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橄榄石是一种硅酸盐矿物，可以包含镁和铁等元素，是地球上地幔中最丰富的矿物。从地幔部分熔融的残余物到俯冲的海洋板块，它无处不在。此外，地幔中的一些地震活动可能与橄榄石晶体结构的改变（称为相变）有关。地幔过渡带（位于上地幔和下地幔之间410公里到660公里的深度）的地震数量异常多。这种深层地震有时会造成破坏性影响；例如，1994年玻利维亚发生了一场深度为638公里、震级为8.3级的地震，远至加拿大的建筑物都遭到破坏。这种深层地震的成因一直是个谜，因为地震通常需要断层的快速滑动，而这在深部地幔的高压下是很难实现的。实验室变形实验已被用于了解与深层地震相关的断层过程。然而，在实验室中模拟地幔过渡带的条件进行实验非常困难，因为样品尺寸和压力大小之间存在着权衡关系。高压生成技术的最新进展，结合同步加速器X射线观测，使科学家能够模拟与微型地震相关的断层，这些地震发生在微小的样品（直径和长度约为1毫米）中，并处于地幔过渡带的压力和温度条件下。橄榄石的相变大体上定义了地幔过渡带。橄榄石在地幔中深度达到410公里处仍能保持其晶体结构。然而，在地幔过渡带的最上部，升高的压力迫使橄榄石在约14 GPa的压力下发生相变为瓦兹利石。瓦兹利石在约19 GPa的压力下（约540公里深处）进一步发生相变为林伍德石。然后，林伍德石在约24 GPa的压力下（对应于下地幔最上部约660公里的深度）分解成钙钛矿型矿物布氏石和氧化物矿物铁方镁石的组合。在地幔过渡带较热的区域（1,100–1,500 ºC），橄榄石-瓦兹利石的相变在约14 GPa的压力下快速且均匀地进行，导致瓦兹利石晶体生长，其直径大于几十微米（图1a）。相比之下，在地幔过渡带较冷的区域（对应于俯冲板块的内部，600–1,100 ºC），由于原子扩散缓慢，橄榄石-瓦兹利石的转变和瓦兹利石的生长非常缓慢。![]()
图1：瓦兹利石和断裂的橄榄石。a，在14 GPa压力和1,400 ºC温度下合成的瓦兹利石的光学显微镜图像。b，在15.5 GPa压力和830 ºC温度下变形的橄榄石多晶体中形成的断层泥层，其中充满了橄榄石和瓦兹利石的纳米颗粒。
在较冷的条件下，瓦兹利石的缓慢生长是不均匀的，有时会导致在橄榄石晶体中形成充满微小瓦兹利石颗粒的片状区域。当岩石形成矿物的晶体尺寸通过相变减小到几十纳米或更小时，由于变形机制的转变，岩石的变形强度会急剧下降。因此，充满瓦兹利石纳米颗粒的片状区域就像快速断层滑动的润滑剂，为解释深层地震的发生提供了一种机制（图1b）。与上地幔和过渡带不同，下地幔是一个几乎没有地震的“寂静”世界。目前尚不清楚为什么林伍德石的分解不会引发地震，因为在下地幔条件下进行实验非常困难。橄榄石的深度转变将告诉我们更多关于深层地震发生和不发生的奥秘。参考文献：Ohuchi, T. Olivine’s trembling transformations. Nat. Geosci. 17, 958 (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01547-6
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