探索水对上地幔波衰减的影响

海洋岩石圈构成了海洋下方包括地壳和地幔的顶层，由于其奇特的行为长期以来一直引起科学家的兴趣。该层似乎滑过下面一个较弱的区域，称为软流圈，其特征是衰减高和剪切波速度低。软流圈具有不同的物理特性，例如比岩石圈更低的粘度，从而形成称为岩石圈-软流圈边界(LAB)的清晰边界。这些不同特性背后的确切原因以及它们如何使岩石圈在软流圈上移动尚不清楚。

虽然由于高温而在洋中脊附近发生的部分融化会产生这种异常情况，但它无法解释远离洋中脊的实验室观测到的波速度的急剧和大幅下降。了解海洋 LAB 波速度下降和衰减的起源对于破译软流圈的低粘度以及它如何促进地球表面构造板块的运动，从而引发造山过程、和火山活动至关重要。

在这方面，由冈山大学行星材料研究所吉野隆教授领导的研究小组最近研究了水对无钛橄榄石岩石特性的影响，类似于在软流圈。他们的研究发表在 2023 年 7 月 31 日《美国国家科学院院刊》第 120 卷第 32 期上 。

“我们利用我们的短周期振荡产生技术，通过实验确定了高温高压下波衰减特性以及用于确定岩石圈和软流圈柔软度的参数，”吉野教授解释道。

该团队在类似于旧洋底下 LAB 的条件下研究了橄榄石岩石的滞弹性特性——压力为 3 GPa，温度范围为 1,223 至 1,373 K。他们采用了原位 X 射线监测并对橄榄石岩石进行了机械测试。通过其独特的短周期振荡技术，在广泛的频率(0.5 至 1,000 秒)内产生受迫振动。

实验表明，水具有显着的效果，可以增强能量分散并降低岩石在广泛频率范围内的弹性模量。此外，研究人员在 1 至 5 秒的较高频率下观察到衰减峰值，随着含水量的增加，该峰值变得更加明显。“水的存在会引起较高频率的衰减，导致波速度降低。水的存在也会削弱软流圈，从而使岩石圈能够在其上平稳移动，”吉野教授说。

这些观测结果表明海洋软流圈必定含有水。构成 LAB 的两层之间的含水量差异可以解释速度的急剧下降以及在软流圈的宽频率范围内观察到的近乎恒定的衰减。

值得注意的是，研究人员承认，他们的结论假设铁对岩石中与氢相关的缺陷的影响可以忽略不计，这表明需要进一步研究来探索含铁橄榄石岩石的滞弹性特性。

吉野教授强调了他们的发现的长期影响。“软流圈中水的存在可以为火山和活动提供重要的见解，从而促进它们的预测和检测，”他推测。

总的来说，这项研究有助于我们了解构造板块运动，为更好地理解各种构造活动铺平道路。

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