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下地幔结构的矿物物理研究

2020-12-02阅读(417)

下地幔结构的矿物物理研究

论文摘要

在过去,除了 D”层外,地球的下地幔被认为是均一的,随着地震技术的发展,地震学通过高分辨率的层析成像技术和对不同散射波的分析等方法,对下地幔的三维波速结构得到了更清晰的认识,发现整个下地幔存在广泛的不同尺度的不均一性,其中有大小为几公里尺度的小尺度地震散射体和尺寸达到上千公里的大低速省（Large Low Shear Velocity Provinces,LLSVPs）。对于小尺度地震散射体,很多是在俯冲区域附近,尺寸和俯冲洋壳的大小接近,而俯冲洋壳具有和地幔岩不同的矿物成分,所以被认为是这些散射体的一个主要来源,但是洋壳在下地幔温度压力下的波速和密度信息仍然未知;对于LLSVPs,还不知道其矿物化学结构和温度结构,对其到底是热异常和热化学异常还存在争议。首先,本文利用第一性原理得到钙铁结构相（calcium ferrite-type phase,CF相）NaAlSiO4、MgAl2O4和Mg0.75Fe0.25Al2O4在下地幔温压条件下的热弹性性质、密度,结合对洋壳其它成分的高温压弹性研究,得到了洋壳在不同地温曲线下的波速和密度,然后和PREM模型进行了对比。研究发现俯冲下去的洋壳在斯石英到氯化钙类型的硅酸岩的相变区间深度表现出很大的剪切波低速异常,这和下地幔中部的散射体特征非常一致。在硅酸岩相变结束后,洋壳的波速比周围地幔要高,即使是其温度比周围地幔高1000 K的情况下也是如此,这排除了LLSVPs主要起源于俯冲下去的洋壳的可能性。俯冲下去的洋壳的堆积能解释地震层析成像发现下地幔的较大的高波速异常（2%）不均一性。洋壳导致的不均一性显然是对深度非常敏感的,这表明地震散射体研究中采用的和深度无关的随机介质模型需要重新考虑。本研究强烈支持洋壳在下地幔中的存在,这对解释俯冲板片和下地幔的相互作用、地幔对流的强度和深部地幔的地球化学特征具有重要意义。然后,本文利用布里奇曼石、铁方镁石、钙钙钛矿、后钙钛矿的高温高压弹性数据,结合地震层析成像模型,通过马尔科夫链门蒙特卡罗抽样方法反演得到了下地幔800 km-2800 km的三维成分结构、温度结构和密度结构。根据反演的结果,下地幔比上地幔更加富硅,说明下地幔和上地幔和化学成分不同,另外地幔的一维平均温度要比布朗地温曲线要高。本研究得到的LLSVPs是温度比周围地幔高、富集布里奇曼石和铁的热化学异常,对于GyPSUM层析成像模型,在2800 km深度,LLSVPs温度比周围地幔高～300 K,成分上,LLSVPs 比周围地幔更富含铁和布里奇曼石,布里奇曼石的含量要比周围高很多,而后钙钛矿则要小很多。LLSVPs的S波异常大部分来自成分的贡献（～75%）,至于P波的异常,对于太平洋LLSVP,成分贡献稍微大于温度贡献,而对于非洲LLSVP,则是温度贡献略大。如果温度和周围地幔一样,LLSVPs的密度比周围地幔大略小于1%,根据地球动力学的研究,这表明LLSVPs能在地质时间尺度上能保持稳定的存在,高度也会满足地震的观测结果,同时顶部应该会表现出穹顶状。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  •   1.1 下地幔小尺度地震散射体
  •   1.2 地幔岩Pyrolite和大洋中脊玄武岩MORB
  •   1.3 大低速省LLSVPs
  •   1.4 高温高压矿物物理
  •   1.5 论文研究内容
  • 第2章 理论和研究方法
  •   2.1 绝热近似
  •   2.2 密度泛函理论
  •   2.3 晶格动力学
  •   2.4 准简谐近似
  •   2.5 弹性计算
  •     2.5.1 静态弹性常数计算
  •     2.5.2 热弹性的计算
  • 第3章 MORB弹性研究
  •   3.1 前言
  •   3.2 计算过程
  •   3.3 研究结果
  •     3.3.1 CF相的弹性性质
  •     3.3.2 各向异性
  •     3.3.3 大洋中脊玄武岩MORB弹性性质
  •   3.4 地学意义
  • 第4章 下地幔成分温度反演
  •   4.1 引言
  •   4.2 方法—马尔科夫链门蒙特卡罗抽样
  •   4.3 程序的并行化
  •   4.4 反演结果
  •     4.4.1 和层析成像模型对比
  •     4.4.2 一维平均成分、温度和密度
  •     4.4.3 LLSVP的成分和密度
  •     4.4.4 LLSVPs波速、密度异常的成分贡献和温度贡献
  •     4.4.5 LLSVPs的平均成分和温度
  •     4.4.6 Vs和Vp、密度的相对比值
  •     4.4.7 成分和温度之间对波速影响的平衡竞争
  • 第5章 总结与展望
  •   5.1 工作总结
  •   5.2 展望
  • 参考文献
  • 附录A 第四章
  • 致谢
  • 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 徐印涵

    导师: 吴忠庆

    关键词: 下地幔,不均一性,小尺度地震散射体,大剪切波低速省,洋壳,大洋中脊玄武岩

    来源: 中国科学技术大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 地质学

    单位: 中国科学技术大学

    基金: 国家重点基础研究计划项目(2014CB845905),自然科学基金(41274087)

    分类号: P57

    DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000428

    总页数: 114

    文件大小: 13206k

    下载量: 8

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