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1、第27卷第3期地震Vol.27,No.32007年7月EARTHQUAKEJul.,2007亚稳态橄榄石相变与深源地震*研究进展1,222刘雷,杜建国,易丽(1.中国地震局地质研究所,北京100029;2.中国地震局地震预测研究所,北京100036)摘要:由于岩石圈俯冲板块内部温度低,在400km左右的深度橄榄石不发生相变,低压相的橄榄石便以亚稳态的形式进入更深的深度。高温高压实验研究表明,亚稳态橄榄石相变机制以相变形成的超塑性透镜状尖晶石反裂纹破裂为深源地震的触发机制,能很好的
2、解释深源地震的特征。亚稳态橄榄石在俯冲带中存在的范围,是制约亚稳态相变机制的重要因素。然而亚稳态橄榄石在俯冲带存在的范围尚存争议,不同模型给出结果相差较大,文中给出一些解决这个问题的建议。关键词:橄榄石;亚稳态相变;深源地震;高温高压中图分类号:P315.2文献标识码:A文章编号:10003274(2007)03004109引言自从深源地震90多年前被发现以来,人们对其形成机制进行了诸多研究,提出了许多[1][2~5][6],[7][8~11]观点,包括塑性失稳、剪切融熔;伴随晶
3、体重结晶的结构失稳;多形相变[9]等,但是每种机制都存在缺陷,不能完全解释深源地震的特征。半个多世纪前,人们提[8],[12]出在地球深部岩石脆性行为失效的情况下,亚稳态相变可能是诱发深源地震的机制。但是亚稳态相变机制也有被人质疑的地方,就是其发震机制是由外破裂而不是由体积变化[13],[14]导致的内破裂形变引起的。最近实验显示,在亚稳态条件下矿物发生相变会包含一[15~17]个小的体积变化,形成一个狭长弱剪切带,快速释放大量剪切能,如此,相变破裂机制被人质疑的地方就解决了。橄榄石在上地幔和俯冲带中
4、含量超过50%,是俯冲带和上地[18]幔中最主要的组分。通过研究橄榄石相变过程不仅可以了解地球内部特征,还可以揭示地震发生机制。1橄榄石亚稳态相变及其特征从热力学上讲,具有相同组分不同相之间存在一个平衡边缘,边缘P/T位置可以通过*收稿日期:20070326;修改回日期:20070418基金项目:地震科学联合基金项目(B07002,C07002);中国地震局地震预测研究所青年科技基金项目(QN200502);中国地震局地质研究所与中国地震局地震预测研究所联合资助作者简介:刘雷(1980
5、),男,安徽宿州人,2005年在读博士研究生,主要从事高温高压相变及深源地震等研究。42地震27卷理论计算确定,并通过实验来证实。但是在现实条件中,即使P/T条件达到了平衡边缘,如果温度不够高,平衡相变也不会发生。这种情况,物质相被认为处于亚稳态。当温度升[19],[20]高,亚稳态相就会穿过动力学边缘发生亚稳态相变,转变成其稳态相。2每年有80~120km的岩石圈层俯冲到350km以下的界面,并在俯冲过程中被逐渐加压加热。由于下
6、降岩石板块既厚且是热的不良导体,故能在俯冲过程中保持较冷的状态[21]达百万年,其中最冷的部分可能比周围的岩石低1000K。在正常地幔条件下,橄榄石在大约400km深度的温压条件变得不稳定,并开始转变为相(wadsleyite),在500km转变为相(Ringwoodite)。但在岩石圈俯冲板块内,由于俯冲岩石层内部温度低,在约400km的深度橄榄石不发生相变,低压相的橄榄石便以亚[15],[22][20]稳态的形式进入更深的深度。Sung等用金刚石压腔研究了天然组分橄榄石粉末样品,认为在低于97
7、3K的较冷俯冲板块内部,橄榄石处于亚稳态。2亚稳态橄榄石存在深度范围相变反应时间、反应程度和板块俯冲速率决定亚稳态橄榄石在俯冲板块中的存在范[22~25]围。亚稳态橄榄石在俯冲板块内部呈楔形分布,且随着深度增加变得越来越薄,最终[22]在660km附近消失。而深源地震在600km达到一个峰值,然后迅速在约690km的深[26]度终止,根据相变破裂诱发深源地震的机制,正是亚稳态橄榄石的消失导致地震在这个深度的终止。[27~30]但是对于俯冲带中亚稳态橄榄石存在情况,还存在不同的认识。Mosenfe
8、lder[31]等发展了新的热模型,并考虑了相变过程中释放的潜热对热模型影响,得出亚稳态橄榄[25]石相变大约在500~550km的深度终止。Devaux等在15Ga,500~515!和560~650!通过有限元方法研究了俯冲板块内亚稳态橄榄石存在情况,同时考虑相变潜热的影响。结果表明在热参数Q(Q=板块俯冲速度(垂直向)∀板块年龄)小于4000km和7000km(取决于热模型参数)时,没有亚稳态橄榄石存在。如果想在660km深度发生亚稳态橄榄石相变,热
