2017, Vol. 36
地球是一个非均匀体, 在地球内部不同尺度范围广泛存在各种与时间和空间(横向和纵向)有关的不均匀性, 比如化学成分的不均一性, 会导致物质密度、体积、弹性性质、相平衡发生大的跃变；温度的不均匀性会导致地球内部的热结构、物质状态等发生大的变化(谢鸿森, 1997；Karato, 2008, 2013)。正是由于地球内部的各种不均一性, 使得地球内部物质除受到各向同性的围压作用外, 还受到叠加的差应力(压、拉、剪、扭等)影响。因此可以说, 差应力是各种地质现象(地震活动、板块构造、地球形成与演化、各种动力学过程等)产生的重要驱动力。目前有关地球内部物质物理化学性质的高温高压实验研究, 绝大部分是在流体静压力下获得的, 基本上未考虑差应力的作用, 由此获得的关于地球内部物质的各种认识可能存在偏差。因此要正确认识和了解地球内部物质的成分、结构、构造、性状和相互作用就需要知道地球内部物质在高温高压和差应力同时存在情况下的物理化学性质。
高温高压实验研究在地学中的主要目的, 就是要在实验室里创造出类似于地球内部不同深度的物理化学条件, 并采用尽量多的原位探测技术与分析手段来确定试样在各种热力学条件下的物理(弹性、电导率、热导率、流变学等)和化学性质(相平衡、元素分配与分异、同位素分馏、扩散系数等)。将实验室结果与地质学、地球化学和地球物理学观测数据(重力、地震、电磁等)等结合起来就会对模拟整个地球的热力学状态、动力学过程和形成演化等科学问题提供重要参考。在过去的几十年里, 高温高压和同步辐射技术方面的革命性突破使得地球内部物质物性测量研究取得了重大进展(Poirie, 1985; 王雁宾, 2006；Karato, 2008, 2013; Karato and Weidner, 2008)。流体静压力下地球内部物质物性测量方面已有诸多回顾总结与讨论(谢鸿森, 1997；金振民, 1997；熊小林等, 2013；周春银和金振民, 2014；杨晓志, 2015), 本文偏重于讨论在差应力下部分熔融岩石物性测量的高温高压实验研究进展, 而不涉及地幔矿物在流体静压力和剪切变形下获得的结果。在此笔者首先简要介绍了高温高压岩石流变学实验的基本原理、各种常见的高温高压变形装置及其优缺点, 然后再着重阐述了近年来差应力下部分熔融岩石物性的重要研究进展及地学应用, 最后对该领域未来的研究趋势做出展望。
1 剪切变形下物性测量的原理、方法与影响因素传统的高温高压物性测量, 只需要能够精确地测量压力与温度就够了, 基本上不考虑差应力的影响。然而在剪切变形下测量地球内部物质的物性, 不但需要高温高压实验条件, 而且还需要能够加载差应力的实验设备, 并精确定量测量所产生的应力和应变大小。
1.1 变形几何各种地质构造都是岩石受力发生变形的产物, 因此从力学观点来研究岩石的微观变形是必要的, 它所依据的就是现代固体变形理论, 其理论是在寻常环境下建立起来的。地质构造是在地质历史时期形成的, 其作用时间之长、条件之复杂, 是一般人工实验无法比拟的。尽管如此, 它们之间某些变形的基本力学规律还是相同的。从受力方式来分的话, 变形主要分为: 纯剪切(pure shear)和简单剪切(simple shear)。纯剪切包括单轴/三轴压缩变形(compression deformation)(图 1a)和拉伸变形(tension deformation)(图 1b)；简单剪切样品和活塞按一定角度切割呈三明治状挤压(图 1c、1d), 同时简单剪切变形也包括扭转变形(torsion deformation)(图 1e)。在每一种变形几何中, 实验样品内部的应力分布都是不同的, 相应的也会产生不同的变形机制与变形结果。
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(a)纯剪切-压缩(据Tasak et al., 2013)；(b)纯剪切-拉伸(修改自Miyazaki et al., 2013)；(c)简单剪切1°～45°切角(据Ohuchi et al., 2011)；(d)简单剪切2°～90°切角(据Zhang et al., 2014)；(e)简单剪切3-扭转变形(修改自Hansen et al., 2012) 图 1 变形几何种类 Figure 1 Deformation geometry |
地球中的各种地质构造现象的形成和演化归根结底就是矿物岩石在复杂物理化学条件下的变形产生。为了更好的理解地球内部物质在真实地球内部各种物理条件(温度、围压、差应力、应变速率等)下和化学环境(氧逸度、流体等)中的变形, 就需要特殊的高温高压实验装置来测试地球内部物质的力学性质。上世纪60年代, 国际构造物理的先驱David Griggs通过改装活塞圆筒高压装置而研发出一种新的高温高压变形装置(图 2a)—Griggs型流变仪(Griggs, 1967), 利用该装置可以进行地学材料的应力-应变性质测定, 同时还能定性地研究变形产生的显微构造演化。但是, 固体介质Griggs流变仪不能做到围压真正各向同性, 而且加载轴和围压介质之间的摩擦力使得差应力测量精度很低(Ji, 2008；邵同宾等, 2011a)。为克服Griggs流变仪的这些缺点, 澳大利亚国立大学的Mervyn Paterson教授设计出了另一种气体介质变形装置(图 2b)—Paterson型流变仪(Paterson, 1970), 最近Paterson等人又将该流变仪进一步改进(Paterson and Olgaard, 2000)从而能够实现图 1中的所有的变形类型。不过由于Paterson流变仪采用气体压力介质, 所以能够获得的围压非常有限(≤700 MPa), 而且也不能与其他原位测量技术(同步辐射等)相结合。进入21世纪后, Wang等(2003)和Yamazaki和Karato(2001)先后开发出Deformation-DIA(简称D-DIA)(图 2c)和Rotational Deformation Apparatus(简称RDA)(图 2d)高温高压变形装置, 这2种仪器现在都能达到很高的围压(～25 GPa), 并能与同步辐射X射线衍射结合使用, 极大的促进了固体地球科学的发展。表 1中总结了目前常用的这4种流变仪的温压条件和优缺点, 图 3示意了这些设备在深部地球研究中的应用范围。相信在不久的将来, 随着高温高压实验技术的不断发展, 变形实验的压力和温度范围还会进一步拓展。
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(a)Griggs型流变仪(据Griggs, 1967)；(b)Paterson型流变仪(据Paterson, 1970；Paterson and Olgaard, 2000)；(c)D-DIA型大压机(据Wang et al., 2003)；(d)RDA型旋转变形仪(修改自Yamazaki and Karato, 2001) 图 2 变形实验设备 Figure 2 Deformation apparatus |
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表 1 不同类型变形仪器所能达到的温压范围及优缺点比较 Table 1 p-T ranges and merits and faults of some tipical high-pressure apparatus |
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图 3 不同类型变形实验设备所能够产生的温压条件 Figure 3 p-T conditions available in the deformation experiments using various types of high-pressure deformation apparatus |
众所周知, 金刚石对顶砧压腔(DAC)是另外一种重要的高温高压设备, 并能够方便地与同步辐射X光结合使用。由于DAC实验中样品腔极小(微米量级)、样品受热不均、压力产生与塑性变形不能完全分离等因素, 导致用DAC进行流变学研究困难重重, 特别是应力-应变测量误差较大。目前已报道的变形结果相当少, 主要有MgO(Lin et al., 2009)、MnGeO3(Hirose et al., 2010)、CaIrO3后钙钛矿(Niwa et al., 2012), 相信在不久的将来会有更多这方面工作的报道。
1.3 影响因素
在剪切变形下测量地球内部物质物性的影响因素主要分为外部因素和内部因素。其中, 内部因素就是与所研究的对象物质有关, 如晶体结构、化学成分等；外部因素则与所使用的研究设备、实验条件、实验方法等有关。具体来说, 外部因素主要包括: 温度(T)、压力(p)、颗粒尺寸(d)、差应力(σ)、应变(ε)、应变率(
近几十年来, 由于变形实验设备和实验技术的不断发展和创新, 使得高温高压及差应力下地球内部物质物性测量方面取得了大量研究成果, 包括地幔矿物(如Karato and Wu, 1993; He et al., 2003; Zhang et al., 2006; Karato, 2008; Nishihara et al., 2008; Ohuchi et al., 2011; Kawazoe et al., 2010; Hustoft et al., 2013; Girard et al., 2016)和部分熔融岩石体系。而且这些结果也被广泛应用于理解地球内部物质的成分与结构、地球各圈层的变形、造山带的形成、地球形成与演化、地震各向异性、黏性各向异性、板块构造、地幔对流、各种动力学过程等科学问题。本文主要讨论剪切变形下部分熔融岩石的物性测量(表 2), 概括起来, 大致可以分为以下几方面。
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表 2 高温高压及差应力下部分熔融岩石物性测量的主要结果 Table 2 Summary of experimental results of physical properties of partially molten rocks measured under high-temperature and high-pressure and differential stress |
高温高压及剪切变形下物性测量的一个关键内容就是应力-应变关系曲线测量, 如果无法获得比较精确的应力和应变值, 就很难建立起应变速率与应力及其他变量之间可靠的流变律本够方程。在本文中笔者主要讨论上面提到的4类流变仪的应力-应变曲线测量。在采用固体围压介质的Griggs装置中, 轴向加载主应力σ1可以方便地通过外部测压元件测定, 但是应力测量的误差很大, 里面还包括围压σ3、σ1轴向加载的摩擦力、样品内的剪应力等。因此Griggs流变仪不能够获得矿物和岩石的准确力学数据, 所得结果很难外推到低差应力的地球内部, 尤其是在高温、低应力和高围压条件下(Griggs, 1967；Ji, 2008；邵同宾等, 2011a)。Paterson型高温高压流变仪采用气体作为围压介质, 能够在围压大不于0.7 GPa和1500℃下进行单轴/三轴压缩、简单剪切和扭转变形实验, 差应力是通过内部加载元件施加并测量的, 其差应力测量的精度可高达±0.1 MPa。目前已报道的关于矿物岩石在低围压高温下的变形研究基本都是在Paterson型流变仪上完成的(Hirth and Kohlstedt, 1995a, 1995b; Kohlstedt et al., 1995, 2010; Daines and Kohlstedt, 1997; Zimmerman et al., 1999; Mei and Kohlstedt, 2000a, 2010b; Zimmerman and Kohlstedt, 2004; Holtzman et al., 2003a, 2003b, 2007; Kohlstedt and Holtzman, 2009; Caricchi et al., 2011; Hansen et al., 2011, 2012; Qi et al., 2013; 邵同宾等, 2011a, 2011b；宋茂双等, 2014；赵永红等, 2016)。作为一个例子, 图 4显示利用Paterson型流变仪在围压300 MPa、1450 K下对An70+MORB部分熔融样品采取大应变扭转变形实验时测得的应力-应变曲线(Kohlstedt et al., 2010)。
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图 4 大扭转变形的部分熔融长石(熔体分数分别为3％(vol.)和6%(vol.))在300 MPa围压、1450K、不同应变速率下的应力-应变关系(修改自Kohlstedt et al., 2010) Figure 4 Plot of equivalent strain vs equivalent stress for a sample of An70+3 %(vol.)MORB and a sample of An70+6 %(vol.)MORB, each deformed in torsion. Each sample was deformed at the three strain rates and at the temperature and pressure conditions indicated in the figure(modified after Kohlstedt et al., 2010) |
D-DIA和RDA都能够在超过20 GPa高压和接近于2000 K高温下进行流变学研究(Yamazaki and Karato, 2001; Wang et al., 2003; Uchida et al., 2004; Nishiyama et al., 2005; Nishihara et al., 2008), 由于极高的压力和小的样品腔, 不可能在腔内放置元件来直接测量应力。目前在D-DIA和RDA高温高压设备上都开发出了与同步辐射X射线衍射相结合的实验技术(Uchida et al., 2004; Nishiyama et al., 2005; Kawazoe et al., 2011; Girard et al., 2016), 利用X光能够准确地测量样品腔内的压力和应力。X射线衍射测量应力的原理如图 5所示, 当X光照射到样品上, 每一个产生衍射的晶面间距dhkl在探测器上记录到的是一个衍射环, 环上任何一点可用倾角Ψ来表示(图 5a)。由图 5b可看出, 不存在差应力时, 晶面间距dhkl不会随着倾角Ψ变化, 衍射环是圆形；当存在差应力的情况下, dhkl在Ψ=0°和180°时最小, 而在Ψ=90°和270°时最大, 衍射环变成椭圆形。这种晶面间距的变化在测量上一般由晶格应变(lattice strain)εhkl(Ψ)来表示, 而晶格应变又与差应力直接相关, 因此差应力就可以通过理论计算得到, 样品的应变大小用X光成像(X-ray radiograph)获得。在D-DIA和RDA上利用同步辐射X光测量应力-应变曲线, 其原理是一样的, 详细理论与计算方法请参见文献(Uchida et al., 2004; Nishiyama et al., 2005; 王雁宾, 2006; Nishihara et al., 2008; Kawazoe et al., 2011; Hustoft et al., 2013; Girard et al., 2016)。Hustoft等(2013)利用RDA研究了瓦兹利石和林伍德石在高温高压下的塑性变形, 图 5b给出了瓦兹利石在差应力下晶面间距dhkl随着倾角Ψ变化, 最后得到瓦兹利石的应力-应变曲线如图 5c. 已报道的大量研究表明(如Nishihara et al., 2008; Kawazoe et al., 2011; Hustoft et al., 2013; Girard et al., 2016), 高温高压下利用D-DIA和RDA在流变学研究中应力-应变是可以定量测量的。
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(a)RDA流变仪上采用同步辐射测应力在二维衍射条件下倾角Ψ与衍射角2θ示意图(据Girard et al., 2016), 瓦兹利石在非静水压下晶格应变(b)和高温高压下的应力-应变关系(c)(修改自Hustoft et al., 2013) 图 5 RDA流变仪结合同步辐射在高温高压下的应力-应变关系测量 Figure 5 Determination of stress-strain curve under high temperature and high pressure by in-situ X-ray diffraction in RDA apparatus |
部分熔融及其产生熔体的萃取、聚集、迁移和演化是造成地球成分演化形成圈层构造的重要地质过程, 并且对地球内部的电导率、滞弹性、流变性、弹性波速等物理性质有非常重要的影响(Karato, 1986, 2008, 2013; 谢鸿森, 1997; Kohlstedt, 2002; Ji et al., 2008; Kohlstedt and Holtzman, 2009; 邵同宾等, 2011b)。因此, 部分熔融岩石流变学性质的研究对于深刻理解地球各圈层的变形、地幔对流、板块构造运移、造山带的形成等地质过程至关重要。表征部分熔融岩石流变学性质最重要的一个参数就是二面角或湿润角(dihedral angle, θ), 静态加载(流体静压力)条件下熔体二面角主要受温度、压力、晶体形态、固-固相、固-液相的界面能、熔体的化学组分等因素影响(Kohlstedt, 2002; Karato, 2008)。按照熔体分布理论, 主要有3种熔体分布方式: 当0°＜θ＜60°时, 熔体从三联点出发并沿着晶棱分布, 构成连通的熔体管道(如图 6a)；当θ=0°时, 熔体能够完全浸润颗粒边界, 在颗粒边界呈薄层或薄膜状分布(Jin et al., 1994)；当θ>60°时, 熔体在三联点呈孤立熔体囊(如图 6b)。一般来说, 静态条件下, 熔体呈各向同性均匀分布, 其迁移的主要驱动力为熔体表面张力；而在动态加载(存在差应力)条件下, 熔体的拓扑结构(熔体几何形态与分布)既会受到化学扩散影响又会受到差应力控制, 因而具有各向异性特征。本文中主要讨论动态加载条件下部分熔融岩石的流变学性质。
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图 6 (a) 部分熔融岩石中二面角0°＜θ＜60°(据Kohlstedt, 2002), (b)二面角θ>60°(据Kohlstedt, 2002), (c)橄榄石+MORB熔体简单剪切(据Holtzman et al., 2007), (d)橄榄石+2%(vol.)MORB熔体简单剪切(据Zhang et al., 2014)；图(c)和(d)中虚线区域代表富集熔体带状区域 Figure 6 Melt distribution for a melt-solid system with 0°＜θ＜60°(a)and θ>60°(b)(modified after Kohlstedt, 2002), (c)Microstructure of deformed olivine+MORB(modified after Holtzman et al., 2007)and(d)Microstructure of deformed olivine+2%(vol.)MORB(modified after Zhang et al., 2014). Note that the areas between two dashed lines indicate the melt-rich bands in(c)and(d) |
美国明尼苏达大学Kohlstedt教授研究组在部分熔融岩石体系流变学方面做出了杰出贡献, 使用Paterson型流变仪在不同变形(单轴或三轴压缩、简单剪切和扭转变形)下研究了各种部分熔融体系的流变性与熔体拓扑结构表明: 熔体受到差应力和变形的影响会发生重新分布；在简单剪切的塑形变形过程中, 部分熔融岩石中的熔体囊会被压扁拉长, 形成熔体形态优选方位(melt preferred orientation, MPO), 并且熔体囊的长轴总是与最大主应力或主剪切平面呈～20°左右小角相交(如图 6c)(Hirth and Kohlstedt, 1995a, 1995b; Daines and Kohlstedt, 1997; Zimmerman et al., 1999; Mei et al., 2002; Kohlstedt, 2002; Holtzman et al., 2003a, 2003b, 2012; Zimmerman and Kohlstedt, 2004; Holtzman and Kohlstedt, 2007; Kohlstedt and Holtzman, 2009; Kohlstedt et al., 2010; King et al., 2010, 2011a, 2011b), 熔体在非共轴或简单剪切变形过程中逐渐向伸展剪切带内汇聚；随着应变量的积累, 熔体囊的长短轴会分别向σ1和σ3方向(共轴应变)或剪切方向和剪切面法线方向(简单剪切)旋转；另一方面随应变量增加, 位错滑移能够造成矿物的晶格优选方向(LPO)和晶性优选定向(即面理和线理)更加明显。这些实验结果被广泛用来讨论差应力下熔体在地球内部的萃取、迁移、聚集、应变分配、变形机制、流变强度各向异性以及地震波的各向异性等科学问题(Hirth and Kohlstedt, 1995a, 1995b; Kohlstedt et al., 1995, 2010; Daines and Kohlstedt, 1997; Zimmerman et al., 1999; Kohlstedt, 2002; Mei et al., 2002; Holtzman et al., 2003a, 2003b, 2007, 2012; Zimmerman and Kohlstedt, 2004; Ji, 2008; Kohlstedt and Holtzman, 2009; King et al., 2010, 2011a, 2011b; Soustelle et al., 2014)。最近, Zhang等(2014)利用改进的Griggs型压机在简单剪切变形下测量了部分熔融橄榄岩(2％vol. MORB)的三维电导率, 变形实验后的显微构造表明熔体在差应力作用下形成平行于剪切方向的熔体聚集带状区(图 6d), 在2个电极之间相互连通从而导致电导率各向异性；熔体聚集带状区与剪切方向之间的不同角度分布很有可能是采用不同的变形形式(Kohlstedt研究组的活塞切成45°角, 而Zhang等人实验中活塞切90°角)造成样品内应力分布不同所致。
部分熔融岩石的变形实验(Hirth and Kohlstedt, 1995a, 1995b; Kohlstedt et al., 1995, 2010; Daines and Kohlstedt, 1997; Zimmerman et al., 1999; Mei et al., 2002; Kohlstedt, 2002; Holtzman et al., 2003a, 2003b, 2007; Zimmerman and Kohlstedt, 2004; Ji, 2008; Kohlstedt and Holtzman, 2009)与理论研究(Cooper and Kohlstedt, 1986; Takei, 1998; Hier-Majumder, 2004; Takei and Holtzman, 2009)一致表明, 部分熔融岩石的流变学性质主要取决于差应力与应变大小、熔体分数大小、二面角大小以及熔体是否连通。Kohlstedt教授研究组还发现, 低程度的部分熔融对橄榄石为主要造岩矿物的地幔岩的流变强度影响不大, 这是因为熔体主要分布在三联点及晶棱, 并没有湿润全部颗粒边界, 因此粘滞系数变化很小, 主要取决于固体矿物岩石的粘滞系数；如果熔体分数进一步增加并超过临界体积分数(critical melt fraction, CMF), 熔体就会形成相互联通的网络(图 7a), 这时固态岩石的流变强度就会大大减少, 如图 7b所示粘滞系数在临界体积分数附近有一个跃变, 这样的弱化机制也被称为液化机制(Ji, 2008; 邵同宾等, 2011b)。在有差应力和大变形的条件下, 熔体的拓扑结构从受界面张力控制转化成由应力控制, 流变弱化更加显著。熔体一般会优先润湿造岩矿物的低指数晶面(Waff and Faul, 1992; Faul et al., 1994), 随着熔体分数的增加, 熔体会分离出来, 汇聚到伸展剪切带, 造成熔体在岩石中形成优选定向(MPO)(Holtzman et al., 2003a, 2003b; Holtzman and kohlstedt, 2007; Ji, 2008; Kohlstedt and Holtzman, 2009), 与此同时, 固体岩石的变形机制由位错蠕变转变成扩散蠕变(Hirth and Kohlstedt, 1995a, 1995b; Daines and Kohlstedt, 1997; Kohlstedt, 2002)。
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图 7 (a) 熔体分数对部分熔融岩石微结构影响的示意图(修改自Scott and Kohlstedt, 2006), (b)部分熔融岩石流变性(粘滞系数)随熔体分数变化(数据来源: Hirth and Kohlstedt, 1995a, 1995b; Scott and Kohlstedt, 2006) Figure 7 (a) Sketch of the change in microstructure anticipated as increases from below to above the CMF in a texturally equilibrated partially molten rock(modified after Scott and Kohlstedt, 2006), (b)Semi-log plots of viscosity vs. melt fraction for partially molten rock(data sources: Hirth and Kohlstedt, 1995a, 1995b; Scott and Kohlstedt, 2006) |
此外, 实验研究也表明压力和化学环境(特别是氧逸度)对部分熔融岩石的熔致弱化作用也有很大影响。Yoshino等(2007, 2009)发现橄榄岩中的熔体二面角随着静水压力的升高会逐渐减小, 在7.5 GPa左右橄榄石颗粒边界被熔体完全润湿。但是Yoshino等(2007)人的实验是在流体静压力条件下测量的, 因而无法查明该体系流变学强度随熔体二面角的变化规律。Gaetani和Grove(1999)实验研究了硅酸盐+Fe-S的熔体体系, 发现熔体的二面角随氧逸度增加而减小, 在高氧逸度环境中, 橄榄石+Fe-S体系中熔体二面角小于60°, 而在低氧逸度环境中达到90°, 由于硅酸盐熔体(MORB)和金属熔体(Fe-S)具有不同的润湿几何, 二面角分别为～38°和～90°；Fe-S熔体仅以孤立的熔体包的形式局限于三连点处, 而MORB熔体即使在体积分数不大时也能润湿所有三连点及其粒棱。所以洋中脊玄武岩(MORB)与金属硫化物(Fe-S)熔体对橄榄岩变形和流变强度的影响差别很大(如图 8所示), 不同体系具有不同的指数n值。在熔体体积分数相同的情况下, 硅酸盐熔体的弱化效应要比金属熔体的大得多, 这一认识对于理解超基性岩中金属成矿作用与围岩的韧性变形之间的关系具有重要的理论和实际意义。
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图 8 橄榄石+MORB和橄榄石+Fe-S体系在不同熔体分数、300 MPa围压、1523 K下流变强度与应变速率的双对数投图(据Hirth and Kohlstedt, 1995a; Scott and Kohlstedt, 2006；Hustoft et al., 2007) Figure 8 Lg-Lg plots of differential stress vs. strain rate for olivine+MORB and olivine+Fe-S samples with different melt fractions deformed at 300 MPa and 1523 K(data sourecs: Hirth and Kohlstedt, 1995a; Scott and Kohlstedt, 2006；Hustoft et al., 2007) |
如上所述, 尽管部分熔融岩石的流变学研究已经取得了大量结果, 但是目前在实验室条件下, 比如Paterson流变仪上, 围压普遍偏低(＜500 MPa), 应变量较小(γ＜10), 应变率(10-3～10-5 s-1)的量级要比真实地球内部的变形速率(10-12～10-14 s-1)高许多个数量级；此外, 地球深部的应力(＜100 MPa)也远小于实验室的情况。因此, 将大差应力、小的变形、高应变速率下的实验室变形结果外推到地球内部时, 必须仔细考虑各种影响因素(温度、压力、应力、应变率、颗粒尺寸等)对流变性质的影响。为了更好理解和模拟熔体在地球内部的萃取、聚集与迁移行为, 未来需要进一步完善实验技术以及更多的实验和理论研究。
2.3 地震波衰减因子Q值众所周知, 地震波是一种弹性波, 地震引起的振动经历一定时间后, 就会完全停止下来。这主要是由于地球本身就是一个非弹性体, 地球内部物质具有粘弹性质。通常情况下, 在地震学中地球是作为弹性体来处理的, 地震波在地球内部的传播可以用地震波衰减因子Q值来表征:
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式中: ΔE是以热的形式逸散掉的能量, E为储存的弹性能量。因此, Q-1表示弹性振动能量以热的形式逸散的比例。显然Q值越小, 衰减就越大。Q值不但依赖于温度、压力、频率变化, 同时也与物质黏性性质(粘滞系数)、颗粒大小、水、熔体等密切相关(Karato, 1993, 2008, 2013; Jackson et al., 2002; Jackson and Faul, 2010; Yoshino et al., 2014)。由于地震波是低频(1 mHz～1 Hz)的弹性波, 而地球内部物质的非弹性作用在高温、低频时表现的特别显著, 因此通过高温高压实验来测量地球内部物质的Q因子就非常困难。
澳大利亚国立大学(ANU)的Ian Jackson率先在Q因子的高温高压实验测量方面做出了开创性工作, 在Paterson流变仪的基础上发展出一种能够扭转变形、周期加载测量Q值的高温高压设备(Jackson and Paterson, 1993), 并且系统研究了单晶和多晶橄榄石的Q因子。他们的研究结果表明, Q值对颗粒半径变化非常敏感, 随温度升高Q值降低(Jackson and Paterson, 1993; Jackson et al., 2002)。不过, 由于Paterson流变仪本身限制, 他们测量的压力很低(≤300 MPa), 因此低压的结果很难外推到地球深部。后来美国纽约州立大学石溪分校的Weidner等人结合同步辐射技术在D-DIA大压机上搭建了一套原位测量Q因子的新方法, 并在上地幔温压条件下(15 GPa, 1700 K)研究了循环加载对橄榄石Q值和剪切波速度的影响, 发现温度和颗粒尺寸变化对Q值和S波速度具有决定性影响(Li and Weidner, 2007, 2008)。但是值得注意的是, 他们在循环加载时所用的周期(10～60000 s)远远大于地震波周期(1～1000 s)。因此所得结果可能与地球内部真实情况存在一定偏差。最近, Yoshino等(2014)在日本Spring 8同步辐射光源的D-DIA上开发出了一套新的加载设备和程序, 克服了前人在循环加载周期与地震波周期不一致问题。他们利用D-DIA大压机在1GPa和0.01～2Hz范围测量了含水多晶橄榄石的Q值(如图 9a), 发现在同样的温度、压力和频率条件下, 含水橄榄石的Q值比Jackson等(2002)报道的不含水橄榄石的Q值至少小0.5个量级, 意味着水对地震波有很强的衰减作用, 这对解释地球深部的地震波各向异性具有重要意义。如果假定地震波衰减只是深度的函数, 在地表附近, Q值很大(～600), 地震波衰减小, 而在70～150 km的地方Q值急剧减小到80左右, 衰减明显增大(图 9b)；进入地幔深部, Q值又增大地震波衰减小(Karato, 2008, 2013)。同时, 在图 9b中也画出粘滞系数随深度变化, 尽管粘滞系数的估计值比地震波速度推测的精度低, 但是粘滞系数在上地幔的轮廓结构与地震波衰减因子Q值的深度分布大体一致。两者都表明岩石圈地幔较硬, 其下相邻的软流圈地幔较软, 随着深度进一步增加, 地幔物质的硬度逐渐增加(Karato, 2008, 2013)。如前所述, 由于目前在高温高压和差应力下测量地震波衰减因子Q值还存在很大的技术挑战性, 因此这方面的实验工作才处于起步阶段, 还有很多重要的矿物和部分熔融体系需要进一步研究。笔者相信, 未来随着实验技术的不断完善和更多重要结果的发表, 能够对地球深部Q值和粘滞系数提供更加精确可靠的约束。
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图 9 (a) 循环加载实验中橄榄石的地震波衰减因子(Q-1)随周期变化(修改自Yoshino et al., 2014)；(b)上地幔中地震波衰减因子(Q)值与粘滞系数随深度变化(据Karato, 2008, 2013) Figure 9 (a) Variation of Q-1 with period for dry and hydrous olivine aggregates obtained from cycle loading tests(modified after Yoshino et al., 2014), (b)Variations of Q and lgη with depth in the upper mantle(data from Karato, 2008, 2013) |
电导率是表征地球深部物质组成、状态、性质的重要物理量之一, 它对地球内部的成分、熔体、温度等因素的变化非常敏感。最近大地电磁探测(MT)研究表明, 在东太平洋中脊(Evans et al., 2005)和中美洲海沟(Naif et al., 2013)附近存在电导率异常, 不仅电导率量级高, 而且还存在强的各向异性。针对这种高电导率异常, 目前提出来的解释模型包括矿物含水、颗粒边界石墨膜和部分熔融。尽管含水橄榄石的电导率还存在一些争议(Wang et al., 2006; Yoshino et al., 2006; Dai and Karato, 2014), 但是最近测量的含水单晶橄榄石(Yang, 2012; Poe et al., 2010)的电导率表明未脱水条件下橄榄石中的水可能难以产生各向异性。最近的水溶解度实验显示, 浅部地幔条件下橄榄石中能溶解的最高水含量不超过300(×10-6)H2O(Ardia et al., 2012; Yang et al., 2014; Yang, 2015), 可能难以产生很高的电导率, 但在温度较低的浅部大陆上地幔中, 岩性不均一也有可能造成局部的电导率异常(Yang, 2012; Yang and McCammon, 2012; Li et al., 2016)。另外, 矿物颗粒边界的石墨膜在下地壳和上地幔条件下不能长时间稳定存在(Yoshino and Noritake, 2011; Zhang and Yoshino, 2017)。因此, 部分熔融被认为是导致上地幔高电导率异常的最可能的解释。
在没有剪切应力的情况下, 部分熔融体系中的熔体呈各向同性均匀分布, 因而也不可能解释上地幔的高电导率各向异性。由于在剪切变形下测量矿物岩石电导率的实验难度极大, 国内外关于剪切变形下原位测量部分熔融橄榄岩电导率的实验数据还非常少。Caricchi等(2011)首先在Paterson型流变仪上采用扭转变形测量了橄榄石+玄武岩熔体电导率, 不过他们的实验只测量了一个方向(垂直于剪切方向)的电导率, 样品内部的应力分布极不均匀, 而且实验结果也比大地电磁观测的要低0.5个数量级(图 10a)。张宝华等人在国际上使用改进的Griggs型大压机率先同时在剪切变形和高温高压下测量了部分熔融橄榄岩(橄榄石+2％ vol. Basalt)的三维电导率(张宝华, 2013; Zhang et al., 2014), 观察到明显的电导率各向异性并且其量级与软流圈顶部的地球物理学观测结果完全一致(Evans et al., 2005)(图 10b), 这在国际上首次为部分熔融假说提供了最直接的实验证据。最近, Pommier等(2015)也报道了剪切变形下部分熔融体系的电导率, 他们的结果显示, 橄榄石+2％ vol.碳酸盐或5％vol. MORB能够解释上地幔的高导异常, 但是他们的电导率并不是在剪切变形下测量的, 因而所得结果与真实地幔存在较大差异。需要指出的是, 尽管已有的剪切变形下部分熔融体系电导率实验(Caricchi et al., 2011; Zhang et al., 2014; Pommier et al., 2015)都宣称能够解释上地幔的高导异常(Evans et al., 2005; Naif et al., 2013), 但是还存在诸多难题和亟待解决的问题。剪切变形下矿物岩石三维电导率测量方法还有待于进一步完善, 上地幔熔体的临界体积分数还没有很好约束, 如果熔体含有挥发分(CO2和H2O), 对电导率各向异性和临界体积分数又有什么影响, 目前还不清楚。
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(a)据Caricchi等(2011)；(b)据Zhang等(2014) 图 10 上地幔高电导率异常与实验室测量结果比较 Figure 10 Comparison of laboratory-based models with the previous geophysical observations in the upper mantle |
近几十年来随着高温高压实验技术的迅速发展与进步, 国内外学者研究了剪切变形对部分熔融岩石物理化学性质的影响并取得了丰硕成果。这些研究结果对深刻认识地球内部与熔融相关的地质过程、地球内部各圈层的变形、板块构造与地球动力学、解释地球物理学观测等方面具有极其重要的意义。与国外该领域的蓬勃发展相比较而言, 中国在相关研究方向上明显落后很多。由于剪切变形对部分熔融岩石中熔体的分布、迁移、萃取具有重要影响, 同时挥发分(H2O和CO2)对熔体性质也有重要影响(倪怀玮, 2013；Ni et al., 2015), 在研究部分熔融岩石性质的时候需要充分考虑差应力和挥发分的作用。未来在以下几个方向需要进一步加强:
(1) 差应力下物性测量与实验、工程技术的开发密不可分。目前变形实验中所能获得的围压和产生的应力大小有限, 随着同步辐射技术的发展和各种大腔体流变仪装置的开发, 未来希望这一领域能够扩展到下地幔底部甚至内核条件。同步辐射技术应该和更多的原位测量技术相结合, 使得地球内部物质在高温高压和差应力下的许多新现象、新效应和新特性被进一步发现与应用。
(2) 目前剪切变形下部分熔融岩石物性测量主要集中在流变学研究领域, 差应力对相变和相平衡、热导率、弹性波速、状态方程、熔体物性(熔融体的密度和粘滞系数)、地球化学行为(元素配分、同位素分馏、扩散系数等)的影响研究尚未开展, 国内外都还是一片空白。
(3) 尽管剪切变形下部分熔融岩石电性的原位测量已经取得初步结果, 但是这一领域才刚刚起步, 特别是同时考虑差应力与挥发分的影响还有待于进一步深入研究。
(4) 差应力下地球内部物质物性的理论研究(第一性原理、分子动力学计算等)还没有开展。
笔者相信, 以上问题的解决将会对21世纪固体地球科学的发展起到巨大的推动和引领作用。未来如果国内的科研工作者能够抓住发展机遇, 攻克差应力下地球内部物质物性研究的空白, 就有可能在上述领域取得重大科学发现, 使得中国能够在固体地球科学领域占据一席之地。
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