地幔内部的熔体
1172字
2021-02-23 22:25
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火星译客

图1 |低速带(LVZ)的位置和起源。地球构造板块(白色箭头)的运动被认为是由一种被称为软流圈的低粘度层推动的。这里显示的是一个大洋板块被推到大陆板块下面,两个大洋板块在洋中脊处分离;每个板块都由岩石圈(坚硬的外层)和地壳组成。LVZ是地震波速度低于上下两层的区域。这个区域靠近岩石圈和软流圈的边界,大部分位于海洋板块之下。Debayle等人的研究表明,最可能的解释是LVZ的存在的熔化的岩石。这种熔体可能集中在无熔体区域的薄层中。


 

在地球的大部分地区,地震波传播越深,速度就越快。一个值得注意的例外是岩石地幔和液体外核之间的边界,深度约2900公里。第二个缓慢区域,通常被称为低速带(LVZ),位于构造板块的正下方。这个地区的波速会突然下降高达10%,其起源一直存在争议,因为波速的下降可能由多种因素造成。Debayle等人将地震波的速度测量与第二个测量值相结合,得到了地震波衰减的结果,应证了地幔的部分融化是LVZ造成的解释。

地球的构造板块代表了地幔内部剧烈对流的热边界层和机械边界层。虽然其他岩态行星也有坚硬的外层(岩石圈),但地球有移动板块是不寻常的。人们认为,板块的流动性是由一种低粘度的层,软流圈的存在所推动的,在软流圈上,板块可以很容易地滑动。在深度与软流层(大约60-300千米)重合的地方可以看到LVZ,这一事实表明了一种因果关系。然而,LVZ可能不会出现在全球的所有地方,而且大部分是在海洋板块下发现的。

对LVZ的观测可以追溯到20世纪50年代。最初,熔融岩石的存在被用来解释低频波速度和LVZ的弱点。在过去的15年里,这种解释受到了质疑,因为给出观测到的波速下降所需的熔体数量可能太大,以至于在给出熔体生产和提取的估计速率时无法保持动态稳定。如果熔体集中在无熔体地幔地区的薄层中,这种差异可能会得到调和。另外,LVZ也可能是由俯冲板块(海洋板块沉入地幔)释放的水产生的,或者是由沿晶界(矿物颗粒之间的界面)的热激活变形产生的。

当地震波穿过地球时,它们不断地失去能量。这种衰减部分是由波的几何传播和它们在地幔中横向或垂直结构变化的散射引起的。然而,一个相当大的分量是波传播介质具有固有滞弹性的结果,即材料在响应外加应力时变形的延迟。这种滞弹性主要是由内摩擦(如沿晶界)引起的,导致波速和波幅均减小。在上地幔的温度和压力下,波速的衰减变得非常明显,一些研究表明,仅是滞后弹性效应可能就足以产生LVZ。

地震衰减定义为质量因子Q,其中Q表示每波周期的能量损失分数。结合波速和Q的测量为区分LVZ的不同假设提供了一个强大的工具。这是因为波速对温度、化学成分和熔体分数的变化很敏感,而Q主要由温度控制,在给定的深度和地震频率下,假设散射作用有限。对于固定的化学成分,可以改变温度,计算出Q作为波速的函数。如果观测到的波速与观测到的Q所预测到的波速不同,那么一定是温度以外的一个因素影响了波速。

Debayle和他的同事们利用表面波,即在地表附近传播的大振幅地震波,同时将全球范围内的波速和Q值限制在100到300公里深度之间。结果表明,所观察到的波速和Q值的变化不能同时用温度变化、水化作用、晶粒变形、主元素组成或择偶取向来解释,而可以用地幔的部分熔融来解释。

在对欧洲和东太平洋隆起的区域研究中也得出了类似的结论。东太平洋隆起是沿着太平洋东南边缘的一个洋中脊。然而,Debayle等人将这种类型的演绎分析扩展到全球尺度,他们研究的优势在于波速和Q的模型来自相同的初始数据集,具有相同的分辨率和建模技术,使它们彼此完全一致。

通过绘制三维的熔体比例,作者进一步分析,提供了全球熔体模型。除了揭示大陆下面没有熔体,这些模型还显示,在构造板块移动最快的地方,熔体比例最高,这支持了底层软流圈的脆弱增强了板块流动性的观点。尽管Debayle和他的同事们的模型中的海底熔体分量比一些动态预测的要大,但作者认为这些预测中定义熔体迁移和积累速率的参数受到的限制很少。

熔体图的稳定性取决于计算基础假设的可靠性,特别是,水不会影响地震频率下的波速或Q值,熔体只影响波速。前一种假设是基于对橄榄石(上地幔中最丰富的矿物)在低于地幔压力下的实验,在地幔压力下和多种矿物组合下,水的行为可能不同。熔体对Q的影响也是不确定的。此外,在给定温度下Q的计算涉及许多参数,如活化能(诱导衰减所需的最小能量)和晶粒尺寸,这方面的数据有限。

尽管有这些不确定性,Debayle等人。已经彻底地利用了目前最有力的约束条件,他们的结果是在理解我们星球的基本动力学方面向前迈出了令人兴奋的一步。随着不断的实验室实验来限制矿物衰减参数,以及密集阵列地震仪的部署,我们可以期待未来的工作以越来越高的精度来识别地幔熔体。

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