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基于秋本石和其他矿物的弹性数据对多个660不连续面的解释和下地幔温度成分的反演

基于秋本石和其他矿物的弹性数据对多个660不连续面的解释和下地...

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作者：郝尚钦中国科学技术大学

学位级别：硕士

探究地球内部的温度和成分分布是固体地球物理学的一个重要课题。第一性原理计算得到的矿物高温高压下的弹性数据可以达到和实验相比拟的准确度。结合这些弹性数据和地震学的研究结果,可以对地球深部的成分和温度获得更多认识。我们利... 详细信息

探究地球内部的温度和成分分布是固体地球物理学的一个重要课题。第一性原理计算得到的矿物高温高压下的弹性数据可以达到和实验相比拟的准确度。结合这些弹性数据和地震学的研究结果,可以对地球深部的成分和温度获得更多认识。我们利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,得到了高温高压条件下秋本石的状态方程和弹性性质。计算结果与实验数据吻合很好。结合秋本石和其他矿物的弹性数据,我们计算了由秋本石相关的相变引起的VP、VS和密度变化。秋本石到布里奇曼石的相变会导致VP和VS分别增加4.6%和8.3%,仅为超硅石榴石到秋本石相变的二分之一左右。此外,由于超硅石榴石到秋本石以及秋本石到布里奇曼石的相变都具有很宽的相界,所以这两个相变可能难以解释俯冲带区域660 km深度附近的多个不连续面。最近的研究表明,在冷的俯冲板块中,辉石和石榴石转变为超硅石榴石的过程会被强烈抑制。镁铝榴石会在660 km深度以下分解为布里奇曼石和刚玉,并且该相变具有尖锐的相界和很大的波速和密度跳变。因此,对于俯冲板块中700-750 km深度处的不连续面,镁铝榴石的分解是一个更为合理的解释。此外,在低温下600 km左右的深度,斜方辉石高压相向秋本石的相变可使VP、VS和密度分别增加10.1%、14.8%和9.9%,这可能可以解释部分俯冲板块在该深度的不连续面。与此同时,在地幔过渡带底部,秋本石的各向异性明显高于其它主要矿物,因此一些俯冲板块在该深度出现的地震波各向异性很可能来自于秋本石的晶格优选定向排列。利用第一性原理计算得到的下地幔主要矿物的高温高压弹性数据,并结合地震层析成像模型,我们采用马尔科夫链蒙特卡洛方法反演了下地幔的三维矿物成分和温度分布。主要反演的参数为下地幔的温度,主要矿物铁方镁石、布里奇曼石、后钙钛矿和钙钙钛矿的的质量分数以及相应的铁含量。经过对反演参数范围、反演步长、步数和频率分布的测试,我们得到了最终的结果。一维平均结果显示,下地幔的温度明显高于绝热地温线,尤其在核幔边界温度很高。下地幔的铁方镁石的质量分数和Mg/Si在800至2000 km深度逐渐变小,从2000 km到核幔边界又逐渐增大。进一步地,我们具体分析了大低剪切波速省(LLSVP)与周围区域反演结果的区别。对于深度为2800 km的剖面,LLSVP相比周围区域具有很强的高温异常,对应温度偏高的是含量偏低的后钙钛矿和含量偏高的布里奇曼石。另外,LLSVP密度略高,铁含量明显偏高。沿25°S的纵截面的结果和以上结果类似,但LLSVP上部的密度偏低,与2800 km的结果相反。

关键词：第一性原理计算高温弹性秋本石多个660不连续面马尔科夫链蒙特卡洛反演层析成像模型大低剪切波速省

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