高温高压下斜长角闪岩电导率研究及其地球物理启示

中下地壳和俯冲带区域的高电导率异常（0.01~1 S·m^-1）可能与地球内部的特定物质及其变化有关.斜长角闪岩是中下地壳以及俯冲带区域的重要组成之一,高温高压下斜长角闪岩的电导率研究对认识电导率异常具有重要意义.本研究采用交流阻抗谱法,在0.5,1.0,1.5 GPa和473~1073 K条件下测量了天然斜长角闪岩样品的复阻抗,实验结果表明压力对斜长角闪岩的电导率影响非常小,而温度对于电导率影响非常显著,其电导率在1073 K可以达到10^-0.5 S·m^-1;实验获得的活化能值为52.21 kJ·mol^-1,推断其导电机制可能为小极化子传导（Fe²⁺的氧化）主导.结合本实验获得的结果与大陆岩石圈和俯冲带的温度结构,我们计算得到相应的电性结构剖面,并与三种不同构造背景下的大陆岩石圈（克拉通、大陆裂谷和活动造山带）和俯冲带区域的电磁剖面结构进行了对比研究,结果发现斜长角闪岩可以解释大陆裂谷和活动造山带构造背景下的莫霍面附近的高电导率异常现象,同时可能是导致较热的俯冲带区域（例如卡斯卡迪地区）高电导率异常现象的原因.     

高温高压下麻粒岩电导率研究

麻粒岩是下地壳的重要组成物质,模拟其在下地壳温压条件下的电导率对于认识下地壳的电导率分布具有十分重要的意义.本文用交流法在1 GPa下,373~1002 K范围内研究了麻粒岩样品的复阻抗,并且对测量结果进行了阻抗谱分析.研究结果表明,复阻抗对频率具有依赖性,且随温度的升高,复阻抗的实部、虚部均变小.在实验给出的温度范围内,电导率结果符合Arrhenius关系式.当温度在373~663 K范围内时,实验所获得的激化焓为0.31 eV,表明样品的电导率由低能带杂质离子所控制;当温度在673~1002 K范围内时,激化焓为0.67 eV,此时可能为小极化子导电.将所得电导率结果与西南峨边-马边地区以及华北应县―商河地区的大地电磁结果进行了对比,发现在所模拟的下地壳温压范围内,实验室测得的电导率位于野外MT数据范围内.     

高温高压下上地幔岩石电导率实验研究

为了建立具有普遍适用性的上地幔电性结构,本文利用Kawai-1000t压机和Solartron IS-1260阻抗/增益-相位分析仪,在4.0~14.0 GPa、873~1673 K的条件下,采用交流阻抗谱法（频率范围10^-1~10⁶Hz）测量了不含水的地幔岩电导率.实验结果显示,岩石的电导率随温度升高而大幅度的增大;在较大的温度范围内岩石的导电机制发生了变化,中低温时为小极化子导电,此时激活焓为0.94 eV （±0.13） eV,激活体积为0.11（±0.92） cm³·mol^-1,高温时为和镁空穴相关的离子导电,此时激活焓为1.6~3.17 eV,激活体积为6.75（±7.43） cm³·mol^-1;本次测量的电导率比低压下岩石的电导率要高,比矿物的电导率也要高.用本次的实验结果回归计算得到Fennoscandian地区的上地幔的一维电导率剖面,发现200 km以上本次实验计算的结果和大地电磁测深的电导率剖面吻合的比较好,在200 km以下本次实验得到的要比野外测量的电导率稍稍高一点,可能是因为实验过程中没有完全避免水的影响.本次的实验结果比用有效均匀介质方法计算得到的pyrolite矿物模型的电导率要高出两个数量级,这样的结果显示只用一种矿物的电导率或是几种矿物理论计算的结果有一定的不合理性.     

由包体推导的河北汉诺坝下地壳-上地幔地温线及其地质意义

通过对采自河北汉诺坝玄武岩中的下地壳和上地幔包体的详细研究 ,建立了本区下地壳—上地幔地温线。该地温线高于大洋地温线和古老地盾地温线 ,接近克拉通边缘的地温线 ,符合该区的大地构造环境。由该地温线建立的下地壳—上地幔地质结构剖面表明 ,该区下地壳主要由不同类型的麻粒岩相岩石组成 ,其化学成分以镁铁质为主 ,深度范围为 2 5～ 4 2km。上地幔由超镁铁质的二辉橄榄岩组成 ,在尖晶石二辉橄榄岩和石榴石二辉橄榄岩之间有一过渡层。由地温线确定的壳幔边界位于 4 2km附近 ,与地震资料确定的莫霍面一致 ,但在壳幔边界之上的下地壳底部有下地壳麻粒岩和超镁铁质岩的互层。这一现象可以解释在下地壳底部常见的层状反射层。该区岩石圈底界大约在 95km ,其下的软流层仍由石榴石二辉橄榄岩组成     

南海北部陆缘珠江口盆地岩石圈热结构

沉积盆地岩石圈热结构特征是岩石圈构造-热演化过程的综合反映和盆地热史恢复的约束条件,对盆地动力学研究和油气资源评价具有重要意义.由于海洋勘探难度大、勘探程度低,相对于大陆地区,边缘海盆地比较缺乏岩石圈热结构方面的研究.本文在收集整理珠江口盆地及邻区大地热流数据的基础上,补充收录了自2003年以来发表的新数据,绘制了研究区最新版的大地热流等值线图;基于中美合作双船地震剖面揭示的深部地壳结构计算了研究区的壳-幔热流、深部温度以及"热"岩石圈厚度.研究表明,珠江口盆地地壳热流介于18.7~28.6 mW·m^-2,地幔热流介于36.9~91.4 mW·m^-2,壳幔热流比值0.23~0.75;由陆架、陆坡至中央海盆,在地壳热流逐渐减小的情况下地表热流逐渐递增,说明地表热流分布主要受深部热作用控制;盆地"热"岩石圈厚度介于34.0~87.2 km,平均65.5 km,反映出显著拉张减薄的特征.     

新疆东准噶尔花岗岩类岩石高温高压弹性波速度及其对地壳结构的约束

应用超声波反射-透射法,在最高压力为1.0 GPa（室温）,最高温度为700℃（1.0 GPa）的条件下对新疆东准噶尔地区的卡拉麦里花岗岩带和野马泉岩体的典型花岗岩类岩石（碱长花岗岩、碱性花岗岩、花岗闪长岩、二长花岗岩和石英闪长岩）的纵波速度（V_P）和横波速度（V_S）进行了测量.结果显示,在常温、压力0.4~1.0 GPa条件下,东准噶尔地区花岗岩类岩石的V_P和V_S均随压力呈线性增加,说明在这个压力段岩石中的微裂隙已基本闭合.室温、1.0 GPa时花岗岩类岩石的V_P是5.79~6.84 km·s^-1,V_S是3.26~3.85 km·s^-1.依据压力与V_P及压力与V_S的线性关系,拟合得到常温常压下花岗岩类岩石的纵波和横波压力系数分别是0.1568~0.4078 km/（s·GPa）和0.0722~0.3271 km/（s·GPa）,V_P0和V_S0分别是5.62~6.47 km·s^-1和3.15~3.75 km·s^-1.恒压1.0 GPa、室温到700℃条件下,花岗岩类岩石的V_P和V_S均随温度的升高呈线性降低,温度系数分别为（-3.41~-4.96）×10^-4 km/（s·℃）和（-0.88~-3.22）×10^-4 km/（s·℃）.利用实验获得的花岗岩类岩石的V_P0、V_S0及温度系数和压力系数,结合东准噶尔地区的地热资料,建立了V_P和V_S随深度变化的剖面.将获得的V_P和V_S-深度剖面与该区地球物理探测结果对比,发现东准噶尔地区的碱长花岗岩、碱性花岗岩、二长花岗岩和部分花岗闪长岩的V_P和V_S与该区上地壳速度吻合很好,同时这几种岩石的平均泊松比也与上地壳泊松比一致,因此我们认为这几种类型的岩石是该区上地壳的重要组成部分.另外,石英闪长岩的V_P和V_S均符合中地壳的速度,可能为中地壳中的一种岩石.     

高温高压下上地幔岩石电导率实验研究

为了建立具有普遍适用性的上地幔电性结构,本文利用Kawai-1000t压机和Solartron IS-1260阻抗/增益-相位分析仪,在4.0～14.0 GPa、873～1673 K的条件下,采用交流阻抗谱法(频率范围10~(-1)～10~6Hz)测量了不含水的地幔岩电导率.实验结果显示,岩石的电导率随温度升高而大幅度的增大;在较大的温度范围内岩石的导电机制发生了变化,中低温时为小极化子导电,此时激活焓为0.94 eV(±0.13)eV,激活体积为0.11(±0.92)cm~3·mol~(-1),高温时为和镁空穴相关的离子导电,此时激活焓为1.6～3.17 eV,激活体积为6.75(±7.43)cm~3·mol~(-1);本次测量的电导率比低压下岩石的电导率要高,比矿物的电导率也要高.用本次的实验结果回归计算得到Fennoscandian地区的上地幔的一维电导率剖面,发现200 km以上本次实验计算的结果和大地电磁测深的电导率剖面吻合的比较好,在200 km以下本次实验得到的要比野外测量的电导率稍稍高一点,可能是因为实验过程中没有完全避免水的影响.本次的实验结果比用有效均匀介质方法计算得到的pyrolite矿物模型的电导率要高出两个数量级,这样的结果显示只用一种矿物的电导率或是几种矿物理论计算的结果有一定的不合理性.     

高温高压下辉长岩纵波速度和电导率实验研究

分别采用超声波透射-反射法和阻抗谱法在1～2 GPa, 室温到1100℃条件下测量了辉长岩的纵波速度(V_p)和电导率, 分析了影响辉长岩纵波速度的因素及其微观导电机制. 结果表明, 在800～850℃, 辉长岩的纵波速度开始大幅度下降, 波速下降受颗粒边界相、脱水熔融等因素的制约, 但在800～850℃, 辉长岩的电传导机制和电导率值却不会发生突变. 在680℃以下, 12～10⁵ Hz的频率范围内, 辉长岩阻抗谱上只出现代表颗粒内部传导机制的阻抗弧Ⅰ; 在680℃以上, 代表颗粒边缘传导机制的阻抗弧Ⅱ开始出现, 但岩石的总电导率由颗粒内部传导控制, 颗粒边缘传导对其影响很小. 实验测得的纵波速度与下地壳-上地幔平均V_p观测值一致, 电导率值与下地壳-上地幔辉长质岩石的组成相对应, 但与含有高导层的下地壳的大地电磁测量结果相差1～2个量级. 实验证实, 含水矿物脱水可诱发部分熔融, 通过这一机制可使地球内部的低速层和高导层具有一致性.     

西藏南部蛇绿岩套电导率研究

大地电磁(MT)资料显示,青藏高原地壳及地幔中普遍存在着高导层.作为大陆造山带中古洋盆岩石圈残片,蛇绿岩套的电导率测量可为了解古洋盆地区地壳及地幔的电性结构提供极其有用的信息.本研究中,我们在压力为1 GPa或3 GPa下,用交流阻抗谱法测量了采自西藏南部地区的蚀变辉长岩、玄武岩、角闪橄榄岩及方辉橄榄岩四个样品的阻抗谱,并进一步得出样品的电导率,不同样品电导率与温度之间的关系满足Arrhenius关系式.在实验温度范围内,蛇绿岩套电导率的对数logσ位于-6.0~-0.5 S/m之间,且随着温度的增高,不同样品电导率增大约4~5.5个量级.样品在未脱水的情况下,低温段的活化焓变化范围在0.4~0.6 eV之间,高温段的活化焓变化范围为1.7~2.6 eV之间.同时,我们研究了样品中结构水含量及铁含量对实验电导率的影响,验证了样品电导率与铁含量之间呈正比关系.当对样品结构水含量进行归一化后,相同温度下各样品的电导率随铁含量的增加而增大,而对样品铁含量归一化后,相同温度下各样品的电导率随样品中水含量的增加而增大.将实验电导率与藏南地区大地电磁结果进行了对比,发现本研究中各样品高温段实验电导率结果均落在大地电磁结果范围内.     

辽宁金伯利岩变基性岩石捕虏体地球化学及锆石年代学: 示踪华北下地壳早期演化

辽宁复县古生代金伯利岩中的变基性岩石捕虏体主要为石榴石麻粒岩, 少量的辉石角闪岩、变辉长岩和辉石正长岩. 它们的SiO₂含量在47.3%~49.9%间. 石榴石麻粒岩多为中、粗粒变晶结构并呈三联点接触, 具石榴石+斜长石+辉石+条纹长石±金云母的矿物组合. 辉石角闪岩的矿物组合为斜长石+辉石+角闪石±条纹长石, 具744~821℃和0.76~0.88 GPa的平衡温度和压力条件. 石榴石麻粒岩来源于辉石角闪岩之下, 相当于>29 km下地壳深度, 石榴石麻粒岩的化学组成相当于钙碱性玄武岩, 具非常宽的Ni(133×10^−6~840×10^−6), 和Nb/Y(0.12~1.85)、Nb/U(3.51~53.86)和Ta/U(0.38~2.48). 辉石角闪岩和辉石正长岩组成上相当于碱性玄武岩. 它们被认为是底侵基性岩浆(结晶分异和未结晶分异)物质与古老地壳组分混染并经变质作用的产物, 并部分受到金伯利岩浆的影响. 变辉长岩锆石协和的表面年龄(2610~2580 Ma)以及石榴石麻粒岩、辉石角闪岩锆石近协和的上交点年龄(2578~2538 Ma), 说明它们是目前所知华北地块深部地壳最古老的捕虏体样品. 这些年龄记录着华北东部统一陆块形成事件, 即新太古代(2.6~2.5 Ga)是华北地块重要的陆壳生长期. 石榴石麻粒岩下交点年龄(1853 Ma)记录着早元古代的一次重要构造-热事件. 该事件可能与华北东、西部地块的碰撞作用以及华北克拉通的最后拼合(1.8 Ga)有关.     

高温高压下地幔岩和苦橄质榴辉岩的电导率实验

为了探讨地幔岩模型和苦橄质榴辉岩模型在上地幔存在的合理性,建立上地幔的电性结构,本文利用YJ-3000t紧装式六面顶压机和Solartron IS-1260阻抗/增益-相位分析仪,在1.0~4.0GPa、700~1150℃的条件下,采用交流阻抗谱法(频率范围10-1~106 Hz)分别测量了地幔岩和苦橄质榴辉岩的电导率.实验结果表明:随着温度的升高,地幔岩和苦橄质榴辉岩的电导率大幅增加;随着压力的增大,地幔岩的电导率略有增加,活化体积ΔV为-4.73cm3·mol-1,而苦橄质榴辉岩的电导率几乎没有变化,活化体积ΔV为-0.11cm3·mol-1;在电性方面,用苦橄质榴辉岩来表示深部的物质较为合理,地幔岩解释浅部可能更恰当,但浅部物质的分布不均匀,电导率随深度的变化主要受控于温度的影响,其次才是成分.     

高温高压下碳酸盐熔体对地幔岩电导率的影响

为了观测含碳酸盐地幔岩部分熔融过程中电导率的变化,厘清碳酸盐熔体在金伯利岩岩浆形成过程中所起的作用,并探讨Slave克拉通中部Lac de Gras地区约80～120km深处的高导成因,我们利用DS 3600t六面顶压机和Solartron 1260阻抗/增益-相位分析仪在1.0～3.0GPa、673～1873K温压条件下分别测量了含碳酸钠(Na_2CO_3)、碳酸钙(CaCO_3)和大洋中脊玄武岩(MORB)的地幔岩样品的电导率.实验结果表明,地幔岩样品的电导率主要受到温度和组分的影响,而压力对其影响较小.在温度低于1023K时,含Na_2CO_3地幔岩样品的电导率明显高于含同比重CaCO_3和MORB的;温度达到1023K时,含Na_2CO_3地幔岩样品开始熔融;但在之后的200K温度区间内,该部分熔融样品的电导率随温度的增加几乎不发生变化.这一现象或许揭示:地幔深部的碳酸质岩浆在快速上升过程中会同化吸收岩石圈地幔中的斜方辉石(Opx),进而形成金伯利岩岩浆,期间岩浆的电导率几乎不发生变化.含CaCO_3和MORB的地幔岩样品分别在1723K和1423K开始熔融,其部分熔融样品的电导率随温度的增加而快速增加.依据前人的研究结果和我们的实验结果,我们认为可以用含碳酸盐的部分熔融样品来解释Slave克拉通中部Lac de Gras地区约80～120km深处的异常高导现象,并推测熔体中碳酸盐的熔体比例小于2wt.%.     

含碳结构对龙门山断层带电导率影响的实验探索

碳是影响岩石电导率大小的一个重要因素,可能是造成龙门山断层带电导率异常的重要原因之一.为了研究不同的碳含量、矿物颗粒粒径与碳晶体结构对断层带电导率的影响,在干燥、常温、0.2~300 MPa的压力条件下实验研究了人工模拟断层泥样品(石英粉末与含碳粉末混合的样品,简称模拟样品)和采自映秀-北川断层八角庙剖面的天然断层岩样品(简称天然样品)的电导率.实验结果显示,当模拟样品中的含碳粉末连通时,电导率与碳体积率的关系符合逾渗理论模型;而含碳粉末未连通时,电导率随总孔隙度降低而指数性升高.同时模拟样品的电导率也随石英颗粒粒径的变化而发生改变.相比于模拟样品中的含碳粉末主要分布于石英颗粒支撑的孔隙中,天然样品中的碳则主要以碳膜的形式赋存在颗粒边缘,导致碳体积率相同的条件下,模拟样品的电导率小于天然样品.此外,天然样品的电导率(9×10~(-4)S·m~(-1))也要小于野外大地电磁探测的结果(0.03~0.1 S·m~(-1)).在今后的实验中还需要考虑在动态摩擦条件下对含有完整含碳结构的天然样品进行电导率的实验研究.     

高温高压下角闪片麻岩的电导率研究

在1.0 GPa压力、343～962 K温度和0.1～106Hz频率的条件下,使用Solartron 1260阻抗-增益/相位分析仪对含角闪石的片麻岩从平行和垂直面理两个不同方向分别进行了电阻抗的测定,并且进一步分析了片麻岩的微观导电机制.高温高压实验结果表明:片麻岩的复阻抗对温度、频率表现出明显的依赖性.片麻岩的电导...     

渤海湾盆地冀中坳陷现今地热特征

渤海湾盆地冀中坳陷是我国最典型的潜山油气藏富集区.本文借助117口钻井地层测温资料和45块实测岩石热导率数据系统研究了冀中坳陷现今地温梯度、大地热流、热岩石圈厚度、岩石圈热结构等地热特征参数.研究表明,冀中坳陷0~3000m统一深度现今地温梯度为20.8~41.0℃·km-1,平均值为31.6℃·km-1,比未校正值减小1~3℃·km-1;现今大地热流介于48.7~79.7mW·m-2,平均值为59.2mW·m-2.平面上,冀中坳陷现今地温梯度和热流由西向东(从盆地边缘向内部)逐渐增大,并且凸起区地温梯度和热流相对较高,而凹陷区则偏低,与基底地形起伏具有很好的对应关系.同时,冀中坳陷腹部高热流凸起区广泛分布地热田.冀中坳陷现今热岩石圈厚度为98~109km,其岩石圈热结构为一典型的"冷壳热幔"型.本研究不仅对冀中坳陷油气勘探与地热能开发具有重要的指导意义,而且为深部岩石圈研究(华北克拉通破坏科学问题)提供了新依据.     

北京平原区西北部大地热流与深部地温分布特征

北京平原区蕴藏着丰富的中-低温水热型地热资源,其西北部分布着小汤山地热田和京西北地热田,两大地热田以南口—孙河断裂带为界.地热田及其外围地区基础的地热地质研究工作较少.为给地热学研究和地热资源精细勘探提供科学依据,本文基于前人23眼钻孔的温度测量数据以及近期完成的548件热导率和100件放射性生热率实测数据,研究了区域大地热流和0~4 km深部地温特征.结果表明：（1）研究区现今地温梯度为11.31~94.89℃·km^-1,平均值为31.79℃·km^-1;岩石热导率为0.895~5.111 W·（m·K）^-1,放射性生热率为0.257~2.305 μW·m^-3,大地热流为48.1~99.1 mW·m^-2,平均值为68.3 mW·m^-2,热流的分布受基底形态和断裂构造控制.研究区东部南口—孙河断裂带两侧小汤山和郑各庄地区为高热流异常区,中部马池口地区也存在局部高热流异常区.（2）在南口—孙河断裂带的不同位置,不同深度地层温度差异明显,体现出区域现今地温场不只受控于该活动断裂,更是多期次构造事件复合叠加的结果.（3）南口—孙河断裂带南侧存在两处有意义的较高地温异常区,分别为郑各庄异常区和马池口异常区,其中马池口异常区是未来地热开发利用有一定潜力的地区.     

塔里木克拉通形成以来的背景热史研究

塔里木盆地是一个典型大型叠合盆地,发育在太古代-早中元古代的结晶基底之上,具有稳定克拉通性质.现今地表热流为43mW·m^-2,平均地温梯度为21℃·km-1,莫霍面温度为550℃,较低的热流背景值指示塔里木盆地经历了一个长期冷却加厚的过程.然而对于这样一个长期冷却过程,之前的研究都只停留在显生宙阶段,并未获得塔里木显生宙以前的热史.本文以塔里木地区已有的地热数据作为约束,依据地幔动力学模型设置底部边界条件,利用正演拟合的方法,反演出塔里木的背景热史,填补了该区域古生代以前热史研究的空白.结果表明,塔里木克拉通自形成以来背景热流不断降低(由85mW·m^-2降至43mW·m^-2),岩石圈持续加厚(由130km加厚到190km),在长时间尺度下,塔里木克拉通总体的热演化模式为长期冷却加厚,这与世界上其他典型克拉通的热演化规律类似.显生宙以来受到短期局部的构造-热事件影响,塔里木克拉通在长期冷却的趋势下叠加了约20～40mW·m^-2的热扰动.