探索水對上地幔波衰減的影響

海洋巖石圈構(gòu)成了海洋下方包括地殼和地幔的頂層，由于其奇特的行為長期以來一直引起科學(xué)家的興趣。該層似乎滑過下面一個較弱的區(qū)域，稱為軟流圈，其特征是衰減高和剪切波速度低。軟流圈具有不同的物理特性，例如比巖石圈更低的粘度，從而形成稱為巖石圈-軟流圈邊界(LAB)的清晰邊界。這些不同特性背后的確切原因以及它們?nèi)绾问箮r石圈在軟流圈上移動尚不清楚。

雖然由于高溫而在洋中脊附近發(fā)生的部分融化會產(chǎn)生這種異常情況，但它無法解釋遠(yuǎn)離洋中脊的實驗室觀測到的波速度的急劇和大幅下降。了解海洋 LAB 波速度下降和衰減的起源對于破譯軟流圈的低粘度以及它如何促進(jìn)地球表面構(gòu)造板塊的運動，從而引發(fā)造山過程、和火山活動至關(guān)重要。

在這方面，由岡山大學(xué)行星材料研究所吉野隆教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最近研究了水對無鈦橄欖石巖石特性的影響，類似于在軟流圈。他們的研究發(fā)表在 2023 年 7 月 31 日《美國國家科學(xué)院院刊》第 120 卷第 32 期上 。

“我們利用我們的短周期振蕩產(chǎn)生技術(shù)，通過實驗確定了高溫高壓下波衰減特性以及用于確定巖石圈和軟流圈柔軟度的參數(shù)，”吉野教授解釋道。

該團(tuán)隊在類似于舊洋底下 LAB 的條件下研究了橄欖石巖石的滯彈性特性——壓力為 3 GPa，溫度范圍為 1,223 至 1,373 K。他們采用了原位 X 射線監(jiān)測并對橄欖石巖石進(jìn)行了機(jī)械測試。通過其獨特的短周期振蕩技術(shù)，在廣泛的頻率(0.5 至 1,000 秒)內(nèi)產(chǎn)生受迫振動。

實驗表明，水具有顯著的效果，可以增強(qiáng)能量分散并降低巖石在廣泛頻率范圍內(nèi)的彈性模量。此外，研究人員在 1 至 5 秒的較高頻率下觀察到衰減峰值，隨著含水量的增加，該峰值變得更加明顯。“水的存在會引起較高頻率的衰減，導(dǎo)致波速度降低。水的存在也會削弱軟流圈，從而使巖石圈能夠在其上平穩(wěn)移動，”吉野教授說。

這些觀測結(jié)果表明海洋軟流圈必定含有水。構(gòu)成 LAB 的兩層之間的含水量差異可以解釋速度的急劇下降以及在軟流圈的寬頻率范圍內(nèi)觀察到的近乎恒定的衰減。

值得注意的是，研究人員承認(rèn)，他們的結(jié)論假設(shè)鐵對巖石中與氫相關(guān)的缺陷的影響可以忽略不計，這表明需要進(jìn)一步研究來探索含鐵橄欖石巖石的滯彈性特性。

吉野教授強(qiáng)調(diào)了他們的發(fā)現(xiàn)的長期影響。“軟流圈中水的存在可以為火山和活動提供重要的見解，從而促進(jìn)它們的預(yù)測和檢測，”他推測。

總的來說，這項研究有助于我們了解構(gòu)造板塊運動，為更好地理解各種構(gòu)造活動鋪平道路。

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