Science Advances:高温高压实验对软流圈成因的新发现

发布者:陆昀乔发布时间:2023-04-17浏览次数:2490


板块构造是地球科学的革命性成果,其重要性比肩物理学的相对论和量子力学以及生命科学的DNA双螺旋。板块构造的前提是冷而硬的岩石圈下方存在相对软的塑性软流圈,但软流圈成因是长期悬而未决的科学难题,是板块构造理论的一朵乌云。软流圈具有低粘度、低波速和高电导特征,任何一个成因模型都需要同时满足这三个方面。学术界长期以来的假设模型是熔体,也就是地幔部分熔融产生的熔体导致了软流圈的形成与相关特征。

电导率对地球内部熔体的含量和分布很敏感,是研究软流圈熔体成因模型的有力切入口。南京大学地球科学与工程学院的杨晓志教授课题组,巧妙设计了一个熔体电导效应测定方案,通过高温高压实验首次发现了熔体的电导效应被严重高估。研究结果表明,由于分布拓扑学效应,地球内部固体-熔体混合体系中少量熔体的电导率较学术界长期以来的理论假设偏低一个数量级左右。要造成地球物理学观测到的软流圈高电导特征,所需要的熔体量远远超出地幔中能稳定存在的由部分熔融所产生的熔体含量。这个重要发现意味着软流圈不是熔体所致,而是与固态组分有关,这为认识软流圈成因和性质(包括软流圈-岩石圈界面等)以及板块构造打开了新的突破口。这同时也为正确认识地球内部任何其他岩石-熔体与岩石-流体体系的导电性奠定了关键基础。

橄榄石-熔体体系中熔体电导率随熔体含量和体系拓扑结构变化管系图。蓝色点为实验测定值,橘黄色点为计算值,数字表示橄榄石颗粒粒度(单位微米)。可以发现,实际电导率远低于模型计算结果(红色和绿色线条)

该工作以“Small effect of partial melt on electrical anomalies in the asthenosphere”为题发表于著名综合性学术刊物《Science Advances》。特任助理研究员刘汉永为论文第一作者,通讯作者杨晓志教授构思、设计、组织了整个项目,耶鲁大学Shun-ichiro Karato教授也部分参与了该研究。这是该课题组近年来在相关学科交叉方向的系列成果之一(部分前期工作包括Yang, 2012 EPSL; Yang & McCammon, 2012 Geology; Yang et al., 2014 EPSL; Yang, 2015 EPSL; Li et al., 2017 GCA; Liu et al., 2021 JGR-Solid Earth)。该研究受国家自然基金项目(4223030141725008)、关键地球物质循环前沿科学中心和中央高校基本科研基金的资助。


文章信息:Liu Hanyong, Yang Xiaozhi*, Karato Shun-ichiro, 2023. Small effect of partial melt on electrical anomalies in the asthenosphere. Science Advances, 9, eabq7884.


原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq7884