蛇紋石化方輝橄欖巖彈性波速實(shí)驗(yàn)研究及其在地幔楔中的應(yīng)用*

張佳蕾 馬麥寧 張吉?jiǎng)P 曾歡

中國科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院,北京 100049

伴隨著俯沖,水進(jìn)入了地球內(nèi)部,從而顯著影響著俯沖帶和地幔的物理化學(xué)性質(zhì),如密度、彈性和傳輸特性等等(鄭永飛等, 2016; 張澤明等, 2020)。而板塊俯沖能將多少水帶入地球深部,主要取決于俯沖帶中橄欖巖地幔的主要儲(chǔ)水相。蛇紋巖主要是由超基性-基性巖受低-中溫?zé)嵋航淮饔?使原巖中的橄欖石和輝石發(fā)生蛇紋石化所形成,它普遍存在于深海、擴(kuò)張海脊和俯沖帶等不同的構(gòu)造環(huán)境中(Mével, 2003)。在最近二十年里,蛇紋石和蛇紋石化作用受到大量學(xué)者的普遍關(guān)注,蛇紋石/蛇紋巖物性的研究及據(jù)此估算地幔楔中蛇紋石的含量,對(duì)認(rèn)識(shí)俯沖帶的動(dòng)力學(xué)過程和地球水循環(huán)具有重要意義(Hattori and Guillot, 2003; Deschampsetal., 2013)。

蛇紋石的平均含水率為13%(Ulmer and Trommsdorff, 1995; Peacock, 2001)。與其他地幔礦物(橄欖石、石榴石和輝石等)相比,蛇紋石具有低密度、低地震波速和高的縱橫波速比的特征(Horenetal., 1996; Hyndman and Peacock, 2003; Christensen, 2004; Abers, 2005; Watanabeetal., 2007; Caietal., 2018; Hornetal., 2020)。

蛇紋石亞族包括三種蛇紋石:利蛇紋石、纖蛇紋石和葉蛇紋石,其中前兩種屬于低溫型蛇紋石,后一種屬于高溫型蛇紋石(Watanabeetal., 2007)。葉蛇紋石具有較寬溫壓穩(wěn)定范圍,可存在于深部地幔楔中(Hackeretal., 2003; Hattori and Guillot, 2003; Evans, 2004)。

前人已進(jìn)行1GPa壓力下葉蛇紋石波速的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果顯示其縱波速度(VP)、橫波速度(VS)和縱橫波速比(VP/VS)等隨著壓力的增加而增加(Xieetal., 2000; Christensen, 2004; Jietal., 2007, 2013; Shaoetal., 2014; Kernetal., 2015; Hatakeyama and Katayama, 2020)。與地幔中其他礦物相比,葉蛇紋石的波速遠(yuǎn)低于其他礦物的,并且具有很強(qiáng)的各向異性(Watanabeetal., 2007; Bezacieretal., 2010, 2013; Mookherjee and Capitani, 2011)。Jietal. (2013)在室溫下測(cè)量了一系列天然蛇紋巖樣品的波速和各向異性,并根據(jù)結(jié)果估計(jì)了俯沖帶中蛇紋石的含量,發(fā)現(xiàn)在溫度>300℃的俯沖帶和弧前地幔楔區(qū)域,用葉蛇紋石的波速結(jié)果估計(jì)的蛇紋石含量至少是以前根據(jù)其他兩種類型的蛇紋石結(jié)果的兩倍。Wangetal. (2019)測(cè)量了各向同性葉蛇紋石在高壓下的波速,其中VP隨壓力的升高單調(diào)增加,VS在～4GPa時(shí)達(dá)到最大值,之后減小。Wangetal. (2022)合成了一系列具有不同蛇紋石化程度的蛇紋巖化純橄巖樣品(橄欖石-葉蛇紋石集合體),直接測(cè)量了樣品的超聲波速度,并建立了速度、橄欖巖蛇紋石化程度和壓力之間的直接聯(lián)系,估算了地幔楔的蛇紋石化程度和水含量。

但是,蛇紋石化不僅僅限于橄欖石,斜方輝石也可能發(fā)生蛇紋石化。前人的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn),在250～300℃以下,橄欖石優(yōu)先發(fā)生蛇紋石化(Allen and Seyfried, 2003; Deschampsetal., 2010; 吳凱等, 2020),而在300～400℃以上,橄欖石在含水條件下是穩(wěn)定,此時(shí)斜方輝石優(yōu)先發(fā)生蛇紋石化(Allen and Seyfried, 2003; McCollom and Bach, 2009; Nakatani and Nakamura, 2019)。因此,原巖中斜方輝石的存在必然影響巖石的蛇紋石化程度及地震波速。

地幔楔是俯沖帶系統(tǒng)的重要組成單元,位于俯沖板片之上、上覆地殼之下的“楔形”區(qū),在地球內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)、殼幔相互作用過程中起著承上啟下的關(guān)鍵作用(Stern, 2002; Zheng and Chen, 2016; 鄭建平等, 2019)。俯沖帶中蛇紋巖的原巖多為純橄巖和方輝橄欖巖(Deschampsetal., 2013),前人的研究只關(guān)注了蛇紋石化對(duì)純橄巖波速的影響,缺少對(duì)蛇紋石化方輝橄欖巖波速的研究。而目前單純以橄欖石蛇紋石化得到的速度與蛇紋石化程度來估算地幔楔中的蛇紋石含量并進(jìn)一步估算水含量,是有較大局限性的。

本文依據(jù)蛇紋石化地幔巖波速與壓力、蛇紋石化地幔巖礦物含量的關(guān)系來估算蛇紋石含量。通過熱壓合成端員樣品,結(jié)合巖石物理模型,重點(diǎn)研究了蛇紋石化對(duì)方輝橄欖巖波速的影響,探討了不同地幔楔的蛇紋石化程度,據(jù)此估算的水含量可能更接近實(shí)際情況。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)用的天然礦物橄欖石、斜方輝石采自河北省萬全縣小麻坪的二輝橄欖巖包體,葉蛇紋石采自河北省灤平縣鉻鐵礦場(chǎng)的蛇紋巖。采集的標(biāo)本磨制成探針片,在中國科學(xué)院國家天文臺(tái)月球與深空探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的電子探針JEOL-JXA-8230進(jìn)行了成分分析,得到的三種天然礦物的化學(xué)式分別為橄欖石[Mg0.90Fe0.09Ni0.01]2SiO4、斜方輝石Mg1.75Fe0.18Ca0.04Cr0.02[Si0.91Al0.09]2O6、葉蛇紋石Mg2.96Fe0.02Cr0.01[Si1.94Al0.02Fe0.04O5][OH]4。將野外采集回來的手標(biāo)本粉碎,在顯微鏡下挑選出純的橄欖石、斜方輝石和葉蛇紋石礦物顆粒,大小約為2～5mm。分別將三種礦物進(jìn)一步粉碎研磨,每種礦物都采用沉降法挑選出粒度2～10μm的粉末樣品,然后將橄欖石和斜方輝石樣品以7:3的體積比混合,以模擬方輝橄欖巖的組成(Ishiietal., 2018, 2019)。利用六面頂壓機(jī)在4GPa、500℃條件下保溫保壓2h合成葉蛇紋石樣品,在4GPa、1000℃條件下保溫保壓2h合成方輝橄欖巖樣品。熱壓樣品均呈圓柱體狀,其中葉蛇紋石樣品直徑2.63mm,長(zhǎng)度3.74mm,鏡下觀察呈不透明深綠色;方輝橄欖巖樣品直徑2.35mm,長(zhǎng)度3.83mm,鏡下觀察呈不透明灰黑色。兩樣品粒度較合成前未發(fā)生明顯變化,適合進(jìn)行超聲實(shí)驗(yàn)。合成后樣品使用中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院高壓科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的TESCAN MIRA LMS掃描電子顯微鏡進(jìn)行了顯微分析,圖1為方輝橄欖巖樣品的電子背散射圖像,兩種礦物混合均勻。用阿基米德法測(cè)得合成的方輝橄欖巖和葉蛇紋石集合體樣品的密度分別為3.21g/cm3和2.57g/cm3,接近理論密度。合成好的樣品經(jīng)過切割和兩端拋光以達(dá)到超聲實(shí)驗(yàn)的要求。

圖1 方輝橄欖巖樣品掃描電子背散射照片

2 實(shí)驗(yàn)方法

高壓超聲實(shí)驗(yàn)在中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院的高壓科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心Walker型6-8面頂壓機(jī)上完成,采用的是超聲干涉法,方法原理與Li and Liebermann (2014)和Wangetal. (2022)一致。

實(shí)驗(yàn)時(shí),樣品一端與致密的兩端拋光的圓柱形Al2O3緩沖棒(Buffer Rod)直接接觸,并使樣品在高壓下處于八面體組裝的中心,組裝時(shí)緩沖棒略高于八面體表面,以保證樣品在較低壓力下就能獲得超聲信號(hào)(圖2)。緩沖棒在實(shí)驗(yàn)中也作為壓力內(nèi)標(biāo)(Li and Liebermann, 2014; Wangetal., 2015)。LiNbO3雙模壓電換能器安裝在WC立方體的無應(yīng)力截角處,縱波和橫波的頻率分別為50MHz和30MHz。Tektronic任意函數(shù)發(fā)生器(AFG31252)產(chǎn)生輸入信號(hào),數(shù)字示波器(DPO5204B)記錄信號(hào)。

圖2 超聲波速實(shí)驗(yàn)樣品組裝示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3a-b分別為在室溫下葉蛇紋石樣品的P波和S波速度與壓力的關(guān)系圖,與前人結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比?？v波和橫波速度均隨壓力的增大而增大,并且在較高的壓力下,斜率會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小的值。陰影區(qū)表示葉蛇紋石速度斜率變化的可能壓力范圍,P波為約5～7GPa,S波為約3～7GPa。P波的速度斜率在0.8～6.54GPa時(shí)為0.157km/s/GPa,在6.54～8.28GPa時(shí)為0.089km/s/GPa,與Wangetal. (2019, 2022)的結(jié)果相似。S波在0.8～6.21GPa和6.21～8.28GPa下的平均斜率分別為0.038 km/s/GPa和0.011km/s/GPa。

圖3 室溫下葉蛇紋石的VP(a)、VS(b)、絕熱體積模量(c)和剪切模量(d)隨壓力的變化情況

圖4 室溫下方輝橄欖巖的VP (a)、VS (b)、絕熱體積模量(c)和剪切模量(d)隨壓力的變化情況

圖5顯示了本研究?jī)蓚€(gè)樣品VP/VS值隨壓力的變化,并與其他上地幔礦物進(jìn)行了比較?？梢娸^高的VP/VS值(>～1.83)可作為地幔楔中存在葉蛇紋石和蛇紋石化的輔助證據(jù)(Zhangetal., 2004; Jietal., 2013; Shaoetal., 2014; Wangetal., 2019)。

圖5 本研究樣品及其他上地幔礦物VP/VS值比較

4 討論與應(yīng)用

4.1 與前人結(jié)果對(duì)比

如圖3,實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)測(cè)得葉蛇紋石樣品的P波速度為5.84～6.85km/s,與Wangetal. (2019, 2022)的結(jié)果相似,低于部分前人的研究結(jié)果(Christensen, 1978; Watanabeetal., 2007; Jietal., 2013; Bezacieretal., 2013)。S波速度為3.18～3.41km/s,低于Watanabeetal. (2007)、Jietal. (2013)、Bezacieretal. (2013)、Wangetal. (2019, 2022)的結(jié)果,但比Christensen (1978)和Wangetal. (2019)的結(jié)果高。

這些速度的差異可能是由于樣品的組成和/或密度的不同造成的。Marquardtetal. (2015)曾在研究中發(fā)現(xiàn),Al和Fe含量都會(huì)影響葉蛇紋石的波速。本文的葉蛇紋石樣品中Fe和Al元素的含量低于Wangetal. (2019)和Wangetal. (2022)的樣品。但是波速與葉蛇紋石成分的具體關(guān)系尚不明確,還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

4.2 約束地幔楔蛇紋石化程度

地震觀測(cè)表明,俯沖板塊上方的地幔楔具有低速異常,許多研究將這種現(xiàn)象歸因于地幔巖的蛇紋石化作用(Zhangetal., 2004; Abers, 2005; Zhaoetal., 2020)。因?yàn)槔呒y石和纖蛇紋石在地幔中穩(wěn)定存在的溫度和壓力范圍對(duì)應(yīng)小于20km的深度,所以在討論產(chǎn)物為葉蛇紋石的蛇紋石化時(shí),本文只關(guān)注深度大于20km的地幔楔中的低速區(qū)域(Jietal., 2013)。

Caietal. (2018)提出了結(jié)合蛇紋巖的速度來反演蛇紋石化程度,進(jìn)一步估算俯沖帶中的含水量的想法。他們用利蛇紋石的波速估算了馬里亞納海溝中央低速區(qū)的含水量,結(jié)果顯示地幔橄欖巖蛇紋石化程度為19%。但該位置的深度約為30km,應(yīng)該用葉蛇紋石的波速進(jìn)行估算。根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,估算的蛇紋石化程度約為30%,遠(yuǎn)高于19%,這嚴(yán)重影響了對(duì)俯沖帶中含水量的估計(jì)。

本文利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的葉蛇紋石和方輝橄欖巖的P波速度數(shù)據(jù),采用Voigt-Reuss-Hill平均法建立了不同壓力下不同蛇紋化程度的方輝橄欖巖的速度模型,如圖6所示?；谇叭颂峁┑臄?shù)據(jù),本文估算了一系列地幔楔低速異常區(qū)域的蛇紋石化程度,并與Jietal. (2013)和Wangetal. (2019, 2022)的結(jié)果進(jìn)行了比較,以驗(yàn)證結(jié)果并比較差異,結(jié)果如表1所示。

表1 地幔楔速度異常區(qū)域深度、縱波速度數(shù)據(jù)以及四組研究得到的地幔楔蛇紋石化程度結(jié)果

圖6 根據(jù)葉蛇紋石和方輝橄欖巖的縱波速度計(jì)算出的不同壓力下不同蛇紋石化程度方輝橄欖巖的波速模型

在40km深度的Cascadia低速區(qū),波速為7.2～7.6km/s(Brocheretal., 2003),Wangetal. (2019)的模型估計(jì)的蛇紋巖中蛇紋石體積為20%～50%。根據(jù)本文的模型,蛇紋石含量為15%～29%。Ramachandranetal. (2006)的研究報(bào)告了Cascadia另一處37～45km深度的低速帶,波速為7.2～7.6km/s,Wangetal. (2022)給出的蛇紋石化程度為34%,根據(jù)本文的研究,其蛇紋石化程度為12%～29%。Jietal. (2013)對(duì)上述兩地蛇紋化程度的估計(jì)值均為35%～63%。

根據(jù)Senoetal. (2001)的研究,日本關(guān)東地區(qū)俯沖帶在深度30～45km處的速度異常為6.7～7.2km/s。依據(jù)本文的模型,可得出此地存在31%～52%的蛇紋石,不同于Jietal. (2013)計(jì)算的63%～99%的蛇紋石化和Wangetal. (2019)得出的40%～60%的蛇紋石化。在日本中部20～45km的深度,速度為6.9km/s(Kamiya and Kobayashi, 2000),根據(jù)本文的模型估算,含有40%～46%的葉蛇紋石。

在Nankai俯沖帶,低速區(qū)域出現(xiàn)在25～50km處,速度為7.2～7.8km/s(Iwasakietal., 2013),Wangetal. (2022)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果估計(jì)蛇紋石化程度為20%,而本文的估計(jì)結(jié)果是3%～26%的葉蛇紋石。根據(jù)估算得到的高壓下的樣品密度,本文估計(jì)該地幔楔中的水含量為0.31%～2.87%。

從表1中可以看出,由于實(shí)驗(yàn)方法的差異和樣品復(fù)雜程度的不同,本文在更高壓力范圍內(nèi)(0～7GPa)得到的數(shù)據(jù)與Jietal. (2013)在較低壓力范圍(0～1GPa)左右得到的部分地區(qū)的蛇紋石化程度估計(jì)值存在較大差距。在壓力范圍相近的情況下,本研究得到的葉蛇紋石P波速度與Wangetal. (2019, 2022)的相近(圖3),方輝橄欖巖樣品中的橄欖石成分也與Wangetal. (2019, 2022)的類似,所以對(duì)蛇紋石化程度估計(jì)值的差異,主要是由于本研究合成樣品中斜方輝石的加入引起的。如表1所示,對(duì)地幔楔蛇紋石化程度的估算,僅僅考慮橄欖石的蛇紋石化是有局限性的,可能高估地幔楔中低速區(qū)域的蛇紋石化程度,進(jìn)而影響含水量的估算。所以,在地幔楔蛇紋石化程度和含水量的估算中,必須考慮斜方輝石蛇紋石化的影響,使用方輝橄欖巖體系可能更接近實(shí)際的情況。

關(guān)于溫度對(duì)蛇紋石速度的影響,前人進(jìn)行過相關(guān)研究。Kernetal. (1997)研究發(fā)現(xiàn)富葉蛇紋石蛇紋巖的VP和VS在0.6GPa時(shí),低于600℃范圍內(nèi)隨溫度的升高僅有微小的降低。Marquardtetal. (2015)在常壓下測(cè)量了室溫到200℃范圍內(nèi)單晶葉蛇紋石中聲速沿b軸的溫度依賴性,結(jié)果表明在研究的溫度范圍內(nèi),波速的各向異性不發(fā)生變化,波速隨溫度的升高也沒有發(fā)生明顯變化。以上研究表明溫度對(duì)蛇紋石波速影響較小,對(duì)蛇紋石化程度估算的研究影響也較小,因此本研究未考慮溫度的影響。

5 結(jié)論

本研究在高溫高壓條件下合成了葉蛇紋石和方輝橄欖巖樣品,并測(cè)量了兩個(gè)樣品在常溫高壓下的彈性波速。與前人的研究相比,葉蛇紋石的VP速度較低,VS速度處于中間值,說明成分和/或密度的變化影響了葉蛇紋石的速度。利用葉蛇紋石和方輝橄欖巖樣品的P波速度,結(jié)合巖石物理模型建立了不同蛇紋石化程度的方輝橄欖巖在不同壓力下的波速模型。利用地震波資料估算了部分地區(qū)地幔楔的蛇紋石化程度。研究結(jié)果表明,斜方輝石的加入會(huì)降低地幔楔蛇紋石化程度的估計(jì)值,因此需要考慮斜方輝石的存在對(duì)地幔楔蛇紋化程度及水含量估算的影響。

對(duì)葉蛇紋石及地幔巖蛇紋石化的地震波速度研究尚處于探索階段,對(duì)于不同成分、不同條件下葉蛇紋石的波速還需要更多的實(shí)驗(yàn)研究。不同原巖的成分及比例對(duì)地幔巖蛇紋石化程度估算的影響也應(yīng)繼續(xù)探索下去。

致謝實(shí)驗(yàn)技術(shù)和文章初稿得到蔡鬧副教授的熱情指導(dǎo),在此表示衷心感謝。也非常感謝審稿人的寶貴修改意見和建議。