镁橄榄石扩散蠕变及其晶粒尺寸效应：来自高精度气体介质变形实验的新约束

《Minerals》：Diffusion Creep of Forsterite and Its Grain Size Effects: New Constraints from High-Precision Gas-Medium Deformation Experiments

　　

橄榄石作为(Mg, Fe)2SiO4固溶体，主导地球的上地幔塑性流动。尽管针对天然富橄榄石岩石已有广泛研究，其镁端元镁橄榄石（Fo）的流变学仍缺乏充分约束，尤其是扩散蠕变方面。研究人员通过无压烧结合成高纯度（≥98 vol.%）、无铁镁橄榄石集合体，并在300 MPa围压、1423–1523 K温度、50–380 MPa差应力下，于高应力精度Paterson气体介质装置中进行轴向压缩实验。结果表明应力指数n = 1.0 ± 0.09，活化能Q = 365 ± 22.7 kJ/mol，晶粒尺寸指数p = 2.9 ± 0.23，证实上述条件下镁橄榄石以扩散蠕变变形。晶粒尺寸指数接近Coble蠕变理论值3，表明晶界扩散为速率控制机制。与既往镁橄榄石及天然橄榄石研究相比，该流变律与橄榄石扩散蠕变活化能吻合良好，且给出了更精细的晶粒尺寸指数估计。关键的是，因样品为化学合成、无铁且缺乏天然橄榄石中促进缺陷生成的微量杂质，其强度高于天然含铁矿物。该流变律由此定义了橄榄石固溶体体系的镁端元，并代表以扩散蠕变为主的橄榄石主导地幔岩石黏度上限。这些发现不仅填补了橄榄石固溶体端元流变数据的关键空白，也为将上地幔黏度变化建模为晶粒尺寸、温度与铁含量的函数提供了稳健基础。

研究背景与问题提出：橄榄石是上地幔最丰富（50–60 vol.%）且流变最弱的矿物，其塑性流动由三种主要机制控制，即晶粒尺寸不敏感（GSI）的位错蠕变、晶粒尺寸敏感（GSS）的扩散蠕变，以及位错调节的晶界滑移（disGBS）。作为镁橄榄石（Fo）与铁橄榄石（Fa）的固溶体，橄榄石流变学具成分依赖性，富铁端元黏度更低但活化能更高。既往对天然橄榄岩、热压聚合体的实验已给出橄榄石流变律，但对无铁、高纯镁端元Fo的扩散蠕变约束仍分散：McDonnell等报道湿Fo集合体n=1.7±0.4、Q=302±22 kJ/mol；Nishihara等在D-DIA（变形-金刚石压腔）装置上得Q=506±34 kJ/mol，但因温度覆盖窄与应力不确定而存疑。问题核心在于缺乏系统晶粒尺寸变化、干条件、高应力分辨率的Fo端元实验，导致活化能、应力指数与晶粒尺寸指数p存在争议，无法定义橄榄石固溶体黏度的镁端元上限。

研究人员开展的工作与结论意义：研究人员经无压烧结制备≥98 vol.%无铁Fo纳米晶柱样（初始晶粒~0.7 μm与~1 μm两档），在Paterson气体介质装置中以~300 MPa、1423–1523 K、50–380 MPa作步进恒应力压缩，结合SEM（扫描电镜）线截法测晶粒、FTIR（傅里叶变换红外光谱）证干条件（<20 H/10⁶ Si）、静态晶粒生长模型估实时d，全局拟合得n=1.0±0.09、Q=365±22.7 kJ/mol、p=2.9±0.23、A=10^5.4±0.73。结论为干Fo在试验域主控Coble蠕变（晶界扩散），该流变律是橄榄石固溶体Fo₁₀₀端元且为扩散蠕变主导地幔岩干态黏度上限。论文发表于《Minerals》。意义在于补端元数据缺口，并为上地幔黏度随d、T、Fe含量变化建模提供基准。

主要关键技术方法（≤250字）：研究人员采用无压真空烧结（1630 K，4/8 h）由Mg(OH)₂与SiO₂纳米粉合成Fo柱样，经热压（Paterson装置内300 MPa、1423–1523 K、1–2 h）降孔隙至<2%；变形在Paterson气体介质轴压仪完成，R型热电偶控温（±2 K），步进加载每级恒应力蠕变至稳态；微观上以SEM-BSE（背散射电子）察次相、SE（二次电子）察形貌，线截法统计≥200粒得d，HF轻蚀刻显晶界；FTIR定量结构水；机械数据经机器柔度与截面积校正后，借静态晶粒生长律d²=d₀²+kt（k取Arrhenius式、Q_gg=160 kJ/mol）估各步实时晶粒，再全局回归流变律。

研究结果

3.1 初始样品特征：BSE未见次相、FTIR无水峰、密度3.0 g/cm³（孔隙≤7%），热压后<2%；4 h烧结d~0.7 μm，8 h d~1 μm，证明高纯干Fo原料可靠。

3.2 变形后晶粒尺寸：变形后4 h组d~1.0–1.1 μm，8 h组d~1.2–1.3 μm，生长常数k₀≈5 μm²·s^-1；但区间窄（0.7–1.3 μm）、初末值误差重叠，实时d属模型估计。

3.3 力学结果：六组步进实验ε?=8×10^-7–1.2×10^-5 s^-1；8 h组（大晶粒）强于4 h组；全局拟合n=1.0±0.09、Q=365±22.7 kJ/mol、p=2.9±0.23、R²=0.896；分温拟合1523 K n=1.1±0.2、1473 K n=1.1±0.1、1423 K n=0.7±0.1，与全局一致（低温应力域窄致略低）。

讨论部分总结：SEM示变形后等轴晶无SPO（形状优选定向），n≈1、p≈3、Q居中（介于Si晶界扩散~245 kJ/mol与Si晶格扩散~410 kJ/mol间）支持Coble蠕变而非单纯Si控速，或为晶界-晶格耦合与八面体空位协同。与McDonnell湿Fo比，干态n更纯；与Nishihara含~10 vol.%顽火辉石Fo比，本研究强度高3–4倍，印证次相弱化。相较于天然Fo₉₀（San Carlos），纯Fo应变率低约2数量级，弱化源于Fe、痕量杂质、次相（尖晶石、顽火辉石）、可能痕水与织构差异。地质上，外推60 Ma洋底地温、d=1 mm得纯Fo黏度在>100 km处高于Hirth&Kohlstedt天然橄榄石律2–3数量级、高于Karato等5数量级，定义扩散蠕变上限；p=2.9意味晶粒从10 mm降至1 mm可提速近3数量级，利于剪切带局部化；LAB（岩石圈-软流圈边界）用d=1 mm纯Fo黏度~10²² Pa·s，较地球物理低黏层~10¹⁹ Pa·s高3量级，说明需Fe、水、熔体或亚毫米晶粒附加弱化。

结论部分翻译：研究人员成功合成高纯（≥98 vol.%）无铁细晶（~0.7–1.0 μm）Fo集合体，在干态高精Paterson气介装置变形，确认300 MPa、1423–1523 K、50–380 MPa下扩散蠕变为主；获流变律ε?=Aσⁿd^-pexp(-Q/RT)，n≈1、Q≈365 kJ/mol；p=2.9±0.23契合Coble蠕变理论值3，实验证晶界扩散（非晶格扩散）为Fo上地幔条件速率控制；化学合成无铁高纯Fo定义橄榄石固溶体镁端元流变律，系干态扩散蠕变主导橄榄岩黏度上限；该端元律联合强晶粒敏感性，为剪切带形成、岩石圈弱化及地幔流变分层建模提供 constitutive（本构）框架，服务于大尺度地球动力学。