NREE：地球深部地幔彈性性質的實驗進展

NREE：地球深部地幔彈性性質的實驗進展

地幔的物理和化學性質影響著地幔的動力學過程，不僅控制了地幔內部的行為，對地錶板塊構造的性質同樣有很強的控制作用。因此，準確和定量地理解地幔的物理和化學性質有助於我們探索地球或者其他行星的演化歷史。然而，地球深部的不可入性是對其進行研究的最大難題，人們主要通過反演地震觀測數據來約束深部地幔的物質成分和溫度。現在地震觀測的數據越來越多，也越來越精確，而更大的挑戰是如何很好地解釋這些觀測數據，例如對於地幔中存在的一系列異常（如大型低剪切波速省、過渡帶的波速異常和地幔中部廣泛存在的散射體等，圖1）仍然缺乏合理的解釋，這主要是由於我們對地幔中可能存在的礦物在高溫高壓下的彈性性質缺乏足夠的理解。

圖1 地球地幔中地震結構解釋圖

即使是上地幔中含量最豐富、研究最多的橄欖石礦物，最高也只有在1300 K和13 GPa下測量的彈性性質的實驗數據，比地幔溫度低了幾百度；地幔中其他礦物相的彈性性質數據更少，而且大多局限於較低的溫度和壓力，這就需要對這些礦物的彈性性質數據外推至地幔條件才能直接解釋地震觀測結果。然而有一些礦物性質（如變價元素的自旋狀態、晶體缺陷的濃度等）的改變會影響礦物彈性性質的變化規律（圖2），例如人們一般認為鐵方鎂石的縱波波速會隨著溫度的升高而降低，但是在中部地幔壓力條件下，鐵方鎂石中的鐵如果發生了自旋狀態的轉變，那麼理論上縱波波速會隨著溫度的升高而升高，這就顛覆了鐵方鎂石的彈性性質隨溫度的變化規律。因此，通過狀態方程外推礦物在高溫高壓下的彈性數據並不可靠，地震反演依賴於地幔溫壓條件下原位測量得到的礦物的彈性數據。

隨著過去幾年新的原位分析技術的出現，人們已經可以在相對高溫高壓條件下直接測量礦物的彈性性質，為地幔波速異常區域（例《CaSiO₃鈣鈦礦的地震波速實驗測定及其對下地幔LLSVPs的啟示》）提供了新的約束。但是目前實驗的溫壓區間仍然非常有限，遠未達到下地幔的溫壓條件，因此，高溫高壓下測量礦物的彈性性質的技術方法非常重要。英國牛津大學的Hauke Marquardt及其合作者在Nature Reviews Earth & Environment期刊上發表綜述文章（Marquardt and Thomson, 2020），總結了測定深部地幔條件下礦物彈性性質的主要技術，著重討論了這些技術的潛力、局限性和誤差，同時也總結了最近在實驗上取得的關於深部地幔礦物彈性性質的認識。

圖2 過渡帶和下地幔礦物學

目前已經有許多實驗技術被用來研究地球深部物質的彈性性質，包括非彈性X射線散射、非彈性光散射（可見光）以及超聲波技術等。這些實驗方法可以準確測定礦物波速、彈性各向異性、聲子態密度以及聲子壽命等，但是有一些實驗方法（如共振超聲光譜、非彈性中子散射等）只能用於常壓條件下的測試。非彈性X射線散射（IXS）和核共振非彈性X射線散射（NRIXS）這兩種技術非常耗時間（觀測單個速度需要2～24小時），並且需要用到同步輻射加速器，因此這些技術還較少應用於地幔礦物的研究。目前地球科學領域最廣泛使用的是非彈性光散射和超聲波幹涉技術。Marquardt重點對這些技術的基本原理和現狀進行了總結。

一、光散射技術

光散射技術包括布裡淵光譜（BS）和脈衝雷射散射技術（ISLS），結合DAC可以直接測量地幔壓力下的礦物彈性性質。過去20年裡這兩種技術得到了廣泛普及，尤其是高壓布裡淵散射系統的數量在2020年已經超過了十套。光散射技術正為研究地幔礦物的彈性性質提供著關鍵信息。

1.布裡淵光譜（BS）

布裡淵光譜法主要是利用探測雷射穿過樣品時與樣品聲子發生非彈性相互作用產生散射光，通過測量雷射與散射光之間的頻率偏移可以直接算出聲速（圖3），因此樣品需要保持透明來發生光學散射。在DAC中，高壓下用BS測量的聲速數據的準確度和精度分別優於1%和0.5%，但是布裡淵信號受樣品厚度的影響很大，因此在地幔壓力條件的BS實驗中樣品必須非常薄（<15 μm），導致收集信號的時間需要幾十分鐘到幾個小時。

布裡淵光譜法可以測量單晶樣品和多晶集合體的彈性性質。BS在測量單晶樣品時，通過測量晶體中幾個不同傳播方向上的聲速來限制單晶樣品全部的彈性張量，從而獲得礦物的彈性性質。對於立方對稱的晶體（如林伍德石、超矽石榴石和鐵方鎂石）只需要在一個晶面上測量聲速，但是也需要很長的實驗時間；對於具有較低對稱性的礦物而言（例如斜方晶系的瓦茲利石和布裡奇曼石），則需要從樣品的多個方向來測量以提供額外的晶格方向上的數據，因此耗費時間會更長。多晶集合體的BS實驗不需要測量特定方向上的波速，因此，所需的測量任務量大大減少，相對而言比單晶BS實驗快很多。然而多晶BS實驗測量的速度是一個平均值，丟失了一些彈性張量和彈性各向異性的信息；同時測量的速度對樣品的微觀結構（如顆粒尺寸、形狀和晶格優先取向等）非常敏感，並且還會受到晶格優先取向、探測雷射與聲子傳播方向之間的耦合效率或樣品中應力分布的影響。目前仍然缺乏高壓下礦物單晶和多晶BS實驗的對比。

結合DAC的單晶BS實驗可以達到100 GPa的壓力條件，但是實驗所需的大量時間限制其在地幔壓力條件下測量礦物彈性性質的應用，斜方晶系的礦物單晶只有少量的高壓下（<41 GPa）的實驗數據。此外，單晶BS實驗無法測量CaSiO₃鈣鈦礦、後鈣鈦礦或賽石英等礦物，這是由於降壓後這些礦物很快發生相變，無法從高溫高壓環境中淬火獲得單晶樣品；然而多晶BS實驗是可以對原位合成的樣品直接進行測量。在所有的BS實驗中，當壓力超過40 GPa時就很難測量縱波波速，因為縱波的信號會被金剛石壓砧的峰值掩蓋（圖3b）。

儘管結合DAC的BS實驗可以達到很高的壓力條件，但同時實現高溫仍然非常具有挑戰性。由電阻加熱的DAC只能在很低的壓力和1000 K左右進行BS實驗，目前僅對林伍德石、超矽石榴石和鐵方鎂石有相關研究。雷射加熱方法尤其是CO₂雷射的應用使得在地幔溫壓條件下進行BS實驗成為可能，目前已經有學者成功在2700 K、91 GPa的高溫高壓下對含鋁MgSiO₃布裡奇曼石和MgO的多晶集合體進行BS實驗，但是仍然沒有公開發表的單晶實驗數據。

圖3 高壓彈性實驗示意圖

2.脈衝雷射散射（ISLS）

ISLS是一種類似於BS的技術，但是ISLS是用秒級（脈衝）雷射器在樣品中誘發聲波，然後測量聲波。兩者的區別在於ISLS中的脈衝雷射會損壞金剛石，因此ISLS不會在DAC中使用，也就沒有了金剛石的幹擾。ISLS與BS幾乎在所有方面都具有相同的優勢和局限性，ISLS相比於BS的優勢在於能夠測量不透明的樣品，並且能夠測量高壓下的縱波波速，而高壓下BS實驗中金剛石信號會掩蓋縱波信號；但是ISLS不能準確測量地幔礦物中的剪切波速。因此有學者會結合使用BS（測剪切波速）和ISLS（測壓縮波速）來準確獲得礦物的地震波速。

二、超聲波技術

超聲波技術，如超聲波幹涉法（US）也能夠通過向高壓樣品中發送高頻率（kHz-GHz）的「地震波」來研究高壓下地球深部物質的彈性性質。聲波可以利用壓電材料或雷射源產生，並在目標樣品中傳播。使用壓電傳感器的US技術通常在MHz-GHz頻率下工作，通過結合DAC或者大腔體壓機（LVP）可以直接測量地幔條件下礦物的波速。利用雷射源的US技術是一種超快脈衝探測技術，通常稱為皮秒超聲波（PSU），同樣可以結合DAC實現高壓下的測量，但是目前為止還僅局限於相對低溫的條件下應用。

US的原理是將聲波傳入樣本，然後檢測回波，從而得到樣品上、下表面（圖3c）返回的回波之間的延時（Δt），樣品厚度為L，則聲速可以簡單地表示為2L/Δt。原理看似簡單，事實上高壓實驗中由於嚴格的幾何限制和無法直觀看到樣品的長度，測量非常複雜；但是已經開發出相當標準化的測試方法，通過US在DAC或LVP中同時測量剪切波速和壓縮波速。其不確定度小於1%。受限於DAC中作為傳聲粘合劑的石英氣凝膠的穩定極限，目前為止基於DAC的US技術僅限於相對低溫低壓條件（<10 GPa和<523 K）。

LVP-US實驗最主要的限制來自於樣本。樣品的表面必須是水平完整的，沒有孔隙、裂紋或任何其他宏觀缺陷，同時晶體還要保持細粒並沒有任何晶格優選。通常要求樣品是預先合成的（一般是通過預燒結），並加工成合適的圓柱體，合成一個單一樣本並在LVP中進行超聲實驗一共所需要的時間約為一周，這是LVP-US技術的主要缺點。最新的研究中將樣品預合成與超聲波測量結合在一個實驗中，大大縮短了實驗時間，但是由於樣品幾何形狀的不完美，大量的實驗結果並不可靠。然而，在過去的幾年裡，LVP-US實驗已經取得了許多實質性的進展。例如，由於新的商業碳化鎢和燒結金剛石砧材料的出現，在LVP實驗中常規可達到的壓力和溫度條件的範圍正在不斷擴大（圖4）。LVP-US實驗現在已經可以在大約27 GPa和2400 K的溫壓條件下進行，而且這個區間將會繼續擴大。此外，由於示波器的性能迅速提高，單個超聲波測試所需的時間從十年前的大於5分鐘減少到小於10秒。除了時間限制和樣品合成之外，沒有其它因素可以限制LVP-US技術在單晶樣品上的應用。迄今為止，單晶測量僅限於對MgO在8 GPa和1600 K下的研究，但是未來利用LVP-US對單晶樣品的研究可以提供有關高溫下礦物各向異性的重要信息。

圖4 已發表的光散射和超聲波實驗所涵蓋的條件

除了上述方法之外，X射線衍射在約束地幔礦物的壓縮係數以及高溫高壓條件下的密度方面非常重要。目前人們已經實現了對樣品密度和聲速的同時測量，這在同步輻射光源線站是通過將BS和US技術與XRD測量相結合實現的，同時測量樣品的密度和聲速對於高溫高壓條件下的實驗特別有用，因為實驗中對樣品的密度幾乎沒有預先的約束。此外，BS或US的結果與XRD測量相結合，可以更好地確定樣品的真實壓力。

基於DAC的光散射方法以及LVP-US技術已經成為高溫高壓條件下測定地幔礦物彈性性質的主要技術方法。雖然這幾種技術提供了絕大部分高溫高壓下地幔礦物的彈性數據，但是很少有達到下地幔條件的數據。此外，大多數礦物的實驗數據僅來源於一兩項測量多晶集合體的研究，例如，在溫度>1500 K的條件下，前人使用LVP-US研究了林伍德石、鈣鈣鈦礦、斯石英和超矽石榴石，但是數據僅局限於有限的溫壓條件和單一組分（每一個礦物相），並且迄今為止很少有重複實驗。在2700 K和～91 GPa條件下，還有學者用多晶BS測量了高溫高壓下鐵方鎂石和布裡奇曼石的地震性質，但是高溫數據僅限於七個獨立的點(鐵方鎂石四個，布裡奇曼石三個)。

目前缺乏對新的六方鋁相、鐵酸鈣相、超斯石英相、賽石英以及後鈣鈦礦在高於300 K條件下的地震性質的實驗數據，而對瓦茲利石的測量也只達到1073 K。即使是研究最多的下地幔礦物鐵方鎂石，關於鐵自旋轉變對其彈性性質的影響以及壓力對體彈模量的軟化作用仍然存在不確定性，更關鍵的是缺乏高溫下穿過鐵方鎂石自旋轉變區域聲速的實驗測量數據（圖2b）。此外，關於地幔中次要礦物相（如碳酸鹽、含水礦物相和熔體）彈性性質的實驗研究仍然非常少。

作者最後指出，高溫高壓下地幔礦物的實驗資料庫還遠未完成，現有的數據還不足以建立可靠的模型，很難解釋層析成像模型中觀察到的地震波異常現象。由於數據不足，我們也無法對實驗數據的質量及其相關結果進行可靠的統計測試，很難確定已有實驗數據的真實不確定度。我們只有提供足夠多的實驗數據才能降低不確定度，並更好地解釋深部地幔的地震波速。另外，地震層析成像表明在整個地幔中波速存在著顯著的、廣泛的橫向變化，未來的研究將不再局限於將礦物物理數據與全球一維平均速度模型進行對比，而這對礦物彈性性質數據提出了更高的要求。

原文：Marquardt H, Thomson A R. Experimentalelasticity of Earth’s deep mantle[J]. Nature Reviews Earth &Environment, 2020, 1(9): 455-469.

（編譯：牛笑光，張志明，張志剛/地星室）

校對：覃華清