冷压方程确定了实验过程的温度.实验结果表明实验过程中没有发生相变.

2)利用绝热压缩曲线和冷压曲线可确定材料物态方程.由冲击绝热数据和前人冷压方程，计算得到了大麻坪橄榄石的格临爱森系数与比容幂次关系的参数n=13.5，γ₀=227.35.由此确定了大麻坪橄榄岩Gruneisen物态方程.

3)实验结果表明，冷板块中的亚临界橄榄岩可以存在地幔转换带中.