近日，精密測(cè)量院孫和平院士研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)德克薩斯A&M大學(xué)和燕山大學(xué)等單位合作，基于同步輻射光源超聲測(cè)量碳酸鈣的聲速特性，證實(shí)了少量碳酸鈣的存在可以導(dǎo)致地震學(xué)觀測(cè)的巖石圈中部的低地震波速特性。相關(guān)研究成果于10月17日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《創(chuàng)新-地球科學(xué)》（The Innovation Geoscience） 上。

克拉通是指古老的、穩(wěn)定的大陸塊體，它主要由古代的結(jié)晶基底構(gòu)成，形成的年代大多是在30多億年前。其特點(diǎn)是具有較冷的地溫梯度、貧鐵貧水且存在多種交代變質(zhì)作用。全球的克拉通在60-160 km深度廣泛存在2-10%的低剪切波速降低。造成剪切波速降低的原因通常包含部分熔融、溫度導(dǎo)致的晶界滑移、礦物層狀分布、礦物層狀各向異性和富含低波速的變質(zhì)礦物。但是對(duì)于克拉通而言，其溫度較低，發(fā)生部分熔融和晶界滑移的可能很低。地震波探測(cè)和高溫高壓礦物學(xué)研究表明，此區(qū)域不存在明顯的地震波速各向異性或礦物相變。而變質(zhì)礦物若導(dǎo)致2-10%的剪切波速降低，則需要5-10%的含水礦物或10-15%碳酸巖。而含水礦物的高電導(dǎo)特性使得其含量低于1.5%才滿足大地地磁測(cè)量結(jié)果，10-15%的碳酸巖可能會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域的重力失穩(wěn)。因此，克拉通中部巖石圈低地震波速特性一直懸而未決，成為地震學(xué)、大地測(cè)量學(xué)和高溫高壓礦物學(xué)的國(guó)際研究熱點(diǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)最新發(fā)現(xiàn)的碳酸鈣非晶化特性，在2-5萬(wàn)大氣壓（1GPa=1萬(wàn)大氣壓）和1400 K溫壓范圍內(nèi)開展了碳酸鈣文石相和非晶相的聲速測(cè)量（圖1）。研究結(jié)果表明碳酸鈣保持在晶體文石相（aragonite）時(shí)，其縱波速度為6.0-6.5 km/s，剪切波速度為3.2-3.5 km/s。而非晶相（amorphization）碳酸鈣的聲速明顯分為三段：（1）當(dāng)壓力低于2.5 萬(wàn)大氣壓時(shí)，非晶相碳酸鈣的縱波速度略低于晶體相，而剪切波速度與晶體相相同；（2）當(dāng)壓力在2.5-3.5萬(wàn)大氣壓時(shí)，非晶相碳酸鈣發(fā)生了劇烈的軟化，其縱波速度和剪切波速度分別降低35%和52%；（3）當(dāng)壓力大于3.5萬(wàn)大氣壓后，非晶相碳酸鈣的聲速隨壓力增加而增加。整個(gè)壓力范圍內(nèi)，研究未觀察到聲速的溫度效應(yīng)，可能原因是所測(cè)溫度范圍較窄。

文石相（aragonite）和非晶相（amorphization）碳酸鈣聲速隨溫度和壓力的變化關(guān)系

高溫高壓熔融實(shí)驗(yàn)研究證明含碳酸巖的榴輝巖和橄欖巖其熔體在3-5萬(wàn)大氣壓時(shí)主要是碳酸鈣，起源于克拉通60 km深度的包裹體也證明所含碳酸巖主要是碳酸鈣。碳酸鈣在克拉通中部巖石圈可以穩(wěn)定存在，且在70 km（所對(duì)應(yīng)的壓力約為2.5萬(wàn)大氣壓）及以下深度以非晶相存在。如果克拉通巖石圈含有1-2%的碳酸鈣，則會(huì)產(chǎn)生地震學(xué)上觀測(cè)到的2-10%剪切波速降低，且符合大地測(cè)量學(xué)和地球化學(xué)的約束。研究團(tuán)隊(duì)分析認(rèn)為，考慮到克拉通地溫梯度的多變性及由此導(dǎo)致的碳酸鈣非晶相變和彈性軟化，少量碳酸鈣的存在是導(dǎo)致低剪切波速的重要候選機(jī)制（圖2）。

非晶碳酸鈣在克拉通的穩(wěn)定區(qū)間（A圖）

非晶碳酸鈣導(dǎo)致的克拉通中部巖石圈地震波速間斷示意圖（B圖）

該研究以“Evidence for amorphous calcium carbonate originated mid lithospheric discontinuities”為題發(fā)表在The Innovation Geoscience上。精密測(cè)量院研究員侯明強(qiáng)為文章第一作者，論文的共同第一作者是美國(guó)卡內(nèi)基研究院地球和行星實(shí)驗(yàn)室的博士后Ming Hao，論文的通訊作者包括美國(guó)德克薩斯A&M大學(xué)教授Jin Zhang和燕山大學(xué)教授劉錦。

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及美國(guó)自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-geo.2024.100098