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文|地渊质
编辑|地渊质
前言
岩石学家、地球化学家和地球动力学家通常通过对橄榄岩的相变关系进行研究来推测地球内部的地质动力学、岩石学和地球化学过程。
地幔的化学异质性使得确定其平均成分变得相当复杂，而这个平均成分在地球科学的广泛问题中有着重要应用。目前由各种研究人员广泛使用的地幔平均成分可以划分为以下三个主要组群。
一些微量元素的浓度差异可能是显著的，第三组由自然橄榄岩的成分组成，其成分与模型原始地幔的成分最为接近。
这类橄榄岩中新鲜、轻微蚀变的变种被广泛用作实验研究的起始成分。目前许多实验研究者使用的一个成分是来自新墨西哥州Kilbourne Hole火山口的尖晶石橄榄岩KLB-1的成分，这个橄榄辉石岩成分最近在热力学模拟中得到应用。
再次对尖晶石橄榄岩KLB-1的相变热力学进行建模，以分析早期地球演化过程中不同地幔层及其界面的矿物学。
使用Perple_X程序包版本6.9.0对尖晶石橄榄岩KLB-1的成分进行了热力学建模，不包含K2O、P2O5、Cr2O5和NiO，在温度600–2000°C和压力0–30 GPa范围内进行了模拟。
使用热力学数据库hp622ver.dat和程序中指定的固溶模型对NCFMAS系统进行了模拟，使用了以下符号：Cpx(JH)、Opx(JH)、Hpx(H)、Gt(H)、Melt(JH)、Mpv(H)、O(JH)、Ring(H)和Wad(H)。
其中，Hpx代表高压榴石辉石，取代了上地幔中的正辉石，Mpv代表镁钙钛矿，也称为Brd，JH代表上地幔在6 GPa以下压力下的模型，H代表深部地幔的模型，包括过渡带和下地幔。
石榴石是上地幔中唯一稳定的矿物，在过渡带中以高密度的majorite相的形式存在，其中可以溶解钠。由于Grt(JH)模型中未包括这个组分，使用了适用于上地幔和过渡带的通用模型Gt(H)。
第一个在较低温度和压力下形成的矿物组合是含有ringwoodite的组合。在现代绝热线上，在对应于地幔过渡带下部的压力范围，普遍存在着含有ringwoodite（不含wadsleyite）的矿物组合。
该边界线在P-T空间中呈负斜率，温度为1850°C，压力为23 GPa，且在深度约660公里处与现代绝热线相交。在较高温度下，ringwoodite不存在，线的斜率变为正值。
沿着不同地温追踪了矿物组合的相变和矿物的模态关系，海洋地温是根据计算的，其中假设60 Ma板块和现代地幔。
对于现代地幔，还计算了对应于45 mW/m2热流和约200 km热岩层厚度的大陆地温。没有计算太古代大陆地温，因为大陆地壳及其岩石圈地幔的厚度、内部结构、热状态和其他参数存在显著的不确定性。
沿现代大陆地温的压力和温度变化不仅显著影响单斜和正交变种辉石的模态含量，还影响矿物的成分。例如，沿地温变化到1350°C时，辉石中的Ca等温线[ХCа = Cа/(Cа Mg)]会变得更加接近，这主要是由于榴辉石成分的变化，因为它溶解了辉石端成员。
类似现象在浅部辉石中的En-Di固溶体分解曲线中也是众所周知的，在较高温度和3–6 GPa以上的压力下，辉石的等温线再次偏离。
榴辉石中玉辉石端成员的含量在8–14 wt %范围内变化，只在较小程度上取决于P–T参数。只有在太古代地温下，在上地幔过渡带中，玉辉石含量急剧增加（高达19 mol %）。
在现代和太古代地温下，密度的变化沿着地温曲线进行了追踪。在地幔过渡带的上下界，分别出现了最显著的密度跃变，分别对应着wadsleyite和bridgmanite的稳定相。
在现代地幔下界的跃变比上界的跃变大一倍，速度更快，并且曲线在ringwoodite变得不稳定的点处出现了一个拐点。而在下界附近，密度变化较为平滑。密度剖面显示太古代地幔过渡带比现代地幔过渡带稍薄。
大多数实验的P-T参数位于上地幔和过渡带的高温区域（T ≥ 1500°C），靠近其与下地幔的边界。
在接近过渡带下界的P-T参数范围内进行的实验数据，其压力不确定性高达1.2 GPa，通常与我们的模型矿物组合非常吻合，但是各个区域之间的边界并不总是严格一致。
新发现的铝硅酸盐相NAl在实验产物中并未被确认，并且在压力高于约22 GPa的实验产物中鉴定出了bridgmanite，对应于地幔过渡带。
计算得到的相图与非常相似，因为两者都是使用相同的热力学数据库和深部矿物的混合模型进行计算的。
两个图之间的差异是因为使用了THERMOCALC程序复合体，其P-T范围较低（T = 1200–2000°C，P = 4–30 GPa），而工作则涉及了较高的P-T范围。
在上地幔中使用了略有不同的辉石和石榴石固溶体模型，差异主要体现在石榴石橄榄辉石岩领域之间的关系上。
Opx Cpx Ol Grt和Hpx Cpx Ol Grt领域的界限在较高温度下，正辉石在绝热线的矿物组合中以微量（不超过3体积%）的形式存在，高压辉石（Hpx）在约8 GPa的压力下替代了正辉石的含量在4–8体积%之间变化，并且在地幔过渡带的压力约14 GPa时变得不稳定。
正辉石的含量主要是通过牺牲石榴石和斜长石在大洋岩石圈中增加，在大陆岩石圈中主要是通过牺牲斜长石来增加。
在计算中，也预测了地幔过渡带中没有ringwoodite的区域，以及与之相关的过渡带和下地幔之间边界线的变化，但并未讨论地幔的这种矿物学特征以及相关的影响。
已经证明石榴石橄榄辉石岩的稳定区域出现在T > 2000°C，比估算高了约700°C。正辉石含量可能达到10体积%。这些计算并不是针对尖晶石橄榄岩KLB-1进行的，而是针对NCFMAS系统中的pyrolite地幔。
为了消除系统化学组分的影响，使用这个出版物中的系统组分在Perple_Х软件复合体进行模拟，完全重现了中的相图，然后使用KLB-1组分计算了一个相图。
这个热力学数据集也预测了ringwoodite停止稳定，并且地幔过渡带和下地幔之间边界线的斜率发生了变化，这条线的拐点出现在T约为1980°C。
在造山带、深海地区和蛇绿岩中，包括石榴石橄榄辉石岩在内的榴辉石岩相对较少见。这些岩石在火山岩中的地幔岩片中也很少见。
在金伯利岩中，地幔橄榄辉石岩片也主要是橄辉榴石岩、辉橄榄岩和较少见的角闪岩。鉴于此，根据尖晶石橄榄辉石岩KLB-1的实验数据和热力学模拟预测的地幔上地幔中广泛存在石榴石橄榄辉石岩。
在Tp = 1550°C（ΔT = 250°C）的温度下，P-T空间中的地温线的位置表明，石榴石橄榄辉石岩可能在太古宙地幔中比现在的地表上发现的这些岩石更为普遍。
如果KLB-1组成确实代表上地幔，那么在地幔岩石中罕见的石榴石橄榄辉石岩可能可以解释为岩石圈地幔地温线的重要变化，这些地温线与绝热线在上地幔中小的温度变化（0.5°C/km）形成鲜明对比。
目前相关热力学数据的可用性使得能够评估Cr（KLB-1：Cr2O3 = 0.31 wt %）和Fe3 （Fe2O3 = 0.3 wt %）在该橄辉岩矿物组合中在压力为6 GPa以下的影响。
例如，向系统中添加最多0.31 wt %的Cr2O3（Cr主要存在于尖晶石、石榴石和斜长石中）几乎不会改变从尖晶石橄榄辉石到石榴石橄榄辉石的P-T参数，但会减小斜长石橄榄辉石的稳定区。
在1100°C时，尖晶石橄榄辉石和石榴石橄榄辉石之间的边界抬高约0.1 GPa，尖晶石和斜长石橄榄辉石之间的过渡区则发生在较低的压力下，较之前降低约0.05 GPa。
这些变化在相图中几乎难以察觉，因为压力变化范围在0到30 GPa之间，但在考虑浅层上地幔的过程时，这些修正应该被考虑进去。
从在简单化学体系中的实验中可以得知，橄辉石- Wadsleyite 相变线是正斜率的，而 Ringwoodite-Bridgmanite相变线（下边界）是负斜率的。
在一个化学复杂的系统中进行的热力学模拟结果与上边界的斜率数据是一致的，但与下边界的斜率数据部分一致。正如上面强调的那样，在1820°C或约1980°C下，地幔过渡带中没有Ringwoodite，这将使得该边界线的斜率由负变为正。
与橄辉石→Wadsleyite相变线相比，与Ringwoodite→Bridgmanite相变线相比，与地幔相变带中的相变有关的相变在地质动力学过程建模中得到了广泛应用，因为对应的P-T空间中斜率（Clapeyron斜率）在很大程度上控制着下沉板块的运动和热柱的上升。
下沉板块的地温带始终比相应的地幔绝热线冷，在橄辉石→Wadsleyite相变线的正斜率下更密集。
与现代绝热线不同，始太古代的绝热线位于P-T空间中地幔过渡带的下边界处，并且因此板块的地温带往往比绝热线温度更冷（高出300°C或更多），它们穿过正斜率的相变线只能在假设的可能性下讨论。在这种情况下，板块应该在地幔过渡带的下边界处额外加速。
地幔柱上升的温度可能比周围地幔高100-400°C，因此地幔柱和板块的地温带应该位于地幔绝热线的不同侧面。在过渡带边界的负斜率下，Ringwoodite在地幔中的形成比周围地幔晚，这将阻碍地幔柱的浮升。
在地幔过渡带的下边界以下，Wadsleyite将被转化为橄榄石，这将有助于地幔柱的上升。相同的效应应该从始太古代一直延续到地幔过渡带的上边界。
结论关于地幔过渡带下边界的弯曲，这是使用各种热力学数据库预测的，与Ringwoodite被majorite石榴石和铁镁橄榄石取代有关。
如果实验证实了热力学数据，这将引起对“始太古代之窗”的关注，对于下地幔柱体，并且全地幔对流的假设将得到额外的支持。
数据可用于进一步研究地幔过程，包括对俯冲和碰撞的数值岩石学热力学模拟。结果适用于spinellherzolite KLB-1的组成，这是目前被许多研究人员广泛使用的，但这些数据可能不适用于其他地幔组成。
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