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【前沿報道】Nature:地幔轉換帶冷俯沖板塊的磁學性質研究
2019-08-09 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  莫霍不連續面指地殼和上地幔之間的分界面,由克羅地亞地震學家莫霍洛維奇于1909年發現。傳統觀點認爲,莫霍面同時也是磁性地殼和非磁性地幔之間的磁性不連續分界面。常見的磁性礦物如赤鐵礦(α-Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)等都有一個特殊的轉換溫度,稱爲尼爾溫度(針對赤鐵礦等反鐵磁性礦物)或者居裏溫度(針對磁鐵礦等鐵磁性礦物),在該溫度之上磁性礦物中的電子自旋變得無序排列,使得磁性礦物失去磁性。常壓下赤鐵礦的尼爾溫度爲~675 ,而磁鐵礦的居裏溫度爲~580 。因此,傳統觀點認爲在地幔的高溫環境下磁性礦物是沒有磁性的。均一的無磁性地幔是地磁反演的基礎,然而這一前提假設近來被多項觀測質疑。例如,航磁和衛星磁測結果提供了越來越多的地幔磁異常證據,尤其是在低熱流通量的俯沖帶和克拉通地區(Blakely et al., 2005; Chiozzi et al., 2005)。同時,地幔捕擄體中剩磁的發現(Ferré et al., 2013)也支持地球的磁性界面可能比之前認爲的要深。但是深部磁異常的來源以及他們對磁記錄的貢獻目前還存在很多未知。 

  鐵氧化物轉換溫度高,是深部磁異常最可能的物質來源。磁鐵礦是淺部(<300 km)主要磁性礦物,是洋底地幔橄榄岩蛇紋石化和洋中脊玄武岩熱液轉化的副産物。如果水岩比足夠大,磁鐵礦將進一步氧化爲赤鐵礦,形成幾千米厚的氧化層,其生長僅受洋殼海水滲透率影響。該岩相隨洋殼的俯沖導致鐵氧化物進入地幔。隨深度增加,磁鐵礦的穩定性取決于>10 Gpa>1000 K條件下其分解爲等摩爾赤鐵礦和Fe4O5的情況,二者只有在~20 Gpa條件下才重新結合生成一種新的高壓相磁鐵礦,使得300-600 km處赤鐵礦是主導磁性礦物。然而,由于實驗條件技術限制,對相關溫壓條件下赤鐵礦類質同象間磁性轉換的研究目前還很薄弱。 

  以德國明斯特大學礦物學研究所I. Kupenko教授爲首的研究團隊于20196月在Nature上發表論文,他們對高溫高壓條件下赤鐵礦類質同象間的磁性轉換過程開展詳細研究,結果發現赤鐵礦在冷俯沖地幔溫壓條件下仍能保持磁性,從而在西太平洋區域形成深部磁化岩石區,且發現該深部磁源分布範圍與之前認爲的地磁場倒轉期間地磁極移動路徑吻合,從而對傳統認識提出新的解釋機制,認爲目前觀測到的地磁場倒轉期間地磁極按特定路徑移動的現象可能只是本文新發現的深部磁化岩石造成的假象。 

  Kupenko教授等采用同步穆斯堡爾譜分析與激光加熱相結合的方法研究不同溫壓條件下赤鐵礦類質同象間的磁性轉換,研究溫度範圍爲300-1300 K,壓力高達90 GPa。根據不同溫度和壓力條件下赤鐵礦各類質同象的穆斯堡爾譜可以獲得其超精細參數,通過分析穆斯堡爾超精細參數隨溫度的變化可以推算赤鐵礦各類質同象間的轉換溫度(Tc)。他們采用亞晶格磁化法獲得各類質同象超精細磁場隨溫度的變化,從而推算其尼爾溫度(TN)。該方法計算得到的α-Fe2O3在~19.4 和~25.4 GPa條件下的尼爾溫度分別爲~1190 ~1215 K(圖1a)。他們的結果同時也可以估算赤鐵礦在不同壓力條件下的穆林轉變溫度(TM)。已有研究發現α-Fe2O3的穆斯堡爾四極移參數ε在經過穆林轉變溫度時會減半並改變符號,根據ε隨溫度變化擬合曲線推算出的α-Fe2O3的穆林轉變溫度在~19.4 和~25.4 GPa條件下分別爲~820 和~940 K(圖1b)。這些結果顯示赤鐵礦在地幔轉換帶的壓力條件下,在超過~1200 K的溫度下仍保持磁性,而這樣的低溫只有在板塊俯沖的冷異常區才會出現。 

1 α-Fe2O3的關鍵溫度。a.特定壓力下α-Fe2O3的超精細磁場隨溫度變化,尼爾溫度通過擬合亞晶格磁化法實驗中0.5Tc-0.99Tc之間數據獲得;b.特定壓力下四极移参数ε隨溫度變化,α-Fe2O3ε在經過穆林轉變溫度時會減半並改變符號,從而可以推算穆林轉變溫度(Kupenko et al., 2019 

  爲了進一步研究深部磁性赤鐵礦的賦存狀態及其與深部磁源的關系,作者計算了俯沖帶56條剖面的溫度分布,並與磁性赤鐵礦的穩定磁場進行對比。結果顯示赤鐵礦的尼爾溫度高于SalomonTonga等冷或非常冷俯沖板塊的溫度,而且這些板塊的溫度在300-600 km深度时仍高于赤铁矿的穆林转换温度(圖2)。圖3中標出~500 km深度溫度低于赤鐵礦尼爾溫度的俯沖區域(綠色五角星),大部分俯沖區位于西太平洋,在地幔轉換帶有可能形成電磁弧,很可能是該區域觀測到的磁異常的深部磁源。赤鐵礦的磁信號強度以及它在俯沖岩石中的含量將決定它對觀測到的磁異常的貢獻以及對古地磁記錄的影響。赤鐵礦在低場時可以獲得近飽和的剩磁,~0.5 A m2 kg-1,是等量磁鐵礦感應磁化強度的10-15倍,在低于轉換溫度100 K時僅減少10%。而且,赤鐵礦産生的磁異常可能通過兩種過程被加強:一是赤鐵礦的霍普金森效應,指的是在Tc附近,赤鐵礦感應磁化率有一個急劇增強的變化,且外加磁場越弱,霍普金森效應越明顯,在地球深部相對弱的磁場環境下,在Tc附近赤鐵礦感應磁化率可以增強數個量級。增強的磁化率導致岩石磁導率增加,從而使得地磁場産生的感應磁化強度增強;另外一種方式是赤鐵礦-钛鐵礦系列層狀磁化效應可以産生異常強且穩定的天然剩磁,這種層狀物質的飽和磁化強度可達純赤鐵礦的20倍,同時還保持赤鐵礦的高矯頑力和熱穩定性,但地幔轉換帶處赤鐵礦的钛替代程度以及層狀磁化程度目前仍不清楚。但不管怎樣,這些結果說明,轉換帶處的赤鐵礦含量有可能通過增強天然剩磁和感應磁化強度兩種方式來影響地磁場。 

2  Fe2O3的磁相圖。本文高压下的磁转换温度和van der Woude (1966)常壓下的尼爾和穆林轉換溫度用實心符號表示,中子衍射研究得到的低于4 Gpa時的穆林轉換溫度用空心三角形表示,黑色實線代表數據擬合曲線,相界限定義參考Bykova et al. (2016)ζ-Fe2O3穩定區的黑色陰影代表該相可能的轉換溫度範圍,彩色線顯示俯沖區壓力-溫度關系。結果顯示α-Fe2O3在轉換帶處SalomonTonga等冷或非常冷俯沖板塊區仍保持磁性(Kupenko et al., 2019 

  通常我們通過在地表觀測到的磁場信號來反演地球深部的磁異常,但大部分時候我們觀測到的磁信號不僅受控于來自于地球內核的地磁場偶極分量和內源非偶極場的長波異常,有時還會受部分殼源短波異常的幹擾。因此,只有在主磁場非常弱的情況下,這種轉換帶處含赤鐵礦岩石的天然剩磁貢獻才最容易被觀測到。因此,作者選取了地質時期(11.5-12 ka11 Ma)幾次地磁場倒轉和一次漂移期間的古地磁極位置與轉換帶處冷俯沖板塊位置進行對比研究。之前對沈積物記錄的古地磁研究發現地磁場倒轉期間古地磁極位置有兩條優選路徑:一條位于美洲,另一條跟它對跖,位于歐亞大陸東緣(Laj et al., 1992)。而本文研究结果发现倒转期间西太平洋古地磁极分布区域与地幔转换带處赤铁矿产生的电磁异常区非常吻合(圖3),說明300-600 km的磁化岩石層很可能影響了古地磁信號,使得看起來地磁場有優選的倒轉路徑。因此,作者提出之前發現的地磁場倒轉優選路徑很可能不能反映地磁轉換場的真實形態,而只是地幔轉換帶冷俯沖區域被磁化的含赤鐵礦岩石造成的假象。本文研究發現的深部磁異常或許對如火星這種目前沒有地磁發電機的地外行星的磁學研究非常重要。 

3 磁转换期古地磁极位置分布圖。~500 km深度溫度低于赤鐵礦尼爾溫度的俯沖區域用綠色五角星表示。藍色區域表示這些俯沖區500 kmP-波高速異常。紅色圓點表示所選磁場倒轉期的古地磁極移動路徑,包括上奧杜威倒轉(1.8 Ma)、6.5 Ma 11 Ma的兩次倒轉、Blake事件(11.5-12 Ka)和一次漂移事件(Kupenko et al., 2019 

    

  主要參考文獻 

  Blakely R J, Brocher T M, Wells R E. Subduction-zone magnetic anomalies and implications for hydrated forearc mantle[J]. Geology, 2005, 33(6): 445-448.原文鏈接 

  Bykova E, Dubrovinsky L, Dubrovinskaia N, et al. Structural complexity of simple Fe2O3at high pressures and temperatures[J]. Nature Communications, 2016, 7: 10661.原文鏈接 

  Chiozzi P, Matsushima J, Okubo Y, et al. Curie-point depth from spectral analysis of magnetic data in central–southern Europe[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2005, 152(4): 267-276.原文鏈接 

  Ferré E C, Friedman S A, MartínHernández F, et al. The magnetism of mantle xenoliths and potential implications for subMoho magnetic sources[J]. Geophysical Research Letters, 2013, 40(1): 105-110.原文鏈接 

  Kupenko I, Aprilis G, Vasiukov D M, et al. Magnetism in cold subducting slabs at mantle transition zone depths[J]. Nature, 2019, 570(7759): 102-106.原文鏈接 

  Laj C, Mazaud A, Weeks R, et al. Geomagnetic reversal paths[J]. Nature, 1992, 359(6391): 111-112.原文鏈接 

  Van der Woude F. M?ssbauer effect in α-Fe2O3[J]. Physica Status Solidi,1966, 17: 417–432.原文鏈接 

(撰稿:蔡書慧/岩石圈室、徐慧茹/中國地質大學(武漢))

 
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