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地幔转换带中水的分布(2011年EPSL最新文章)

已有 11802 次阅读 2011-1-20 13:41 |个人分类:最新论文介绍|系统分类:论文交流| 电导率, 地幔转换带, 部分熔融

【最新论文介绍】

SEDI前缘】地幔转换带中水的分布

作者注:关于地幔转换带中水的相关问题,学术界内一直都争论不休,难下定论。耶鲁大学的Karato教授在最近(2011年)出版的EPSL上发表文章,就地幔转换带中水的分布及全球物质循环,尤其是对电导率测水方面,进行了评述。以下就其主要内容做一介绍,供大家学习参考。

原文citationS.-i. Karato, Water distribution across the mantle transition zone and its implications for global material circulation, Earth and Planetary Science Letters 301(2011) 413-423. PDF下载 补充材料下载见SD链接

关键词:water, hydrogen, seismology, electrical conductivity, partial melting

 

1. Introduction(简介)(注:作为基础部分,introduction部分按原文翻译)

 

    水(氢)是类地行星独特的组成成分,相对于其他成分(SiO2MgOCaO等)尽管其含量很小,但即使少量的水也能极大地改变熔融关系(e.g., Inoue,1994)和流变学特征(e.g. Karato & Jung,2003; Mei & Kohlstedt,2000)。因此,水的分布对于类地行星的动力学和演化过程具有重要的影响。 

    前人对地球深部水的研究主要集中于矿物(尤其是名义上无水矿物,NAMs)中水(氢)的含水上限(solubility limit)和/或机制(e.g.Bolfan-Casanova,2005;Inoue et al.,2010)。尽管针对下地幔矿物中的水含量争议较大,但现已确认地幔矿物最大水含量的总和已经远远超过了大洋海水的总量。尤其是已观测到地幔转换带矿物具有高水含量,这意味着转换带对控制全球水循环过程具有重要作用。然而,尽管这些研究为地球中水的作用的研究打下了重要的基础,但仍不足以说明地球深部中真实的水的分布状态。地球深部中真实的水的分布状态只是由含水上限间接地约束,例如那些具有高含水能力的区域(如MTZ)可能实际上几乎没有水(Richard et al.,2002)。 

    由于扩散非常缓慢(根据水的扩散实验结果计算,10亿年扩散距离仅有~10公里Kohlstedt & Mackwell,1998)),真实地球中水的分布主要由部分熔融的程度和位置以及大规模物质运移过程所控制(Iwamori,2007;Richard et al.,2006)。但是除了生成陆壳的部分熔融作用以外,唯一明确的部分熔融和相应的化学分异作用(chemical segregation)就是和大洋中脊火山作用相关的过程(前者具有较为久远的地球化学特征,20-30亿年甚至更长;后者则相对年轻,少于5亿年)。深部地幔中大规模物质运移作用的位置和性质目前均不明确,关于地幔中水分布的各种模型也是众说纷纭(e.g. Hirschmann,2006; Huang et al.,2005; Karato et al.,2006; Rüpke et al., 2006; Yoshino et al., 2008a)。但是,由于水的分布和这些过程具有较为密切的联系,如果按照本文后所推测的水的分布情况,就可以获取认识部分熔融作用位置和物质循环作用特征的新方法。 

    有许多推测地幔中水分布的尝试(尤其是上地幔和转换带),其中最直接的方法就是地球化学/地质学方法,利用地幔矿物或者玄武岩的水含量来推测地幔中水的分布(e.g. Bell & Rossman, 1992;Beran & Libowitzky,2006;Dixon et al., 2002)。尽管这是一种直接的方法,但是具有许多局限性,特别是该方法对于研究像转换带(全球水循环最重要的区域之一)这样的关键区域水的分布十分困难。 

    地球物理探测方法,如地震波和电磁场,可以深入地幔,相关的特征分布可以从地面观测站推测。因此,如果对于水含量灵敏度高且明显,这些地球物理观测数据就可以用来推测深部地幔水的分布特征(Karato,2006a; Meier et al.,2009; Suetsugu et al.,2006)。但是这些研究却得出了完全不同的,有时是似是而非的结论。比如,利用地震波速异常和不连续面成像异常,Meier等(2009)推测东亚地区转换带是贫水的,而Suetsugu等(2006)则在相同地区推测是富水的。类似地,根据电导率推测的水分布结果也存在这巨大差异(Huang et al.,2005;Yoshino et al.,2008a)。 

    因此,为了更好地估计地幔中水的分布情况,检验这些研究之间的差异是很重要的。本文的目的在于:(1)综述估计地幔中水分布的各类方法尤其是强调地球物理方法;(2)提供更好的估计地幔中水分布的方法;(3)讨论水分布对地球中物质循环特征和部分熔融作用的启示。有关电导率的讨论详见其他文献(Dai & Karato,2009a;Karato & Dai,2009),本文在此仅做简洁讨论,但是有一些重要的新结果作了补充,尤其是元素分配和氧逸度对电导率剖面的影响作用。 

 

2. Various approaches to infer the water distribution in the mantle(推测地幔中水分布的方法) 

 

2.1 Geological/geochemical approach(地质学/地球化学方法)

    地幔岩石中的矿物水含量为研究地幔水含量提供了直接信息。上地幔样品中的水含量一般为~0.002-0.05wt.%。但是无法确定这些样品在折返到地面之前时是否本身就含有一定的水。而且这种发放只能研究非常有限的区域,因为地幔岩石折返的最大深度是~200km,因此该方法无法确定转换带中的水含量。(作者注:关于地幔岩石折返的最大深度,目前有各种报道,如有关majorite-garnet的天然岩石样品显示其来源可能大于300km甚至是转换带(文献略),但是仍然具有较大的争议和不确定性。Karato此处给出的200km深度,是相对比较确定的、得到广泛认同的折返深度)。 

    而利用玄武岩则可以更广的区域范围的水含量(地球化学方法)。MORB(大洋中脊玄武岩)是相对浅层的地幔部分熔融形成的,OIB(洋岛玄武岩)则来自更深的地幔。该方法就是根据模型利用玄武岩的水含量去推测去源区的水含量。研究显示,大部分OIB源区的水含量比MORB源区的要高。但是对于OIB数据的解析仍然不是很确定,因为对OIB的源区了解还不够透彻。 

 

2.2 Geophysical approach(地球物理方法) 

    与地球化学方法不同,地球物理可以研究更广的区域,因此可以更好地了解全球尺度水的空间分布状态。但是很关键的是,要确定何种性质特征适合于推测水含量:该性质特征应该对水含量很灵敏而对其他因素不灵敏,或者其他因素的影响可以得到有效的校正。 

2.2.1 Seismological observations(地震学观测) 

    水对地震波传播最明显的影响就是会降低地震波速度,因为氢可以削弱化学键的作用。目前有大量的实验研究水含量和其他因素对弹性波速的影响作用(Table 1)。 

    研究显示,在水含量低于~0.1%的情况下,水对地幔矿物的弹性波速影响很小(<0.1%),相对比温度的影响作用更小(100K的温度变化将导致~0.7%的波速变化,Karato,2008)。而主量元素的影响作用(尤其是在地幔转换带中)则非常大。由此可见水对地震波速的影响作用很小,而且比主量元素和温度的影响作用更小(图1a)。所以当温度和主量元素变化较大时,将难于估计其水含量。另外如果考虑非弹性作用的话,那么水对地震波速的影响作用会更大(e.g. Karato,2006b)。 

图1a.Seismic wave velocities (ΔV/V:variation of velocity, CW: water content) (for data see Table 1).

    另一个重要的地震学观测就是不连续面的深度。由于大多数不连续面是由相变引起的,因此,当两个共存矿物间的水分配不同时,相边界(不连续面)的深度就会受到水的影响(Wood,1995)。这里需要考虑相变的宽度(sharpness)和深度(depth/pressure)的变化(图1b),另外波速异常和转换带厚度异常被用来推测水含量。但是在高温条件下水的影响作用将受到抑制,而其他因素如主量元素的影响则会很大。因此该方法将难于推测水的分布状态。但是在成分几乎均一的条件下,该方法或许还是有用的。 

图1b.Depth of “410-km” discontinuity as a function of water content for two different temperatures (results for a pure Mg2SiO4–H2O) system (Frost and D. Dolejš, 2007)

    在众多地震学观测中,地震波衰减(attenuation)很可能对水含量很灵敏(karato,2003; Shito et al.,2006)。但是衰减测量的分辨率还比较有限(Dalton et al, 2009),实验研究尚处于探索阶段(Aizawa et al.,2008)。关于水对地震波衰减的影响,还需要更要多的研究。 

2.2.2. Electrical conductivity(电导率) 

2.2.2.1 General background(背景介绍) 

    相对于一些地震学观测,尽管分辨率要低一些,但是地球深部的电导率可以通过电磁感应分析来推测(Rikitake,1966)。Karato1990)最先提出电导率对于水含量非常灵敏,因此地球深部的电导率可以用来确定水(氢)的分布情况。(作者注:Karato认为根据矿物水含量极限得到的地球深部的水含量具有很大的不确定性,而一直积极倡导用电导率来推测地球深部的水含量(尽管也存在着较大的不确定性)。电导率测水方法具有很多的优点,见本文分析。) 

    在大多数情况下,矿物的电导率是由三价铁和二价铁之间的电子跃迁(极化导电)或者质子迁移形成的。电导率可以表示为(相关系数的解释见原文): 

后边第一项和第二项分别对应于极化导电和质子导电。另外相关研究表明,Mg(Fe)的扩散和主量元素的影响相对较小(Constable,1993;Dai&Karato,2009;Yoshino et al.,2009) 

    对于电导率测水时,有以下注意事项:1. 尽量获取较宽频率范围的数据,并对计划作用进行校正(针对导电机制是离子运移,如质子导电);2. 没有绝对“干”的样品(<~10ppm wt时可以看作是干的);3. 样品的水含量在实验中可能会变化,因此在测量前后都应重新确定实际水含量,并保证其前后变化不大才行。 

        Table 2 展示了前人上地幔和转换带矿物电导率测量的实验结果,大多数研究均表明矿物中的水可以提高电导率,但并非所有的研究结果都支持这一观点(见Table 2 及原文Karatocemments)。 

    下图2显示了上地幔和转换带矿物电导率的实验研究结果。该图表明,水的影响是巨大的,在一定范围内,电导率变化达100-300因子,而且水含量越高变化越明显。 

图2.Electrical conductivity of typical minerals (olivine(4GPa), garnet(4GPa) and wadsleyite (15GPa))  at 1500K as a function of water content

    其他因素的影响作用(温度,压力,主量元素和氧逸度等)如下简表(此处不一一详述,见原文解释)。总体来说,这些因素的影响相对于水含量的影响十分微弱。(作者注:另外需要注意的是,Karato认为软流圈的高导低速并非部分熔融的结果,这一观点与地学传统教科书里“软流圈的高导低速是部分熔融的结果”的讲述相反,在他的《流变与地球动力学》一书里,他也曾详细阐述了这一问题,这一议题非常重要而且有趣,但是也较为复杂,如有需要,作者另行作一文与大家讨论。) 

2.2.2.2. Calculation of electrical conductivity-depth profiles for the mantle(电导率-深度剖面) 

    该计算采用Ito & Katsura(1989)的地温曲线,综合考虑以下因素的影响作用:氧逸度随深度的变化(Frost & McCammon,2008),元素分配(Irifune & Isshiki,1998),压力作用(Wang et al.,2006; Yoshino et al.,2009),水的分配(Bolfan-Casanova,2005; Mookherjee & Karato,2010),根据已知的共存矿物中的水和铁含量、温度、压力,可以计算每种矿物的电导率,然后根据Hashin & Shtrikman(1962)的模型计算集合体的电导率。计算所用的相关系数见下表(附计算公式) 

图3.(a) Temperature–depth profile used in the calculation of conductivity–depth profile (Ito and Katsura, 1989).(b) Electrical conductivity (σ) versus depth relationships for the upper mantle and the MTZ calculated for the pyrolite mantle model with various water contents.

   计算结果如图所示,水含量对电导率影响很显著。但Yoshino2010)的结果显示水含量的影响作用比Karato的计算结果更加微弱,Karato在文中则认为这是Yoshino所使用的干样品其实含有较多的水(即实际并非是干样品)。在410-km处,电导率会有一个突降(jump),Karato给出的解释为:矿物中只有少部分水,即高活水(highly mobile hydrogen),对电导率产生贡献;由于瓦兹利石(wadsleyite)比橄榄石更加富水,瓦兹利石会吸收更多的水导致其高活水含量比橄榄石中的低;因此在总水量相同的情况下,瓦兹利石的电导率会比橄榄石的低,从而导致410-km处电导率的突降。 

    为便于对比,Karato将地球物理研究推测的电导率-深度剖面进行了总结,如图4。通过对比可以得到以下一些结论。完全“干”的模型所推测的电导率比大多数地球物理模型的电导率要低很多;上地幔的平均水含量为~0.01 wt.%,转换带的为~0.1 wt.%;大多数地球物理观测中不存在410-km处的电导率突降。以上这一模型与上地幔地球化学/岩石学研究结果非常一致。但是目前尚缺乏下地幔矿物和下地幔水含量的数据。另外该电导率剖面也显示了较大的地区差异。

图4. Geophysically inferred conductivity (σ)-depth profiles

 

3. Implications for material circulation in Earth(地球内部物质循环) 

 

    电导率在空间上的变化也指示了水含量及其他不相容元素分布的差异性。造成水含量差异的主要因素是部分熔融及相应的固溶分异作用,另外还有化学分异作用如洋壳的拆沉。 

图5显示了地幔物质循环和水分布的三种模型。 

图5. Models of water distribution and material circulation in Earth's mantle

Model alayered water content model, 分层模型):这一模型与地球化学和地球物理观测结果较为一致。地幔中的水是层状分布的(局部存在侧向差异),转换带及下地幔一定范围内较为富水,可以作为OIB的源区;上地幔(软流圈)则较为贫水,可以作为MORB的源区。该模型中410-km处存在着部分熔融作用但660-km没有部分熔融。 

Model b"plum-pudding" model, 梅子布丁模型, by Rüpke et al.,2006):该模型中作为OIB源区的富水区域成斑点状分布地幔中;但是如果这些富水区域均匀分布或者仅存在于下地幔中,该模型将无法解释410-km处电导率的突变。 

Model chybrid "plum-pudding" model, 复合梅子布丁模型):该模型似乎是前两种模型的综合。转换带中富水区域(榴辉质)比上地幔多,MORB由相对贫榴辉质的物质部分熔融而形成,OIB有富榴辉质的物质部分熔融而形成。如果这些榴辉质物质相互连接起来或者成片状分布,转换带就会比上地幔的电导率高,这也与电导率观测结果一致。但是下地幔的水含量目前不是很确定。 

Partial melting at 410-km410-km处的部分熔融) 

    富水模型(model a or c)中,软流圈被认为是410-km处部分熔融的产物。Hirschmann(2006)曾假设410-km处的部分熔融所需水含量为~0.4 wt.%,按此推测上地幔水含量将会比由MORB地球化学研究推测的结果(~0.01 wt%)高很多,这将会与富水模型产生矛盾。但是Karato坚持认为,上地幔固相线处的水含量很可能只有~0.05 wt.%(Karato et al.,2006),由此上述矛盾之处并非那么巨大。另外挥发性组分如CO2K元素会促进熔融作用,那么固相线处所需实际的水含量将会比上述值低。进一步说,上涌残余物质(形成软流圈,即MORB源区)的实际水含量应比410-km处固相线矿物的水含量更低。模型中软流圈的水含量应大致等于软流圈固相线的水含量而不是410-km固相线的水含量(假设是fractional melting)(如图6)。软流圈固相线的水含量估计为~0.01 wt.%(e.g. Hirschmann,2010)。因此,根据MORB组分和电导率所推测的软流圈的水含量与富水模型是一致的。 

图6. A schematic phase diagram showing the melting behavior of a material containing water as impurity in the upper mantle and the shallow transition zone (adiabatic temperature gradient is assumed).(注:图6的解释有些复杂,请参照原文)

Influence of partial melting(部分熔融的影响作用) 

    关于部分熔融的影响作用,需要从以下三个方面来考虑:熔体比例,熔体和固相之间的物性差异,熔体的几何学特征。如果上地幔底部熔体的比例为~0.1%,呈细管状(tubule),那么部分熔融对地震波速并没有太大的影响(<~1%下降)。一旦颗粒边界完全被熔体湿润(wet),那么波速降低将非常明显。综合前人研究,上地幔底部(or MTZ)部分熔融对电导率只是稍有影响。 

其他问题: 

        a. 目前对下地幔的水含量不是十分清楚。 

        b. 转换带如果具有如此高的水含量的话,那么在660-km不连续面处会产生部分熔融。但是目前还没有明确的证据报道该边界附近存在部分熔融。因此需要加强对下地幔水含量的研究和观测。 

        c. 提高地球物理观测的分辨率(如接收函数方法)。 

Water circulation(水循环) 

   (本节略)注意一个问题:前人在研究中大多将地幔当作一个单一单元(single unit)来考虑全球水循环,但是本文的分析表明地幔内部水的分布可能是不均一的,应该当作一个分层的box或者两个甚至更多的boxes(如图7) 

图7. 地球深部水循环简图(详见原文补充材料Fig.S3-1及说明)

 

4. Summary and concluding remarks(总结与结束语) 

 

       a. 地球内部水的分布可以通过多种方法来推测(地质学/地球化学,地球物理观测(电导率)); 

       b. 提高地球物理推测电导率的分辨率; 

       c. 需要进一步了解认识下地幔中水的分布情况。 

参考文献(略,见原文) 

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【作者后记】 

    这篇EPSL文章是一篇极好地介绍地幔中水的分布以及电导率测水方面的综述文章,地学大师Karato教授也是目前世界上该领域的权威(另外还有OhtaniInoueBolfan-CasanovaHirschmannLitasov等),对目前各种研究地幔中水的方法进行了较为详细地比较。不过本文对于初学者或者非专业普通读者来说可能具有一定的难度(如需要了解MORBOIB源区,地幔相变,名义无水矿物NAMs,部分熔融,地球物理层析成像),作者建议可以先阅读有关地球深部水的其他综述文献(如下,按时间排序)。Karato的部分科学研究成果可以参考《流变与地球动力学》一书(唐户俊一郎著,何昌荣等译,地震出版社,2005年出版;原版为日文,东京大学出版社,2000年出版)。文献中所用的一些计算方法,请参考阅读补充材料。关于地幔转换带的“干湿之争”,一直都是地球深部水研究的关键问题之一,利用各种方法得出来的结果有巨大的差距(本文也对地质学/地球化学,地球物理方法的结果进行了对比),但需要强调的是,“high water solubility may not lead to high water contents in the transition zone”[7],换句话说,高含水能力不代表实际的MTZ就是富水的,关键还要用实际观测来检验,如最近Green在Nature上发表文章,地震学证据显示深俯冲岩石圈并未携带大量的水至转换带(Green et al.,2010)。 

 

[1]   N.Bolfan-Casanova, Water in the Earth's mantle, Mineral Mag 69(2005) 229-257. 

[2]   E.Ohtani, Water in the Mantle, Elements 1(2005) 25-30. 

[3]   M.M.Hirschmann, Water,melting,and the deep Earth H2O cycle, Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 34(2006) 629-653. 

[4]   E.Ohtani, K.D. Litasov, The effect of water on mantle phase transitions, Reviews in Mineralogy and Geochemistry 62(2006) 397-420. 

[5]谢鸿森,候渭,周文戈, 地幔中水的存在形式和含水量, 地学前缘, 2005,12(1):55-60 

[6]夏群科,杨晓志,郝艳涛等, 深部地球中水的分布和循环, 地学前缘,2007,14(2):10-23 

[7]杨翠平,金振民,吴耀,地幔转换带中的水以及地球动力学意义,地学前缘,2010,17(3):114-126. 

(三篇中文文献较为相似,内容也较全,对于一般读者应该都不太难。英文文献较长,都是这方面的专家写的文章,可以精读。)

 

    中国方面:目前新的地震台网已经获得较多中国及临区岩石圈和上地幔结构数据,涌现了很多优秀的文章,对于中国地球深部动力学具有重要意义。不过目前物性研究(矿物物理)方面还比较薄弱(未见电导率方面的报道),实验数据和测量数据的准确性和精确度有待提高(国外经常不相信中国科学家的数据),如北京SIMS的引进将极大地提高元素测量的质量。目前对熔体的结构还不是十分清楚,部分熔融实验方面,金振民等(1994)曾在Nature上报道过相关的熔体分布状态实验结果。

    最后,感谢您耐心阅读完本文,希望对您的工作和学习有所帮助。我自己将本文内容做成幻灯片,您可以选择下载浏览,祝您工作和学习愉快! PowerPoint下载(pdf格式)zcy.pdf



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