【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，精密測量院孫和平院士研究團隊與美國德克薩斯A&M大學(xué)和燕山大學(xué)等單位合作，基于同步輻射光源超聲測量碳酸鈣的聲速特性，證實了少量碳酸鈣的存在可以導(dǎo)致地震學(xué)觀測的巖石圈中部的低地震波速特性。相關(guān)研究成果于10月17日發(fā)表在國際知名期刊《創(chuàng)新-地球科學(xué)》(The Innovation Geoscience) 上。
 

　　克拉通是指古老的、穩(wěn)定的大陸塊體，它主要由古代的結(jié)晶基底構(gòu)成，形成的年代大多是在30多億年前。其特點是具有較冷的地溫梯度、貧鐵貧水且存在多種交代變質(zhì)作用。全球的克拉通在60-160 km深度廣泛存在2-10%的低剪切波速降低。造成剪切波速降低的原因通常包含部分熔融、溫度導(dǎo)致的晶界滑移、礦物層狀分布、礦物層狀各向異性和富含低波速的變質(zhì)礦物。但是對于克拉通而言，其溫度較低，發(fā)生部分熔融和晶界滑移的可能很低。地震波探測和高溫高壓礦物學(xué)研究表明，此區(qū)域不存在明顯的地震波速各向異性或礦物相變。而變質(zhì)礦物若導(dǎo)致2-10%的剪切波速降低，則需要5-10%的含水礦物或10-15%碳酸巖。而含水礦物的高電導(dǎo)特性使得其含量低于1.5%才滿足大地地磁測量結(jié)果，10-15%的碳酸巖可能會導(dǎo)致該區(qū)域的重力失穩(wěn)。因此，克拉通中部巖石圈低地震波速特性一直懸而未決，成為地震學(xué)、大地測量學(xué)和高溫高壓礦物學(xué)的國際研究熱點。
 

　　研究團隊針對最新發(fā)現(xiàn)的碳酸鈣非晶化特性，在2-5萬大氣壓(1GPa=1萬大氣壓)和1400 K溫壓范圍內(nèi)開展了碳酸鈣文石相和非晶相的聲速測量(圖1)。研究結(jié)果表明碳酸鈣保持在晶體文石相(aragonite)時，其縱波速度為6.0-6.5 km/s，剪切波速度為3.2-3.5 km/s。而非晶相(amorphization)碳酸鈣的聲速明顯分為三段：(1)當(dāng)壓力低于2.5 萬大氣壓時，非晶相碳酸鈣的縱波速度略低于晶體相，而剪切波速度與晶體相相同；(2)當(dāng)壓力在2.5-3.5萬大氣壓時，非晶相碳酸鈣發(fā)生了劇烈的軟化，其縱波速度和剪切波速度分別降低35%和52%；(3)當(dāng)壓力大于3.5萬大氣壓后，非晶相碳酸鈣的聲速隨壓力增加而增加。整個壓力范圍內(nèi)，研究未觀察到聲速的溫度效應(yīng)，可能原因是所測溫度范圍較窄。
 

　　文石相(aragonite)和非晶相(amorphization)碳酸鈣聲速隨溫度和壓力的變化關(guān)系
 

　　高溫高壓熔融實驗研究證明含碳酸巖的榴輝巖和橄欖巖其熔體在3-5萬大氣壓時主要是碳酸鈣，起源于克拉通60 km深度的包裹體也證明所含碳酸巖主要是碳酸鈣。碳酸鈣在克拉通中部巖石圈可以穩(wěn)定存在，且在70 km(所對應(yīng)的壓力約為2.5萬大氣壓)及以下深度以非晶相存在。如果克拉通巖石圈含有1-2%的碳酸鈣，則會產(chǎn)生地震學(xué)上觀測到的2-10%剪切波速降低，且符合大地測量學(xué)和地球化學(xué)的約束。研究團隊分析認(rèn)為，考慮到克拉通地溫梯度的多變性及由此導(dǎo)致的碳酸鈣非晶相變和彈性軟化，少量碳酸鈣的存在是導(dǎo)致低剪切波速的重要候選機制(圖2)。
 

非晶碳酸鈣在克拉通的穩(wěn)定區(qū)間(A圖)；非晶碳酸鈣導(dǎo)致的克拉通中部巖石圈地震波速間斷示意圖(B圖)
 

　　該研究以“Evidence for amorphous calcium carbonate originated mid lithospheric discontinuities”為題發(fā)表在The Innovation Geoscience上。精密測量院研究員侯明強為文章第一作者，論文的共同第一作者是美國卡內(nèi)基研究院地球和行星實驗室的博士后Ming Hao，論文的通訊作者包括美國德克薩斯A&M大學(xué)教授Jin Zhang和燕山大學(xué)教授劉錦。
 

　　該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃以及美國自然科學(xué)基金等項目的資助。