科学家在实验室重现地球的深层地幔

地球的内部结构。调查模拟了下地幔的情况。

对真实岩石的高压高温调查揭示了超过1000公里深度的意外行为。

科学家们在实验室中重新创´造了地球深部地幔的条件，首次使真正的岩石在超过1000公里深度的条件下发生了变形。通过在DESYs X射线源PETRA III的极端条件光束线下将橄榄石矿物压缩并加热到环境压力的近400,000倍和700摄氏度以´上，科学家创造了地球上两种最丰富的矿物，桥´锰矿和铁镁硅石的混合物，通常用于下地幔。

调查显示，这种混合物的意外行为可以解释地震波通过地球时观察到的某些方向差异（各向异性），犹他大学萨曼莎·库珀（Samantha Couper）周围的研究小组在《地球科学前沿》（Frontiers in Earth Science）杂志中进行了报道。以前的高温研究仅在这种条件下研究了单一矿物的纯样品。

观看PETRA III的极端条件光束线的实验室。

众所周知，地幔内部的对流控制板块构造，因此直接与地球的火山和地震活动有关。但是，地壳中最深的钻芯仅延伸了几公里，并且无法直接观察到深部地球内部岩石的实际变形。取而代之的是，通过解释地震波在地球内部传播时的减慢和分裂，来间接研究地球内部的对流。

人们普遍认为，在深部地球观测到的各向异性是由与地幔流一致的地幔矿物晶体引起的。晶体的晶格内发生不可逆运动，从而导致了塑性变形，从而促进了矿物的这种优选排列，即所谓的纹理。

在下地幔中可能织构最丰富的矿物是桥锰铁矿（硅酸镁）和铁镁硅石（镁铁氧化物）。Bridgmanite也是地球上最丰富的矿物，占其总量的近40％。因此，了解其变形行为对于解释地球地幔的动力学非常重要。许多试图探查最下部地幔的地质实验都是在具有单一矿物的样品上进行的。

“但是，由于晶粒间的相互作用，多种矿物的变形行为可能不同于单一矿物的变形行为，” Couper解释说。“因此，我们的实验目标是研究桥煤中活跃的高温和高压变形机制，并确定多矿物相互作用对桥锰矿和铁硅铝石中织构发展的影响。”

该小组通过压缩高压单元中两个小的但结实的钻石砧之间的橄榄石（一种稳定在上地幔中的矿物）来合成下地幔组成的岩石。用强激光加热压缩后的样品，将橄榄石转变为桥锰矿，铁镁锰矿，林伍德石和一小块水辉石。样品保持在1000开氏温度（726.85摄氏度）下，同时从29吉帕斯卡压缩到39吉帕斯卡，相当于海平面气压的38.5万倍。“这是下部地幔岩石的组合体第一次被压缩到较低的下部地幔压力，同时也保持在高温状态，” DESY极端条件束流线负责人汉斯·彼得·利尔曼（Hanns-Peter Liermann）强调说。

利用PETRA III的X射线，科学家可以在实验过程中监控样品的晶体结构。对X射线数据的分析表明，在室温下，布里奇锰矿的织构发展不同于高压研究中观察到的织构发展。这表明水钠锰矿的变形机理随温度而变化。该团队还可以使用数学模型成功模拟这种行为。然而，尽管铁弗来石酸酶比布里奇曼石更软并且预期比布里奇曼石更早地显示出质地，但在实验中并未形成显着的织构。

这些结果与研究明显的质构的纯铁菊酯酶样品的研究相反。这可能是由于铁硅藻土酶和桥锰矿之间的晶粒间相互作用，这可能会抑制铁硅脂酶中晶粒的重新取向，从而导致织构。出乎意料的是，这意味着即使铁镁硅石很可能发生了明显的变形，该矿物也不会对下地幔内部的地震各向异性产生影响。

虽然仍需要在最低地幔的压力和温度（约136吉帕斯卡和4000开尔文）的压力和温度下使下地幔组合变形，但目前的研究仍是对下地幔成分变形的样本的最近似估计。领导这项研究的犹他大学的洛厄尔·宫城（Lowell Miyagi）总结说：“我们的分析表明，桥锰矿和亚铁镁硅酸盐之间的粒间相互作用可能在下地幔中产生非常不同的地震各向异性模式中起着重要作用。”

“使用这种假想的岩石，我们发现我们可以解释地球下地幔的大多数地震各向异性观测结果。因此，从这项研究中获得的信息可以解释地球上地震各向异性的异常区域，并可能改变当前对地震数据的解释，从而改变我们对地球内部变形的理解。”

参考：“异质应变能控制地球下地幔的地震各向异性吗？”萨曼莎·库珀（Samantha Couper），塞尔吉奥·斯佩齐亚莱（Sergio Speziale），豪克·马夸特（Hauke Marquardt），汉斯·彼得·利尔曼（Hanns-Peter Liermann）和洛厄尔·宫城（Lowell Miyagi），2020年10月14日，地球科学前沿。
10.3389 / feart.2020.540449

盐湖城的犹他大学，波茨坦的Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ，牛津大学和DESY的科学家为这项研究做出了贡献。