作為上地幔的主要造巖礦物之一，單斜輝石可以儲(chǔ)存比其他礦物（橄欖石、斜方輝石）更多的結(jié)構(gòu)水；而且由于地幔不均一性、交代作用和地殼循環(huán)等，透輝石在上地幔局部區(qū)域富集。因此，研究水對(duì)單斜輝石流變行為的影響對(duì)于理解上地幔很多地質(zhì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程至關(guān)重要。然而，已有的流變學(xué)研究多針對(duì)殼源的Sleaford?Bay次透輝石開展，且含水實(shí)驗(yàn)多采用滑石脫水組裝在水飽和條件下開展，過(guò)剩的顆粒邊界水，很可能高估水對(duì)單斜輝石流變行為的影響；且自然界中的巖石塑形變形多發(fā)生在水不飽和條件下。
為了更好地理解上地幔中單斜輝石的流變行為，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所李建峰博士與宋茂雙研究員等采用含有一定量結(jié)構(gòu)水的天然透輝石顆粒（富鎂，與幔源單斜輝石成分接近）為初始原料，熱壓合成水不飽和多晶集合體，然后利用氣體介質(zhì)Paterson流變儀在~300MPa圍壓、1323-1523K溫度和10-6–10-4?s-1應(yīng)變速率下開展了軸向壓縮實(shí)驗(yàn)；紅外光譜分析表明變形實(shí)驗(yàn)在水不飽和條件下開展。
顯微結(jié)構(gòu)觀測(cè)表明，透輝石多晶集合體主要在位錯(cuò)蠕變域變形（圖1）；對(duì)力學(xué)數(shù)據(jù)擬合獲得透輝石多晶集合體在水不飽和條件發(fā)生位錯(cuò)蠕變的冪律流變方程參數(shù)：應(yīng)力指數(shù)n為 4.3?±?0.3,活化能Q為427 ± 31 kJ/mol和水含量指數(shù)r為1.2?± 0.2（圖2）。將流變律外推到無(wú)水和水飽和條件下，發(fā)現(xiàn)利用流變律計(jì)算的流變強(qiáng)度與由變形實(shí)驗(yàn)測(cè)定的流變強(qiáng)度基本一致，但在水飽和條件下存在顆粒邊界水的貢獻(xiàn)（圖3）。我們的研究成果表明，透輝石或上地幔單斜輝石發(fā)生位錯(cuò)蠕變?cè)跓o(wú)水條件下具有與橄欖石相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，但是在水飽和條件下比橄欖石弱。因而，在上地幔中單斜輝石富集區(qū)域，透輝石應(yīng)當(dāng)主導(dǎo)巖石變形。
圖1 透輝石多晶巖變形樣品的TEM圖像：自由位錯(cuò)、位錯(cuò)網(wǎng)和陣列分布的位錯(cuò)表明透輝石變形在位錯(cuò)蠕變域
圖2 水不飽和條件下透輝石多晶集合體變形力學(xué)數(shù)據(jù)與流變參數(shù)計(jì)算
圖3?流變律外推至無(wú)水和水飽和條件以及與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖
相關(guān)成果近期發(fā)表于《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》。李建峰為文章第一作者，宋茂雙研究員為通訊作者。該項(xiàng)研究成果獲得了中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目（B）國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)基金等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
論文信息：Jianfeng Li（李建峰）,Maoshuang Song*（宋茂雙）,Hao Wang（王浩）,Guinan Zhang（張桂男）,Shenghua Mei（梅圣華）,Xiaodong Zheng（鄭小東）,Xiaoning Wang（王曉寧）,Zhexuan Jiang（姜哲軒），2024.?Dislocation creep?of diopside aggregates under unsaturated hydrous conditions at a confining pressure of 300 MPa. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,e2024JB029472
論文鏈接：?https://doi.org/10.1029/2024JB029472
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