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新的研究表明地球的构造板比以前想象的要弱
发布日期:2018-05-15

橄榄石是地球上部地幔中含量最丰富的矿物,包括地球的大部分构造板块。 (照片:玄武岩中的橄榄石捕虏体,John St. James / Flickr)

em宾夕法尼亚大学的新研究为科学家们提供了一个关于橄榄石强度的更好的概念,并对构造板如何形成和移动有所启示。 / em

没有人能够在地球内部旅行,研究那里发生的事情。因此科学家们必须尽最大努力复制实验室内的实际情况。

“我们对大规模的地球物理过程感兴趣,比如板块构造如何启动以及板块在俯冲带之下如何相互移动,”宾夕法尼亚大学副教授大卫戈德斯比说。 “要做到这一点,我们需要了解橄榄石的力学行为,橄榄石是地球上部地幔中含量最丰富的矿物。”

Goldsby与宾夕法尼亚大学的博士生Christopher A. Thom以及来自斯坦福大学,牛津大学和特拉华大学的研究人员合作,现在已经解决了这个研究领域一个长期存在的问题。尽管以前的实验室实验导致对岩石圈地幔中橄榄石强度的广泛不同估计,地球最上层地幔相对较冷并且因此也是强有力的一部分,发表在“科学进展”杂志上的这项新工作通过发现,解决了先前的差异,被测橄榄石的粒径越小,其越强。

由于地幔中的橄榄石比实验室测试的大多数橄榄石样品具有更大的晶粒尺寸,结果表明构成高达95%的地球构造板块的地幔实际上比以前认为的要弱。这种更为真实的内景图可以帮助研究人员了解构造板如何形成,当它们受到例如像夏威夷这样的火山岛的重量时如何变形,甚至是地震如何开始和传播。

40多年来,研究人员试图从实验室实验的结果中预测地球岩石圈地幔橄榄石的强度。但是在实验室里的测试是从地球内部的条件中去除很多层,其中压力较高并且变形率比实验室中慢得多。另一个复杂情况是,在地球岩石圈温度相对较低的情况下,橄榄石的强度非常高,很难在不破坏样品的情况下测量其塑性强度。现有实验的结果差别很大,并且与地球物理模型和观测结果的橄榄石强度预测不符。

为了解决这些差异,研究人员采用了一种称为纳米压痕的技术,用于测量材料的硬度。简而言之,研究人员通过将已知负载施加到与矿物接触的金刚石压头上,然后测量矿物变形程度来测量与其强度有关的材料的硬度。尽管以前的研究采用了各种高压变形设备将样品放在一起并防止它们断裂,但是测量强度的设备具有挑战性,纳米压痕不需要复杂的设备。

“纳米压痕”,Goldsby说,“样品实际上变成了自己的压力容器。压头下方的静水压力可以保持样品的密封性,即使在室温下,样品也可以塑性变形而不会断裂。“

进行800次纳米压痕实验,通过改变压入样品中的金刚石尖端的负荷来改变压痕的大小,研究小组发现,压痕的尺寸越小,越硬,越坚固,橄榄石就变成了。

“这种缩进尺寸效应在许多其他材料中都有出现,但我们认为这是它首次在地质材料中显示出来,”Goldsby说。

回顾先前收集的橄榄石强度数据,研究人员确定这些数据的差异可以通过调用相关的尺寸效应来解释,即橄榄石的强度随着被测样品粒径的减小而增加。如果将这些先前的强度数据与每个研究中的颗粒尺寸作图,那么所有的数据都符合平滑的趋势,这预示了地球岩石圈地幔中低于思考的强度。

Thom,Goldsby及其同事最近在“地球物理研究通讯”杂志上发表的一篇相关论文中,研究人员检查了由于隆起和侵蚀而暴露在地表的断层的粗糙程度。

Thom说:“不同的断层具有相似的粗糙度,最近发表的一个想法是,你可能会得到这些模式,因为断层表面上的材料强度随着粗糙度的减小而增加。”Thom说。 “这些模式和它们引起的摩擦行为可能会告诉我们一些关于地震如何成核和如何传播的信息。”

在今后的工作中,宾夕法尼亚大学的研究人员及其团队希望研究其他矿物的尺寸效应,同时关注温度升高对橄榄石尺寸效应的影响。

Goldsby和Thom与斯坦福大学的Kathryn M. Kumamoto合着了这项研究;牛津大学的David Wallis,Lars N. Hansen,David E. J. Armstrong和Angus J. Wilkinson;和特拉华州的Jessica M. Warren。

这项工作得到了自然环境研究理事会(Grant NE / M000966 / 1)和国家科学基金会(赠款1255620,1464714​​和1550112)的支持。

出版物:Kathryn M. Kumamoto等人,“尺寸效应解决40年橄榄石低温塑性工作中的差异”,科学进展2017年9月13日:Vol。 3,没有。 9,e1701338; DOI:10.1126 / sciadv.1701338

资料来源:宾夕法尼亚大学凯瑟琳昂根贝利