上地幔及地幔过渡带结构和成分王毅

(Dziewonski and Anderson, 1981)

Preliminary Reference Earth Model

P wave velocityS wave velocity

Density

0 5 10 150

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

(Dziewonski and Anderson, 1981)

Preliminary Reference Earth Model

P wave velocityS wave velocity

Density

0 5 10 150

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

(Dziewonski and Anderson, 1981)

Preliminary Reference Earth Model

P wave velocityS wave velocity

Density

0 5 10 150

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

上地幔不连续面• 地震学研究可以观测上地幔速度不连续面的结构特征。• 上地幔不连续面是矿物相变造成的， 其结构特征受到地幔温度和化学成分的控制。• 了解地幔的温度，成分以及它们的区域变化对地球动力学有重要意义。

地震学对上地幔速度不连续面的观测1. 路径最低处经过不连续面附近的折射波 三叉波

(Shearer, 2000)

地震学对上地幔速度不连续面的观测1. 路径最低处经过不连续面附近的折射波 三叉波

地震学对上地幔速度不连续面的观测1. 路径最低处经过不连续面附近的折射波 三叉波I. 可以得到从地表到过渡带的完整速度模型。II. 可以去除不连续面深度和浅层速度场之间的互补不确定关系。III. 正演过程无法定量确定误差范围。IV. 某些不连续面特征和紧邻速度场之间存在互补作用V. 得到的是最简化模型VI. 对密度不敏感

地震学对上地幔速度不连续面的观测2. 不连续面上的折射波或者转换波① SS ， PP 的前驱波 可提供最佳的不连续面大尺度地形起伏数据

地震学对上地幔速度不连续面的观测2. 不连续面上的折射波或者转换波① SS ， PP 的前驱波

地震学对上地幔速度不连续面的观测2. 不连续面上的折射波或者转换波② P-SV 转换波（接受函数）③ 不连续面上方或下方的 多次反射波④ PKPPKP 的前波

地震学对上地幔速度不连续面的观测2. 不连续面上的折射波或者转换波⑤ 来自的深源地震的近源 S-P 转换波，近源下表面反射波

地震学对上地幔速度不连续面的观测1. 深度 410 ， 520 ， 660 公里（所有数据） 过渡带厚度 242 公里2. 地形起伏3. 速度和密度变化4. 锐度

上地幔成分1. 上地幔化学组成

MgO FeO CaO SiO2 Al2O3

Pyrolite 47.52% 5.68% 3.21% 37.94% 4.42%

上地幔成分1. 上地幔化学组成

2. 上地幔矿物组成①. 橄榄石系列 Mg2SiO4

(α, β, γ)

②. 石榴石系列 MgSiO3

(OPX, CPX, Garnet)

上地幔相变

Frost, Elements 2008

单斜辉石单斜晶系

石榴子石 (garnet) A3B2[SiO4]3

四方晶系

橄榄石 Olivine正交晶系

尖晶石 (Spinel) AB2O4 • 立方晶系

摩氏硬度 8

Olivine (Mg1-xFex)2SiO4

α: olivine β: wadsleyite

γ : ringwoodite

410 公里深处地震波波速跳变

520 公里深处地震波波速跳变铁方镁石FerropericlaseMg1-xFexO

钙钛矿 Perovskite(Pv)(Mg1-xFex)SiO3

670 公里深处地震波波速跳变

上地幔矿物相变影响因素：温度化学成分矿物组分之间的相互作用

上地幔相变

Mg2SiO4 的温压相变图 (Poirier, 2000)

1. 上地幔相变受到地幔温度和压强的影响

温度对相变和波速的影响

未考虑橄榄石系统和石榴子石系统之间的相互作用

上地幔相变

Mg2SiO4—Fe2SiO4 系统等温相变图 (Poirier, 2000)

2. 上地幔相变受到地幔化学成分的影响

化学成分对相变和波速的影响

未考虑橄榄石系统和石榴子石系统之间的相互作用

例： Al 含量的影响

上地幔相变3. 上地幔相变受到地幔中两种矿物组分之间相互作用的影响

两矿物系统之间的相互作用对相变和波速的影响

上地幔相变4. 上地幔相变受到地幔中水含量的影响

Frost, CIDER 2009

VsVp VsVp

Dry cold Wet

P (Gpa) (Gasparik, 2003)

• 矿物物理模拟（ Weidner & Wang, 1998; Wang et. al., 2006; Wang et. al., 2008 ， Wang et. al., 2009)

1. 矿物稳定分布模型 相平衡数据 2. 每种稳定存在矿物的化学成分 离子分配数据 3. 每种矿物的物理性质

矿物物理模拟方法

矿物物理模拟方法• 温度，化学成分 波速，密度

MgO FeO CaO SiO2 Al2O3

Mole% 47.52 5.68 3.21 37.94 4.42

Pyrolite 模型

矿物物理模拟方法• 对某一特定的压强，温度，化学成分：

相平衡数据 稳定的矿物分布

P (Gpa) (Gasparik, 2003)

矿物物理模拟方法• 对某一特定的温度，压强，化学成分：

相平衡数据 稳定的矿物分布离子分配数据 每种稳定矿物的化学成分，摩尔比例

44.2:90.0:83.0:13.3:67.1:1)(:)(:)(:)(:)(:)( GarnetCPXOPX MgFe

MgFe

MgFe

MgFe

MgFe

MgFe

矿物物理模拟方法• 对某一特定的温度，压强，化学成分：

相平衡数据 稳定的矿物分布离子分配数据 每种稳定矿物的化学成分，摩尔比例每种矿物的弹性物理数据 聚合体的弹性物理数据 聚合体的波速和密度

矿物物理模拟方法• 对某一特定的温度，压强，化学成分：

相平衡数据 稳定的矿物分布离子分配数据 每种稳定矿物的化学成分，摩尔比例每种矿物的弹性物理数据 聚合体的弹性物理数据 聚合体的波速和密度

n

ii

i

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FvK

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1

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1

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