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仪表网 研发快讯】近日，精密测量院孙和平院士研究团队与美国德克萨斯A&M大学和燕山大学等单位合作，基于同步辐射光源超声测量碳酸钙的声速特性，证实了少量碳酸钙的存在可以导致地震学观测的岩石圈中部的低地震波速特性。相关研究成果于10月17日发表在国际知名期刊《创新-地球科学》(The Innovation Geoscience) 上。
克拉通是指古老的、稳定的大陆块体，它主要由古代的结晶基底构成，形成的年代大多是在30多亿年前。其特点是具有较冷的地温梯度、贫铁贫水且存在多种交代变质作用。全球的克拉通在60-160 km深度广泛存在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、温度导致的晶界滑移、矿物层状分布、矿物层状各向异性和富含低波速的变质矿物。但是对于克拉通而言，其温度较低，发生部分熔融和晶界滑移的可能很低。地震波探测和高温高压矿物学研究表明，此区域不存在明显的地震波速各向异性或矿物相变。而变质矿物若导致2-10%的剪切波速降低，则需要5-10%的含水矿物或10-15%碳酸岩。而含水矿物的高电导特性使得其含量低于1.5%才满足大地地磁测量结果，10-15%的碳酸岩可能会导致该区域的重力失稳。因此，克拉通中部岩石圈低地震波速特性一直悬而未决，成为地震学、大地测量学和高温高压矿物学的国际研究热点。
研究团队针对最新发现的碳酸钙非晶化特性，在2-5万大气压(1GPa=1万大气压)和1400 K温压范围内开展了碳酸钙文石相和非晶相的声速测量(图1)。研究结果表明碳酸钙保持在晶体文石相(aragonite)时，其纵波速度为6.0-6.5 km/s，剪切波速度为3.2-3.5 km/s。而非晶相(amorphization)碳酸钙的声速明显分为三段：(1)当压力低于2.5 万大气压时，非晶相碳酸钙的纵波速度略低于晶体相，而剪切波速度与晶体相相同；(2)当压力在2.5-3.5万大气压时，非晶相碳酸钙发生了剧烈的软化，其纵波速度和剪切波速度分别降低35%和52%；(3)当压力大于3.5万大气压后，非晶相碳酸钙的声速随压力增加而增加。整个压力范围内，研究未观察到声速的温度效应，可能原因是所测温度范围较窄。
文石相(aragonite)和非晶相(amorphization)碳酸钙声速随温度和压力的变化关系
高温高压熔融实验研究证明含碳酸岩的榴辉岩和橄榄岩其熔体在3-5万大气压时主要是碳酸钙，起源于克拉通60 km深度的包裹体也证明所含碳酸岩主要是碳酸钙。碳酸钙在克拉通中部岩石圈可以稳定存在，且在70 km(所对应的压力约为2.5万大气压)及以下深度以非晶相存在。如果克拉通岩石圈含有1-2%的碳酸钙，则会产生地震学上观测到的2-10%剪切波速降低，且符合大地测量学和地球化学的约束。研究团队分析认为，考虑到克拉通地温梯度的多变性及由此导致的碳酸钙非晶相变和弹性软化，少量碳酸钙的存在是导致低剪切波速的重要候选机制(图2)。
非晶碳酸钙在克拉通的稳定区间(A图)；非晶碳酸钙导致的克拉通中部岩石圈地震波速间断示意图(B图)
该研究以“Evidence for amorphous calcium carbonate originated mid lithospheric discontinuities”为题发表在The Innovation Geoscience上。精密测量院研究员侯明强为文章第一作者，论文的共同第一作者是美国卡内基研究院地球和行星实验室的博士后Ming Hao，论文的通讯作者包括美国德克萨斯A&M大学教授Jin Zhang和燕山大学教授刘锦。
该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划以及美国自然科学基金等项目的资助。
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