角闪石高温高压实验研究进展及其地球物理意义

韩珂楠，易 丽，王多君，刘川江，张瑞鑫

1．中国地震局地震预测研究所/高压物理与地震科技联合实验室，北京 100089 2．中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049

0 引言

俯冲带是地球内部最复杂和最活跃的地带之一，不仅在地壳物质循环和挥发组分进入地幔关键区发挥重要作用，也是熔体抽取、新生地壳生长并逐渐形成大陆地壳这一过程的起点，同时也是火山和地震的活跃带[1-5]。大量研究表明，大洋板片在深俯冲和折返过程中，俯冲板片中的大量含水矿物通过一系列变质反应分解生成流体，随后在板片内部发生运移和汇聚，而这些流体被认为是地球内部物质和能量交换的重要介质[6-9]。

角闪石是俯冲带和大陆地壳的重要含水矿物，含水量约2.2%。分子式为AB2C5T8O22W2[10]，其中：A包括Na+、K+、Ca2+、Li+，占据晶体结构中的A位；B包括Na+、Li+、Ca2+、Mn2+、Fe2+、Mg2+，占据晶体结构中的M4位；C包括Mg2+、Fe2+、Mn2+、Al3+、Fe3+、Mn3+、Ti4+、Li+，占据晶体结构中的M1，M2，M3位；T包括Si4+、Al3+、Ti4+，占据硅氧四面体中心位置；W包括(OH)-，F-，Cl-，O2-。由于众多元素参与其组成，由此导致角闪石矿物成分和结构特征都比较复杂[11](图1)，且不同成分角闪石的物理化学性质也不同。在角闪石-榴辉岩相和角闪岩相中角闪石体积分数可以达到50%，在俯冲带洋中脊玄武岩中角闪石体积分数可以达到60%[12]；此外，大陆地壳矿物组成模型[10,13]显示，在15～30 km范围内，角闪石体积分数可以达到35%～40%。作为地壳和上地幔中主要的水和挥发物的储藏库之一，角闪石脱水研究对于解释该区域水的来源发挥着重要的作用[14]。同时作为重要的地震波各向异性矿物，角闪石地震波速的研究对于解释该区域平行于海沟的地震波各向异性有着至关重要的作用[15-17]。因此了解这种矿物群的稳定性、晶体化学关系、物理性质和能量学，对于解释在俯冲带区域观察到的火山喷发、高电导率异常和地震波速异常有着重要的意义。

当前角闪石高温高压实验主要集中于角闪石变形机制研究、角闪石合成实验、稳定性研究以及与脱水相关的物性变化和岩浆成因实验。作为二轴晶含水矿物，角闪石极易发生成分改变和变质作用。当前角闪石变形研究显示：天然变形研究不太全面，缺乏变形机制的深入讨论[18-19]；同时考虑到角闪石分布的广泛性以及相对较高的分配系数，越来越多的研究选择从角闪石角度探索岩石成因模型，并结合现代分析测量手段探索不同体系下角闪石分解可能存在的元素迁移与汇集(K+，Na+，F-，Cl-等)，为进一步理解高压热稳定性、氧化脱氢机理和高压结构相变夯实基础[20-24]；最后从角闪石脱水产生的地球物理效应角度，角闪石高温高压实验重点讨论地球深部因为角闪石的存在，可能产生高电导率异常、地震波速异常和脱水引起的弧岩浆作用[16,25-27]。本文将重点综述角闪石的氧化脱氢反应、高压热稳定性、高压结构相变和脱水效应(电性和弹性波速)，以期更多了解角闪石高温高压下的复杂原子迁移、地球深部赋存条件、结构性变化和物性变化。

据文献[11]。蓝色为SiO4四面体(T); 浅绿色为M1八面体; 浅蓝色为M2和M3八面体;白色大球为M4和A位置阳离子; 红色小球为氧原子，角闪石结构中氧原子可分为O(1～6)六种。a,b,c表示晶格常数，属于3个线性无关的基矢，通常选取单胞3个相邻的边。

图1 角闪石晶体结构

Fig.1 Crystal structure of amphibole

1 含铁角闪石氧化脱氢

角闪石氧化脱氢机理的研究，最早开始于20世纪30年代，Barnes等[28]在空气中将角闪石加热至850 ℃，3 h后观察发现贫铁角闪石没有结构变化，而富铁角闪石显示出密度和折射率的增加并伴随双折射现象，同时颜色从绿色变为棕色。通过分析失重和水含量变化情况，得出氧化过程中释放H2而不是H2O分子。随着研究进一步开展，在20世纪70年代，由于隔热与防火技术的应用，铁含量丰富的石棉在高温下被广泛研究[29-33]。Addison等[34]在Barnes等[28]研究基础上，通过分析羟基化硅酸盐中亚铁的氧化过程，得出该类矿物的总反应方程式(1)，式(1)中n值根据实验条件可发生变化。当晶体表面不受结构性限制可以容纳过量的O2-时，表达式为(2)，其中n=0。对于矿物结构中不能通过氧化脱氢反应失去的羟基，可通过升高实验温度来保证反应的继续进行，反应表达式为(3)。公式(4)可以表示为富铁角闪石氧化脱氢的反应表达式。方程式(1)左侧的反应物Fe2+和OH-由角闪石提供，O2来源于外部环境。

4Fe2++ 2nOH-+ O2=
4Fe3++ (n+2)O2-+nH2O ；

(1)

4Fe2++ 4OH-+ O2= 4Fe3++ 4O2-+ 2H2O；

(2)

2OH-= O2-+ H2O；

(3)

4Fe2++ O2= 4Fe3++ 2O2-。

(4)

研究富铁角闪石的氧化脱氢机制，对于了解地质学/矿物学、材料科学以及医学等多个学科领域具有重要的意义。富铁角闪石氧化脱氢反应总的反应方程式为：

4[[M1,3]Fe2++[O3]OH-] + O2=
4[[M1,3]Fe3++[O3]O2-] + 2H2O。

(5)

FTIR为傅里叶变换红外光谱，傅里叶红外光谱仪可以对样品进行定性和定量分析。

2 高压热稳定性

角闪石高压热稳定性的研究对于了解其在俯冲板片中的脱水条件以及将大量水带入地幔深部的动力学机制等问题至关重要。早期的研究认为当达到角闪石最大稳定压力时，角闪石的稳定温度趋于稳定；当达到角闪石的最大稳定温度时，角闪石的稳定压力趋于稳定[40-43]。随着研究的持续深入，发现不同体系下角闪石的稳定性仍旧存在一定的差异性[11,21,44-47]。本节将根据俯冲带岩性特征对含水洋中脊玄武岩和含水橄榄岩中角闪石的高压热稳定性进行整理和总结。

国内外学者通过实验岩石学在对洋中脊玄武岩(MORB)俯冲过程中的变质行为进行研究时发现：作为俯冲带洋中脊玄武岩中水的主要来源之一，角闪石在成分上主要为蓝闪石(Na2(Mg3Al2)[Si8O22](OH)2)和冻蓝闪石(NaCaMg3AlFe3+[(Si7Al)O22](OH)2)，虽然自身水仅为2.2%，但却占据玄武岩20%～60%的体积[12]。当前研究指出：洋中脊玄武岩中角闪石的最大稳定压力为2.2～2.4 GPa(65～70 km)，该深度范围内的脱水反应非常剧烈，在压力-温度图上一般都斜交于典型的俯冲压力-温度轨迹，导致大部分的压力-温度轨迹都会存在较大的脱水速率[9]。如图3所示：随着俯冲板块不断向下俯冲，当温压条件达到600 ℃和1.5～2.2 GPa，将形成角闪石-榴辉岩相；随着俯冲的继续进行，当压力达到2.2～2.4 GPa时，角闪石将会在小于600 ℃条件下分解而且绿泥石化，其中角闪石-榴辉岩相的稳定域低于黝帘石-榴辉岩相时，最低可达1.0 GPa；当角闪石-榴辉岩相的温度超过650 ℃时，被湿固相线截断[9]。但是如果引入角闪石固溶体，研究得出的角闪石稳定域则与天然样品和实验结果存在很大的出入。例如：在洋中脊玄武岩-水体系中计算得出角闪石的稳定域表现为<500 ℃时稳定压力为4.0～5.0 GPa，这个结果与实验观察和根据天然榴辉岩推测的稳定域(>550 ℃时，稳定压力为2.3～3.0 GPa)偏差较大，同时在相对富铁-铝的玄武岩体系中，蓝闪石在600～650 ℃时的最高稳定压力为2.8～3.0 GPa[45]。若将体系中的角闪石体积分数控制在10%以下，有可能在2.6 GPa和650 ℃仍旧保持稳定状态，说明对于弧下地幔楔最深处的脱水反应影响有限[9]。综上所述，在水饱和的洋中脊玄武岩中角闪石的稳定域总体维持在3.0 GPa和1 000 ℃以内，但角闪石稳定性可能取决于活度模型以及具体的变质温度，而全岩成分对于角闪石的稳定性影响相对较小[48]。

在不同的压力-温度条件下，俯冲洋壳会释放出水到上覆地幔楔，这些释放出的水会与橄榄岩反应生成蛇纹石、绿泥石、滑石、A相和角闪石等含水矿物[6,49]。如图4所示为水饱和橄榄岩体系下角闪石稳定域，当接近水饱和固相线的位置时(1 000 ℃，2.0～3.0 GPa)，角闪石在成分上主要为韭闪石质普通角闪石，并在2.2～3.0 GPa压力范围内发生分解[44]。对于俯冲带橄榄岩体系下角闪石的稳定性研究，Mysen等[43]在亚固相条件发现角闪石分解压力-温度轨迹斜率为0.1～0.3 MPa/K，分解方程为amp + ol → opx + cpx + gar + H2O(图4中(1))，并在角闪石分解压力-温度轨迹与固相线的交点位置达到最大稳定压力2.2～3.0 GPa(65～90 km)，这一阶段下当体系温度降低，稳定压力也会随之发生略微的降低。随着反应进行到挥发组分中只存在H2O，当临近固相线的位置后，角闪石的分解将不受体系中H2O质量分数变化的影响，图4中(1)所呈现出的压力-温度轨迹在空间位置上也不会发生改变。随着反应过程中流体成分被除H2O之外的其他成分稀释，角闪石分解压力-温度轨迹将会转至较低的压力范围，因此在水饱和的体系成分下角闪石将会存在最高的分解压力。随着分解反应进行至反应产物中绿泥石取代石榴石，分解反应方程将会由图4中(1)变为amp + ol + H2O → opx + cpx +chl图4中(2)，压力-温度轨迹斜率为1.1～1.3 MPa/K。当体系温压条件达到绿泥石+蛇纹石的稳定域，分解反应变为amp + ol + H2O → cpx + serp + chl图4中(3)，反应体系将不存在自由H2O。对比水饱和体系下分解反应需要的消耗水量，当反应处于下降板块且无法提供足够的水保证反应的持续进行时，角闪石将会按照保水反应方程amp+ol → opx+cpx+gar+chl图4中(4)和amp+ol+serp → opx+cpx+chl图4中(5)持续分解，因此只有当体系温度超过绿泥石稳定域时，角闪石的分解才会释放出H2O。

据文献[9]。虚线对应的俯冲带地温梯度分别为5、10、20和30 ℃/km。

据文献[44]修编。amp. 角闪石；ol. 橄榄石；gar. 石榴石；opx. 单斜辉石；cpx. 斜方辉石；chl. 绿泥石；serp. 蛇纹石。

相关的研究显示，在富集型和亏损型地幔橄榄岩中蛇纹石、A相和滑石的稳定性较好，因为这些含水相中几乎不含Ca和Na[44]。实验岩石学研究显示，橄榄岩体系下角闪石的稳定性受到全岩成分以及体系H2O质量分数的影响[21,46-47]。

全岩成分对于角闪石稳定域的研究，主要体现在当体系中富碱(Na+K)和富集型地幔成分进入角闪石后，将进一步提高角闪石的稳定温度和压力。首先对于K元素的影响，Fumagalli等[46]采用活塞圆筒高压装置和多顶砧高压装置在K2O-Na2O-CaO-FeO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O(KNCFMASH)体系下对二辉橄榄岩相平衡关系的研究显示：随着体系压力-温度关系的不断增大，橄榄岩分解导致金云母中更多K元素进入角闪石，并生成钙角闪石，钙角闪石可稳定存在于俯冲带90～100 km(3.2～3.4 GPa)，并对该区域K质量分数变化起到至关重要的作用。其次对于Na元素的影响，Pirard等[47]采用活塞圆筒高压装置开展了橄榄石与25%含水长英质熔体混合物的相熔融关系研究，实验控制体系中CaO质量分数为0.29%，在压力从2.5～4.5 GPa的变化过程中，角闪石中Na质量分数不断增加，并在3.5 GPa、1 000 ℃温压条件下仍旧可以观察到角闪石与含水熔体的共存。该实验也进一步证明在弧下温压范围内，富Na贫Ca的角闪石可能仍稳定存在，同时俯冲板片与地幔楔相互耦合区域的地幔楔中存在部分钠质角闪石，对于解释该区域碱和H2O的储存具有重要意义。为综合考虑橄榄岩体系下富集型与亏损型地幔成分对角闪石稳定域的影响，Mandler等[21]采用活塞圆筒高压装置在2～4 GPa、950～1 100 ℃条件下研究了角闪石的高压热稳定性，随着体系中压力-温度的不断升高，富集型地幔成分下的角闪石稳定压力达到3.7～4.0 GPa，亏损型地幔成分下的角闪石稳定压力达到3.0～3.2 GPa，这一原因可以解释为富集型地幔成分中碱(Na+K)和钛质量分数相对较高。该研究在2.0～3.7 GPa、950～1 100 ℃的温压条件下，提出角闪石碱性成分与稳定存在的温压条件符合可预测的线性关系：

n(Na2O+K2O)amp=-2.8616+1.0333p+0.0037T；

R2=0.98。

(6)

式中：n(Na2O+K2O)amp表示体系不含水的情况下Na2O+K2O的摩尔百分数(mol%)；p表示压力(GPa)；T表示温度(℃)。相比较于压力，公式(6)对于温度的敏感性相对较低，因此一般在已知成分的角闪石温压测量中，通过已知温度来进一步预测稳定压力。同时在相对典型的富集型和亏损型地幔橄榄岩中的角闪石，这一模型的适用范围更为广泛(>2 GPa，<950 ℃)。

关于H2O质量分数对于角闪石稳定域的影响，当前的研究显示，当俯冲洋壳向上覆大陆岩石圈地幔释放大量流体时, 会引起大规模交代作用，同时前人在板片-地幔区域对于橄榄岩体系下角闪石的研究过程中观察到大量流体，而自由流体在橄榄岩体系下通过从固体相中将碱性成分析出的方式进一步降低角闪石的稳定性[22,50]。对于影响角闪石稳定域的具体H2O质量分数，Yoder等[51]研究金云母实验时最早提出，当体系中的H2O质量分数等于含水矿物自身的H2O质量分数时，该含水相是最稳定的，但随后的研究进一步发现，体系中少量H2O的存在也会使角闪石在较低的压力-温度条件下发生分解[50]。与此同时，当前对于橄榄岩体系下角闪石稳定域实验的研究，大部分采用的H2O质量分数远大于地幔交代作用实际所需的H2O质量分数，例如Kushiro[41]、Green[42]、Mysen等[43]、Millhollen等[52]和Grove等[53]分别在体系H2O质量分数>5.8%、6.0%、>8.0%、5.7%和14.5%条件下探讨了H2O质量分数对角闪石稳定域的影响。为进一步量化H2O质量分数对角闪石稳定域的影响，Mandler等[21]采用活塞圆筒高压装置在2～4 GPa、950～1 100 ℃条件下，研究了富集型地幔橄榄岩体系中H2O质量分数对角闪石稳定性的影响，实验控制体系中水质量分数分别为0.65%和3.00%。研究显示：相比较于H2O质量分数为0.65%的实验，3.00%的H2O将会使角闪石的最大稳定压力降低0.5 GPa，最大稳定温度降低50 ℃，并进一步预测橄榄岩体系中每1%的H2O将会使角闪石的最大稳定压力降低约0.2 GPa。目前的研究已经可以明确高质量分数的H2O(14.5%)会进一步将碱性成分从角闪石中析出，然而未能解决当体系H2O质量分数低于6.0%时角闪石稳定域发生变化的原因。H2O质量分数变化的研究对理解俯冲带和上覆地幔楔之间角闪石的稳定性具有重要意义，同时可进一步推断深层地幔楔在强烈流体渗透作用下，可能部分不含角闪石。

3 高压结构相变

压力是影响矿物结构与物理化学性质的重要因素，在高压条件下，矿物内部分子、原子之间的距离产生变化，引起分子和原子间力常数改变重新排列，从而导致矿物发生结构相变。矿物高压相转变机制对认识地球和星球内部物质组成、结构及地球动力学等具有极其重要的科学意义[54-55]。有关高压下角闪石的结构相变和压缩性等研究，国内外学者已经进行了详细报道，并获得一些新的成果和认识。对于角闪石高压相变最早的研究始于20世纪30年代[56-57]，研究发现角闪石和辉石的晶体结构、物理性质和化学性质上存在一定的相似性，通过类比与辉石的相变过程进行角闪石的高压相变研究。早期研究压力范围主要为<10 GPa[58-65]，≥10 GPa的研究主要通过光谱表征[66-69]，随着原位高压X射线衍射技术的发展，角闪石的高压相变被更进一步的了解。与辉石相比，在角闪石结构的研究中，涉及到温度和压力关系的相对较少，一定程度上源于在缺失饱和水实验条件下角闪石在常压下的热稳定性要低得多，往往达不到原位研究所需求的实验温度。

表1 角闪石空间群和各自晶胞尺寸

据文献[72]修编。a,b,c表示高压相变后的晶胞参数;a0,b0,c0表示初始晶胞参数;a/a0,b/b0,c/c0统一采用U/U0参数表示。

图5 铁闪石晶胞参数随压力的变化

Fig.5 Variations of unit cell parameters for grunerite as a function of pressure

4 脱水效应

地球深部物质的物性特征，特别是高温高压下岩石、矿物的脱水效应研究，对于大范围地球物理观测资料，特别是地震波速资料和大地电磁测深资料的解释以及地球内部物质波速结构模型的建立等方面具有非常重要的意义[73-75]。目前，有关角闪石的脱水效应主要集中于它的电导率和弹性波速实验研究，以下分别进行简述。

4.1 电导率研究

高温高压下岩石矿物的电性研究是了解地球内部物质成分和演化过程的重要前提，以揭示地震数据和大地电磁数据呈现出的低速层或高导层，进一步完善岩石矿物脱水效应。其中岩石矿物电导率研究的目的是探索温度、压力、流体、氧逸度、化学成分、相变和孔隙度等因素对电导率产生的影响，但电导率对他们的敏感程度不一，一般而言流体(熔体或者水)对电导率的影响大于温度，而温度对电导率的影响有又远大于压力[44,76]。角闪石作为俯冲带重要的含水矿物，原位实验下研究角闪石的电导率和传导行为，对于解释大地电磁在俯冲带观测到的高电导率异常(0.01～1.00 S/m)具有至关重要的作用[77-80]。

对于角闪石导电性的研究最早开始与20世纪50年代。Littler等[81]测量了青石棉的电阻率，研究发现青石棉沿纤维伸展方向的电阻率较高。但早期的研究主要集中于低温(T<923 K)范畴[82-83]，并未达到角闪石的热分解温度，难以分析角闪石在热分解过程中电导率的变化情况。随着实验温压条件的不断提高，研究显示角闪石族矿物电导率受到角闪石自身铁含量和各向异性的影响。Wang等[25]和Hu等[26]、Zhou等[83]和Schmidbauer等[84]分别在不同铁质量分数(7.21%～25.93%)下对角闪石的电导率进行研究，结果表明铁质量分数越高，电导率越高。这些含铁角闪石的电导率与电子在Fe2+和Fe3+之间的转移(亦称之小极化子)密切相关，将进一步提高角闪石的电导率。此外，角闪石和角闪石岩的电导率具有各向异性。Schmidbauer等[84]研究发现沿[001]方向角闪石电导率比垂直于[001]方向高5～6倍，进一步提出角闪石的电导率存在各向异性。Zhou等[83]采用多面顶高压装置在1.0 GPa、523～973 K下测量了分别垂直于片理Z、垂直于片理Y和平行于片理X的角闪岩电导率，研究发现在实验温度范围内3个结构方向的电导率随温度增加均呈现出上升的趋势，这一结果与前人[84]的研究保持一致；同时测定角闪岩的电导率各向异性为11.1%～25.2%，电导率的最大差值约为0.6个对数单位。由于实验采用干燥的样品排除了孔隙流体和饱和盐水可能产生的影响，并在验证了Schmidbauer等[84]提出的“角闪石电导率存在各向异性”观点的基础上，进一步提出电导率的各向异性是由于导电矿物在一定方向上的定向排列引起的。Wang等[25]对斜长角闪岩电导率的研究表明，斜长角闪岩电导率存在着各向异性。

对于大地电磁在地球深部观察到的高电导率异常现象，当前主要集中于Wang等[25-26, 35]的研究工作(图6)。Wang等[25]研究显示在约800 K以下，角闪石表现出较低的电导率(约5×10-3S/m)，在750 K时活化焓为64～67 kJ/mol;当温度大于约800 K，红外光谱显示角闪石已经发生脱水，同时电导率迅速增加，活化焓的变化范围为320～380 kJ/mol，根据实验观察的电导率和活化焓的变化情况，可进一步推断发生于大陆中下地壳的高电导率异常可能是由于含铁角闪石脱水过程中铁的氧化(Fe2+→Fe3+)引起的，并非前人推断的“导电性流体”[85-86]。Hu等[26]同样采用多顶砧高压装置结合交流阻抗谱仪开展了0.5～2.0 GPa、623～1 173 K条件下天然含铁角闪石样品的电导率实验研究，发现小极化子导电主导整个升温阶段的导电行为。而对于脱水反应产生的流体，Manthilake等[87]在对比铁钛闪石、阳起石、绿钙闪石和透闪石等不同卤素(主要是Cl-和F-)含量的角闪石族矿物电导率后得出：流体中溶解卤素后的电导率可以达到约0.1 S/m。Hu等[26]进一步解释了大陆中地壳底部高热流区域观察到的高电导率异常以及俯冲板片与地幔楔交界处(>70 km)观察到的高电导率异常(>10-2S/m)。Shen等[35]采用多顶砧高压装置结合交流阻抗谱仪在1.0～2.0 GPa、648～1 376 K条件下研究了透闪石电导率变化情况，研究显示：当实验温度低于1 137 K时，透闪石电导率值约为0.01 S/m；随着实验温度超过透闪石脱氢温度(1 137 K)，透闪石电导率会快速增加至1 S/m(1 373 K)。其原因区别于含铁角闪石的氧化脱氢，主要源于透闪石分解造成的镁和钙离子的移动(透闪石→透辉石+顽火辉石+石英+H2O)。考虑到透闪石在高于蛇纹石稳定温度的条件下仍旧可以稳定到180 km深度范围内[88]，因此认为发生于俯冲带深部约180 km的电导率异常是透闪石的脱氢作用以及上地幔中透闪石和二辉橄榄岩混相共同驱动的。

数字表示样品中的总铁质量分数(%)；绿色线和橙色线分别表示文献[25]和[83]沿角闪岩不同结构方向测量的电导率。

图6 前人对角闪石和角闪岩电导率的研究情况

Fig.6 Comparison of electrical conductivity of amphibole and amphibolite from previous studies

4.2 弹性波速测量

高温高压下岩石和矿物弹性波速的测量资料是对地球物理深部探测结果进一步解释的有力证据。国内外学者分别从温度、压力、脱水、相变和熔体的角度对岩石矿物弹性波速的影响因素进行了大量的研究，可进一步探讨地球深部的地震波各向异性以及低速层成因等。图7所示为1.0 GPa下角闪岩横波速度(vS)与纵波速度(vP)随温度的变化情况，即随着温度的升高，角闪岩地震波速呈现下降的趋势。同时结晶学研究显示：矿物经过一系列变形与拉伸作用，会产生结晶学优选方位(CPO)或晶格优选方位(LPO)；如果矿物自身具备较大的各向异性，相应的矿物集合体在地震波速测量过程中会显示出较大的各向异性。此外，角闪石作为俯冲带重要的含水矿物，同时也作为典型的各向异性矿物[90-92]，对于解释俯冲带地震波各向异性具有重要意义。最近在角闪石的高温高压简单剪切实验研究中，获得了角闪石在不同温压条件下的晶格优选方位，同时探讨了角闪石晶格优选方位与地震波速各向异性之间的关系[15-17]。这一成果对于解释地壳深部、俯冲带和地幔楔中观察到的地震波各向异性具有重要的意义，本节将重点讨论角闪石晶格优选方位对地震波速的影响。

据文献[89]修编。

角闪石弹性波速的研究过程中，因角闪石成分及结构的复杂性，其弹性地震波速研究一直进展缓慢。作为目前仍旧被引用的开创性成果，Aleksandrov等[90]在常温常压条件下采用超声波速度测量研究2种未指明成分的角闪石单晶弹性地震波各向异性，研究显示角闪石的纵波和横波各向异性分别为27.1%和30.7%，vp/vs1和vp/vs2的各向异性也很强，分别为24.3%和39.2%。通过对比长石的研究结果[93]，该研究因为地震波传播方向采样不足、解理面和裂纹的存在，研究结果可能存在一定的误差，该方面的研究仍旧需要进一步的探索。在对角闪石多晶的众多实验研究中，分别采用了Aleksandrov等[90-91]和Hearmon等[92]研究所得的弹性常数对角闪石矿物或角闪岩进行了地震波各向异性研究，因而所得的地震波各向异性测量结果并不存在固定值[94](表2)。如Ji等[101]采用脉冲法在600 MPa的静水压力下测得角闪岩的地震波速度随着压力的上升呈非线性快速增长，随着体系中的微裂隙逐渐闭合，角闪岩地震波速度由非线性向线性转化，同时实验采用Aleksandrov等[90]的弹性常数计算出全岩的纵波各向异性为5.7%～14.0%，横波各向异性为4.1%～8.5%。

表2 角闪石/角闪岩弹性地震波各向异性

角闪石作为俯冲带重要的含水矿物，可以在俯冲带一定温度-压力范围内稳定存在。同时角闪石作为俯冲带重要的弹性各向异性矿物，可以为理解上地幔演化、地幔流动模式、地幔动力学和地幔构造演化提供重要信息，并在研究俯冲带地震波各向异性中扮演重要的角色[15-17]。对于俯冲带区域观察到的地震波各向异性，Ko等[16]采用改进的Griggs流变仪，在高压1 GPa，温度为480、500、600和700 ℃下对角闪石进行简单剪切实验，研究发现在低温和低应力条件下可以发育角闪石Ⅰ型组构，在中等温度(550～700 ℃)和高应力条件下发育角闪石Ⅱ型组构，在高温和低应力条件下发育角闪石Ⅲ型组构。根据不同温压条件下角闪石所具备的CPO，可进一步解释在俯冲带的倾角大于45°时，俯冲板块地幔内稳定存在的角闪石可能导致该区域平行海沟的快波(vs1)异常[103-105]；同时在俯冲带区域观察到的剪切波时间延迟可以通过一层薄的角闪石层来解释。Kim等[17]采用同样的实验装置，通过降低实验温压条件为0.5 GPa和500～700 ℃，研究发现了角闪石的Ⅳ型组构，进一步在中地壳深度范围内验证了Ko等[16]提出的角闪石晶格优选方位可以产生平行海沟的地震波各向异性。考虑到俯冲带区域角闪石含量较大，随着实验条件的不断推进，关于角闪石地震波速的更多研究将会开展和被发掘出来，将进一步推进俯冲带区域地震波各向异性特征的解释。

5 结论及展望

高温高压实验技术愈加成熟的当前阶段，对于地球深部物质的了解越来越依赖于高压科学装置以及现代分析测量手段，同时也极大地推动了科学家们对于地球深部物质结构和动力学机制的了解，并在角闪石氧化脱氢机制、高压热稳定性、电性和弹性等方面做出杰出贡献。

1)角闪石在橄榄岩体系和玄武岩体系中的稳定性存在明显的差异。玄武岩体系中角闪石固溶体或角闪石的体积分数都会影响角闪石的稳定性；在橄榄岩体系中的全岩成分(主要体现为K+和Na+)和H2O含量会对角闪石的高压热稳定性产生影响，主要体现为富碱和富集型地幔成分进入角闪石后，将提高角闪石的稳定性，而自由流体在橄榄岩体系下通过从固体相中将碱性成分析出的方式进一步降低角闪石的稳定性。

2)随着原位高压X射线衍射技术的发展，高压下角闪石族矿物新的空间群结构不断被探索：铁闪石在16.3±0.3～19.2±0.3 GPa范围内生成新的空间群结构C2/m(γ)；铝直闪石随着压力升到15.1±0.7～21.0±0.1 GPa，可以观察到空间群结构由Pnma变为P21/m。更多角闪石空间群结构的发现，说明角闪石在地球深部可能以亚稳态的形式存在，脱水反应可能发生在比先前设想更高的压力下，如相对低温的冷俯冲带区域，这将会为角闪石亚稳态可能通过脱水脆化诱发中深源地震提供有力判据。

3)在俯冲带高温高压的实验环境下，角闪石氧化脱氢后电导率的增强可进一步解释俯冲板片与地幔楔界面和大陆中地壳底部的高电导率异常。同时在俯冲带不同的温压范围内，角闪石存在4种类型的组构，可进一步在不同深度范围内解释可能由于存在角闪石而引起的地震波各向异性和剪切波时间延迟。

尽管角闪石高温高压实验已经取得长足的进步，但仍存在不足之处，未来需要进一步加强的研究包括：

1)高温高压下角闪石脱水动力学仍未能得到充分的开展，有关角闪石脱水动力学方程以及角闪石脱水与地震之间可能存在的地质关系仍不清楚。

2)橄榄岩体系下角闪石高压热稳定性的研究中，体系H2O质量分数低于6%时角闪石稳定域发生变化的原因仍不清楚，有必要加强该部分的实验研究工作。

3)高温高压下不同成分的角闪石中的电导率、波速和热导率的实验研究应该进一步加强。

最后，期待未来角闪石的实验研究不断有新的突破和发现，进一步完善角闪石高温高压物理化学性质。