玄武岩玻璃在深地幔压力下的声速特性及其对地幔岩浆演化的启示

本研究通过布里渊散射（BLS）和脉冲受激光散射（ISLS）技术，首次报道了玄武岩玻璃（Na0.036Ca0.220Mg0.493Fe0.115Al0.307Ti0.012K0.002Si0.834O3）在63 GPa高压下的纵波（VP）和横波（VS）速度。研究发现Al2O3可提升声速而FeO和CaO降低声速，这对理解深部地幔（~1500 km）玄武质熔体的地震波特征具有重要启示。

　　

玄武岩玻璃在深地幔压力下的声速特性研究

研究方法与技术突破

采用布里渊散射（BLS）和脉冲受激光散射（ISLS）技术，结合金刚石压砧（DAC）装置，首次实现了玄武岩玻璃在63 GPa高压下的纵波（V_P）和横波（V_S）速度同步测量。实验使用成分为Na_0.036Ca_0.220Mg_0.493Fe_0.115Al_0.307Ti_0.012K_0.002Si_0.834O₃的玄武岩玻璃样品，在CO/CO₂混合气体炉中1873 K条件下熔融淬火制备。

声速变化的压力响应

在0-2.4 GPa低压区间，V_S和V_P出现反常下降，从初始的3.82±0.03 km/s和6.92±0.03 km/s分别降至3.70±0.03 km/s和6.86±0.03 km/s。这种"软化"现象归因于硅氧四面体环结构坍塌和Si-O-Si键角减小。当压力升至2.4-62.8 GPa时，声速呈现凸型上升趋势，V_S从3.70增至5.28 km/s，V_P从6.86增至11.62 km/s。特别在38±3 GPa附近出现拐点，声速-压力曲线斜率明显变缓，这与硅配位数从4配位向6配位转变的结构重组过程相关。

组分对声速的影响机制

通过对比MgSiO₃玻璃数据发现：

1. 添加20.5 mol.% Al₂O₃可使V_S和V_P分别提高6.8%和5.5%

2. FeO和CaO组分则降低声速，12 mol.% FeO可使V_S降低5.5%

3. 玄武岩玻璃中Al₂O₃的正效应强于FeO/CaO的负效应

   在45-63 GPa高压区间，含Al₂O₃较高的样品呈现更平缓的声速-压力曲线，表明Al₂O₃能降低材料的压缩性。

结构演变的弹性响应

泊松比（ν）在0-31.4 GPa从0.28单调增至0.35，反映硅配位数增加导致的网络结构致密化。高于31.4 GPa后ν趋于稳定，与SiO₂玻璃的转变规律相似。减压实验显示31.4-62.8 GPa区间结构变化可逆，而低于31.4 GPa则出现不可逆声速变化，最大差异达0.49 km/s（V_S）和1.40 km/s（V_P），这与中间程有序结构的永久改变有关。

地幔岩浆演化的启示

作为玄武质熔体的类比物，研究推测深部地幔（~1500 km）熔体中：

1. 13-30 mol.% Al₂O₃会显著提升熔体声速

2. 15-22 mol.% FeO会部分抵消这种效应

3. 组分协同作用可能使玄武质熔体与周围地幔的波速/密度差异减小

   这解释了为何某些深部熔体在地震观测中"隐形"的现象，为理解地幔化学不均一性提供了实验依据。