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大洋岩石圈-软流圈边界（LAB）形成机制的关键揭示：水对土地幔地震波衰减的控制作用
本文首先介绍了一项发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的重要研究。该研究由Okayama大学行星物质研究所（Institute for Planetary Materials, Okayama University）的刘超（Chao Liu，第一兼通讯作者）、Takashi Yoshino（通讯作者）以及来自日本同步辐射研究所（Japan Synchrotron Radiation Research Institute）、东京大学（The University of Tokyo）等多个机构的合作者共同完成。研究论文于2023年7月31日正式在线发表，标题为《水对土地幔地震衰减的影响：岩石圈-软流圈边界（LAB）尖锐边界的起源》（Effect of water on seismic attenuation of the upper mantle: the origin of the sharp lithosphere–asthenosphere boundary），论文识别码为 e2221770120。
研究的学术背景聚焦于固体地球物理学和矿物物理学领域。板块构造理论是理解地表山脉形成、地震和火山活动等现象的统一框架。然而，促使大洋岩石圈能够相对于其下方的软流圈发生相对运动的机制尚不完全清楚。地震学观测表明，软流圈是一个以低地震波速和高地震波衰减为特征的力学薄弱层。尤其关键的是，在远离洋中脊的古老大洋板块下方，地震波在岩石圈-软流圈边界（LAB）处存在一个急剧的剪切波速度下降（约5-10%）。这一“尖锐”边界难以用纯粹的冷却板块模型来解释，因为该深度的温度不足以引发水不饱和橄榄岩的部分熔融。先前研究曾探讨晶粒尺寸、部分熔融等机制，但在解释远离洋中脊的古老海洋LAB处的观测时面临挑战。同时，地球化学证据表明大洋中脊玄武岩（MORB）源区的地幔含有可观的水（约50-200重量ppm）。水已知会显著影响地幔矿物的流变学性质，但其对土地幔，特别是在LAB深度条件下地震波传播特性的具体影响，尚缺乏直接、可靠的实验约束。因此，本研究旨在实验测定水含量对模拟土地幔主要矿物——橄榄石集合体（实验中使用其镁端元矿物镁橄榄石，forsterite）在宽频带地震频率范围内的非弹性（anelastic）性质（即衰减和模量）的影响，以期揭示水在塑造大洋LAB尖锐地震学特征中的关键作用，并解释软流圈的低粘性如何促进板块运动。
研究的详细工作流程分为多个严密的步骤，涉及样品制备、高温高压原位实验、样品后分析以及数据建模。
第一步：样品制备与表征。 为了孤立研究水的影响，研究团队选择了无铁的镁橄榄石体系，以避免铁和氧逸度的复杂干扰。他们合成了具有不同水含量和晶粒尺寸的样品。制备方法分为几种：1） 干样品：在真空炉中高温烧结氧化硅和氢氧化镁混合物，获得水含量极低（<2重量ppm）的细晶样品。2） **含水样品**：在Kawai型多砧压机中，于3 GPa高压下，分别在铂（Pt）和铁（Fe）胶囊中烧结样品，获得了水含量分别为约140±30和70±20重量ppm的样品。3）**高含水、粗晶样品**：以滑石为水源，在4 GPa和水饱和条件下合成粗晶（>100 μm）样品，然后在较低压力（3 GPa）下烧结以避免脱水。所有样品均含有5 mol%的顽火辉石（enstatite），以模拟土地幔的硅缓冲条件并抑制实验过程中晶粒生长。实验前，对所有样品进行了初始晶粒尺寸和红外光谱分析，以确定其初始水含量和微观结构。
第二步：高温高压原位循环加载实验。 这是本研究的核心创新实验环节。团队在日本大型同步辐射设施SPring-8的BL04B1光束线站，利用改造后的变形-金刚石压腔（D-DIA press）结合短周期循环加载系统，进行了原位X射线观测的非弹性测量。这套由本研究团队开发和完善的实验系统是关键所在。其新颖之处在于：1） 宽频带加载能力：加载系统可以产生覆盖地震频带（0.5秒至1000秒周期）的受控机械振荡。2） 高压条件：实验在高达15 GPa的压力下进行，本研究采用3 GPa，以精确对应约90公里深度的LAB压力条件。3） 原位X射线监测：实验腔体内并列放置待测样品和一个已知的理想弹性参考材料（本研究使用柔性石墨Perma-foil）。通过同步辐射X射线透射成像技术，实时监测循环加载过程中样品和参考材料的应变变化。4） 精准参数提取：通过分析参考材料与样品之间应变的相位差，可以计算出表征能量损失的衰减因子（Q⁻¹）；通过分析它们的应变振幅比，可以推算出杨氏模量之比，进而结合已知的体弹模量参数转换为剪切模量（G）。实验在3 GPa恒定压力下进行，沿着从1373 K到1173 K的冷却路径测量不同振荡周期下的Q⁻¹和G，以避免加热过程中样品脱水和晶粒生长。为了验证实验结果的线性（即应力与应变成比例，这对应用线性粘弹性理论外推到地震应变水平至关重要），团队还专门进行了线性度测试，证实了在实验应变幅度下，Q⁻¹和G与应变幅度无关。
第三步：实验后样品分析。 完成循环加载实验后，对回收的样品进行再次表征，以评估实验过程中样品性质的变化。1） 水含量分析：使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）测定样品实验前后的水含量。结果表明，高压下合成的含水样品水含量在实验前后基本保持不变；而常压合成的干样品在高压实验过程中从周围环境中吸收了水，但在振荡测量开始前已达到平衡。所有含水样品的红外光谱均显示出来自硅空位的特征吸收峰（3612和3579 cm⁻¹），没有分子水的宽峰，表明水是以晶格缺陷（点缺陷）形式存在。2） 晶粒尺寸分析：利用电子背散射衍射（EBSD）技术测量实验后样品的平均晶粒尺寸。结果显示，高压合成的含水样品晶粒尺寸基本稳定，而干样品由于实验初期的水化作用发生了晶粒生长（从3 μm增至6 μm）。在后续数据分析中，采用回收样品的晶粒尺寸进行拟合。
第四步：数据分析与建模。 获得原始的衰减和模量数据后，研究团队进行了深入分析。他们使用改进的广义伯格斯模型（modified generalized Burgers model）对实验数据进行拟合。该模型能够分离和量化不同弛豫机制对非弹性行为的贡献。具体而言，他们识别出两种主要的机制：一种是扩散辅助的晶界滑动（Diffusion-assisted grain-boundary sliding, DGBS），表现为随振荡周期单调增加的衰减背景；另一种是在含水样品中观察到的、出现在短周期（~1-5秒）的“衰减峰”。通过全局拟合，他们评估了水含量对DGBS弛豫强度（用参数r表示）和衰减峰高度（δp）的影响，并确定了相关的激活能和频率依赖指数等参数。基于这些拟合得到的物理参数，他们构建了不同水含量和晶粒尺寸条件下的理论衰减谱和速度模型。
研究的主要结果内容丰富且逻辑连贯，逐步揭示了水的作用。
在样品表征方面，红外光谱和晶粒尺寸数据为后续的非弹性行为解释提供了物质基础。特别是确认了样品中水的赋存状态和实验后水含量的稳定性，保证了实验结果反映的是特定水含量的真实效应。
在循环加载实验结果方面，数据清晰显示了水对橄榄石集合体非弹性性质的显著影响。1） 对于相对干的样品，剪切模量（G）随振荡周期增加而单调下降，衰减因子（Q⁻¹）则单调上升，这与之前对无水橄榄石的研究结果一致，主要归因于DGBS机制。2） 对于含水样品，除了观察到更强的DGBS背景衰减外，一个关键的发现是在较短的振荡周期（约1到5秒）出现了一个明显的“衰减峰”。该衰减峰的高度随着水含量的增加而显著增强。同时，含水样品的剪切模量（G）整体上比干样品更低。这些观测直接证明，水能够增强镁橄榄石集合体的非弹性，并在地震高频段产生额外的衰减机制。
在机制讨论方面，研究排除了晶粒尺寸是产生该衰减峰的主要原因，因为不同晶粒尺寸样品的衰减峰位置基本不变，这与弹性调节晶界滑动（EGBS）的理论预测不符。他们提出两种可能机制：一是与含水条件下晶界可能发生的“预熔”（premelting）现象有关；二是可能与橄榄石晶体内部氢缺陷的扩散引起的晶内弛豫过程相关。无论具体机制如何，实验明确证实了水是诱发这一高频衰减峰的关键因素。
在模型预测与地震观测对比方面，这是研究的亮点。团队利用拟合得到的参数，计算了在对应于古老海洋LAB温度（约1273 K）下，具有不同水含量和晶粒尺寸的橄榄石集合体的理论衰减谱（Q⁻¹ vs. 频率）。他们将此理论谱与西北太平洋地区（大洋板块年龄130-140百万年）通过地震学方法反演得到的岩石圈和软流圈固有衰减数据进行了对比。结果显示：干的、细晶岩石圈模型 预测的衰减具有强烈的频率依赖性，低频衰减强而高频衰减弱，这与地震学观测到的岩石圈衰减特征相符。而含水的（>100重量ppm H₂O）、相对粗晶的软流圈模型 则能够产生一个在宽频带（从短周期约1秒到长周期数百秒）内近乎“频率无关”的高衰减平台，这恰恰与地震学观测到的软流圈衰减特征吻合。模型表明，除非考虑极不可能的负晶粒尺寸效应，否则干燥的模型无论如何调整晶粒尺寸，都无法在高频段产生与观测匹配的高衰减值。因此，研究有力地论证了：只有软流圈保留了相当数量的水（>100重量ppm H₂O），才能解释观测到的频率无关的衰减特征。
此外，研究还计算了在10秒地震周期（对应接收函数研究的典型周期）下，水含量对剪切波速度（Vs）的影响。模型预测表明，如果岩石圈水含量很低（重量ppm），而软流圈水含量较高（如150重量ppm），那么在LAB处可以产生5-10%的Vs降，这与地震学观测到的LAB处的尖锐速度下降幅度完全一致。这个水含量范围也与地球化学估算的MORB源区地幔水含量（50-200重量ppm）相符。考虑到氢的扩散速率较慢，在板块年龄（如1亿年）内，水含量的这种急剧变化可以在LAB处得以保持，形成清晰的地震学界面。
研究的结论非常明确且具有重要科学意义。研究得出结论，在远离洋中脊的古老大洋板块下方，观测到的岩石圈-软流圈边界（LAB）处的尖锐剪切波速度下降和衰减增强，主要是由岩石圈和软流圈之间水含量的突然增加所引起的。 大洋软流圈能够保留一定量的水（来自MORB源区），而大洋岩石圈则在洋中脊下方的减压熔融过程中于约70公里深度处完全失水。随着板块年龄增长，LAB的成因从洋中脊附近的熔体层主导，逐渐转变为由岩石圈与软流圈之间的水含量差异主导。水的存在显著增强了软流圈的非弹性（高频衰减和模量降低），从而降低了其有效粘度，使得岩石圈能够更顺畅地在软流圈上移动。这为理解板块构造的驱动机制——即软流圈如何起到“润滑层”的作用——提供了一个基于实验的、量化的物理解释。
本研究的亮点突出。重要发现方面：首次通过高温高压实验直接证实，水可以在模拟土地幔条件下，于地震频带内诱导橄榄石产生一个高频衰减峰，并普遍增强其非弹性。这一发现将地幔水与地震波衰减的微观机制直接联系起来。方法新颖性方面：自主发展并应用了基于同步辐射光源的短周期循环加载与原位X射线观测联用技术，实现了在地幔温压条件下对矿物集合体宽频带非弹性性质的精确测量，这是技术上的重大突破。研究目标的特殊性：精准地将实验条件（3 GPa， 1273 K）设定为古老海洋LAB的典型深度，使实验结果能直接用于解释全球尺度的重要地球物理学观测，实现了从微观矿物物理到宏观地球物理的跨越。
其他有价值的方面包括：研究团队公开了用于数据拟合的广义伯格斯模型代码（发布于GitHub），促进了研究的可重复性和后续发展。同时，他们也指出了研究的局限性，例如目前使用的是无铁的镁橄榄石体系，而天然地幔橄榄石含铁，未来需要研究含铁含水橄榄石的非弹性性质以完善模型。尽管如此，本研究无疑为理解地球内部水循环、地幔流变学以及板块构造动力学提供了至关重要的实验证据和理论框架。