【儀表網 研發快訊】近日，精密測量院孫和平院士研究團隊與美國德克薩斯A&M大學和燕山大學等單位合作，基于同步輻射光源超聲測量碳酸鈣的聲速特性，證實了少量碳酸鈣的存在可以導致地震學觀測的巖石圈中部的低地震波速特性。相關研究成果于10月17日發表在國際知名期刊《創新-地球科學》(The Innovation Geoscience) 上。
克拉通是指古老的、穩定的大陸塊體，它主要由古代的結晶基底構成，形成的年代大多是在30多億年前。其特點是具有較冷的地溫梯度、貧鐵貧水且存在多種交代變質作用。全球的克拉通在60-160 km深度廣泛存在2-10%的低剪切波速降低。造成剪切波速降低的原因通常包含部分熔融、溫度導致的晶界滑移、礦物層狀分布、礦物層狀各向異性和富含低波速的變質礦物。但是對于克拉通而言，其溫度較低，發生部分熔融和晶界滑移的可能很低。地震波探測和高溫高壓礦物學研究表明，此區域不存在明顯的地震波速各向異性或礦物相變。而變質礦物若導致2-10%的剪切波速降低，則需要5-10%的含水礦物或10-15%碳酸巖。而含水礦物的高電導特性使得其含量低于1.5%才滿足大地地磁測量結果，10-15%的碳酸巖可能會導致該區域的重力失穩。因此，克拉通中部巖石圈低地震波速特性一直懸而未決，成為地震學、大地測量學和高溫高壓礦物學的國際研究熱點。
研究團隊針對最新發現的碳酸鈣非晶化特性，在2-5萬大氣壓(1GPa=1萬大氣壓)和1400 K溫壓范圍內開展了碳酸鈣文石相和非晶相的聲速測量(圖1)。研究結果表明碳酸鈣保持在晶體文石相(aragonite)時，其縱波速度為6.0-6.5 km/s，剪切波速度為3.2-3.5 km/s。而非晶相(amorphization)碳酸鈣的聲速明顯分為三段：(1)當壓力低于2.5 萬大氣壓時，非晶相碳酸鈣的縱波速度略低于晶體相，而剪切波速度與晶體相相同；(2)當壓力在2.5-3.5萬大氣壓時，非晶相碳酸鈣發生了劇烈的軟化，其縱波速度和剪切波速度分別降低35%和52%；(3)當壓力大于3.5萬大氣壓后，非晶相碳酸鈣的聲速隨壓力增加而增加。整個壓力范圍內，研究未觀察到聲速的溫度效應，可能原因是所測溫度范圍較窄。
文石相(aragonite)和非晶相(amorphization)碳酸鈣聲速隨溫度和壓力的變化關系
高溫高壓熔融實驗研究證明含碳酸巖的榴輝巖和橄欖巖其熔體在3-5萬大氣壓時主要是碳酸鈣，起源于克拉通60 km深度的包裹體也證明所含碳酸巖主要是碳酸鈣。碳酸鈣在克拉通中部巖石圈可以穩定存在，且在70 km(所對應的壓力約為2.5萬大氣壓)及以下深度以非晶相存在。如果克拉通巖石圈含有1-2%的碳酸鈣，則會產生地震學上觀測到的2-10%剪切波速降低，且符合大地測量學和地球化學的約束。研究團隊分析認為，考慮到克拉通地溫梯度的多變性及由此導致的碳酸鈣非晶相變和彈性軟化，少量碳酸鈣的存在是導致低剪切波速的重要候選機制(圖2)。
非晶碳酸鈣在克拉通的穩定區間(A圖)；非晶碳酸鈣導致的克拉通中部巖石圈地震波速間斷示意圖(B圖)
該研究以“Evidence for amorphous calcium carbonate originated mid lithospheric discontinuities”為題發表在The Innovation Geoscience上。精密測量院研究員侯明強為文章第一作者，論文的共同第一作者是美國卡內基研究院地球和行星實驗室的博士后Ming Hao，論文的通訊作者包括美國德克薩斯A&M大學教授Jin Zhang和燕山大學教授劉錦。
該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃以及美國自然科學基金等項目的資助。
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