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地质地球所研究得出富铁橄榄石中的显微结构演化

  

  橄榄石的流变性质影响着地球和太阳系内其他行星上的多种地质过程。过去的实验研究发现橄榄石的流变不仅取决于应力、温度、围压、氧逸度、熔体含量、水含量等热力学参数,也受晶粒尺寸和显微结构所影响。过去对于此问题的研究主要聚焦于与地球地幔天然橄榄石成分相近的富镁橄榄石。然而橄榄石作为一种固溶体,它的成分可以从纯镁硅酸盐(Mg2SiO4Fo)变化到纯铁硅酸盐(Fe2SiO4Fa)。地球地幔中的橄榄石平均成分为Fo90(纯镁橄榄石占90 mol.%),而火星地幔中橄榄石的成分约为Fo75Fo77。此外,富铁橄榄石Fo50,因其更容易在实验室条件下变形,常常被用作模拟天然橄榄石。然而,铁含量对橄榄石显微结构演化的影响却缺乏深入的研究。 

  中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室綦超副研究员,联合北京大学赵永红教授、美国明尼苏达大学Kohlstedt教授和Zimmerman研究员、韩国极地研究所金大旲研究员,对一系列不同铁含量的橄榄石样品进行了高温高压变形实验,并分析了变形后样品的显微结构,旨在揭示铁含量对晶格优选定向(CPO)和晶粒尺寸的形象,为变形与结构之间的耦合关系提供更进一步的理解。 

1 变形的Fo50样品的CPO。(a)无水条件;(b)含水条件。在每个小图中,左上方为径向截面的显微结构图,左下方为不同半径位置的CPO强度(J-M-indexes)图,右方为不同半径位置的晶轴分布极图。在显微结构图上,晶粒的晶轴取向以颜色表示,剪应变和剪应变率分别以绿色和红色间断线画出。对每一个选择的半径位置,表示[100][010][001]轴取向的极图所用的数据取自以这一半径位置为中心,0.4 mm宽的范围,在显微结构图上以灰色带标出。极图为下半球投影。所有晶格取向数据都经过了转动,使得剪切方向为上方向右

  研究发现,随着应变的增长,CPO(010)[100](001)[100]两个滑移系的位错滑移所产生的D型组构,变为(010)[100]滑移系的位错滑移所产生的A型组构。这一CPO的演化与Fo90相似,同时和铁含量无关。基于CPO的地震波各向异性分析也发现,不同铁含量的样品在剪切应变达到3.5之后,会达到相同的径向各向异性的最大值~1.15。这一结果说明利用富铁橄榄石中产生的CPO来模拟地幔橄榄石的地震波各向异性是可行的。同时也说明,应用在地球富铁橄榄石上的地震波各向异性的研究方法,可以应用于富铁的火星地幔。这一研究为使用地球上的研究手段来研究火星地震数据提供了支持。 

2 aCPO强度和(b)径向各向异性随着剪应变的演化。橙色是Fo70,绿色是Fo50,蓝色是Fo0实心圆和实线为不含水条件,空心圆和间断线为含水条件

  成果发表于国际权威学术期刊JGR: Solid Earth 綦超赵永红, Zimmerman M E, Kim D, Kohlstedt D L. Evolution of microstructural properties in sheared iron-rich olivine[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2021, 126(3): e2020JB019629. DOI: 10.1029/2020JB019629)。本研究受中国科学院地质与地球物理研究所重点自主部署项目、国家重点研发项目、韩国极地研究所研究项目、美国自然科学基金等资助。

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