JGR：富鐵橄欖石中的顯微結構演化
綦超等-JGR：富鐵橄欖石中的顯微結構演化
橄欖石的流變性質影響著地球和太陽系內其他行星上的多種地質過程。過去的實驗研究發現橄欖石的流變不僅取決於應力、溫度、圍壓、氧逸度、熔體含量、水含量等熱力學參數，也受晶粒尺寸和顯微結構所影響。過去對於此問題的研究主要聚焦於與地球地幔天然橄欖石成分相近的富鎂橄欖石。然而橄欖石作為壹種固溶體，它的成分可以從純鎂矽酸鹽（Mg 2 SiO 4 ，Fo）變化到純鐵矽酸鹽（Fe 2 SiO 4 ，Fa）。地球地幔中的橄欖石平均成分為Fo 90 （純鎂橄欖石占90 mol.%），而火星地幔中橄欖石的成分約為Fo75 到FoFo 77 。此外，富鐵橄欖石Fo 50 ，因其更容易在實驗室條件下變形，常常被用作模擬天然橄欖石。然而，鐵含量對橄欖石顯微結構演化的影響卻缺乏深入的研究。
中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室的綦超副研究員，聯合北京大學趙永紅教授、美國明尼蘇達大學Kohlstedt教授和Zimmerman研究員、韓國極地研究所金大旲研究員，對壹系列不同鐵含量的橄欖石樣品進行了高溫高壓變形實驗，並分析了變形後樣品的顯微結構，旨在揭示鐵含量對晶格優選定向（CPO）和晶粒尺寸的影響，為變形與結構之間的耦合關系提供更進壹步的理解。
研究發現，隨著應變的增長，CPO從(010)[100]和(001)[100]兩個滑移系的位錯滑移所產生的D型組構，變為(010)[100]滑移系的位錯滑移所產生的A型組構。這壹CPO的演化與Fo 90 相似，同時和鐵含量無關。基於CPO的地震波各向異性分析也發現，不同鐵含量的樣品在剪切應變達到3.5之後，會達到相同的徑向各向異性的最大值~1.15。這壹結果說明利用富鐵橄欖石中產生的CPO來模擬地幔橄欖石的地震波各向異性是可行的。同時也說明，應用在地球富鐵橄欖石上的地震波各向異性的研究方法，可以應用於富鐵的火星地幔。這壹研究為使用地球上的研究手段來研究火星地震數據提供了支持。
圖2 （a）CPO強度和（b）徑向各向異性隨著剪應變的演化。橙色是Fo 70 ，綠色是Fo 50 ，藍色是Fo 0 。實心圓和實線為不含水條件，空心圓和間斷線為含水條件
成果發表於國際權威學術期刊JGR: Solid Earth （綦超, 趙永紅, Zimmerman M E, KimD, Kohlstedt D L. Evolution of microstructural properties in sheared iron-richolivine[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2021,126(3): e2020JB019629. DOI:10.1029/2020JB019629）。本研究受中國科學院地質與地球物理研究所重點自主部署項目、國家重點研發項目、韓國極地研究所研究項目、美國自然科學基金等資助。
校對：張崧 王海波