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(Fe~(2+)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.     

大陆造山带碰撞-俯冲-折返-垮塌过程的岩浆作用及大陆地壳净生长

地球上的造山带可以划分为增生型造山带和碰撞型造山带,造山带岩浆作用发生在从大洋俯冲、大陆碰撞到造山带垮塌的每一个阶段.陆-陆碰撞的必要条件是大陆俯冲带的存在.一般假设,大陆岩石圈深俯冲的前提是大洋岩石圈俯冲及其在陆-陆碰撞时对紧随被动大陆边缘岩石圈的重力拖曳.大陆俯冲和碰撞的结果是地壳加厚和隆升,但是所产生的造山带岩浆作用发生在什么时间则取决于岩石圈加热机制.增生型造山带没有发生大陆之间强烈碰撞和深俯冲,一般缺少大规模的地壳叠置加厚和隆升,缺少与大陆深俯冲有关的超高压榴辉岩相变质岩,虽然大洋俯冲阶段可以形成巨厚的陆弧地壳,但同碰撞和碰撞后岩浆作用是否存在值得怀疑.碰撞型造山带由于大陆深俯冲和地壳强烈加厚,超高压变质的洋壳和大陆地壳在折返过程中减压熔融,形成同碰撞岩浆作用,在造山旋回晚期去根和垮塌过程中,由于岩石圈伸展和软流圈地幔上涌,形成碰撞后岩浆作用,并标志造山旋回的结束.因此,碰撞造山带的岩浆作用可以发生在大陆深俯冲的同时、俯冲洋壳与陆壳断离后的折返和隆升、造山带的去根和垮塌过程,从大陆碰撞到造山带垮塌和剥蚀(造山旋回结束)的时间跨度为50~90百万年.大陆碰撞造山带是深入了解大陆深俯冲、折返隆升及其造山带垮塌过程的重要场所,而碰撞造山过程中的岩浆作用对大陆地壳生长和再造有重要意义.     

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.     

扬子克拉通太古代崆岭群角闪岩相与麻粒岩相岩石的岩石磁学研究

提供了扬子克拉通太古代基底崆岭群２０件代表性岩石样品的密度与磁性参数的测量结果．结果表明，变碎屑岩与ＴＴＧ（英云闪长－奥长花岗－花岗间长质）片麻岩（１３个样品）的磁化率与饱和剩磁普遍大于斜长角闪岩和辉长岩．前者的磁化率与饱和剩磁平均值分别为１２１３×１０^－６ＳＩ与１９．９４Ａ／ｍ，而后者的则为８０２×１０^－６ＳＩ与１０．７７Ａ／ｍ．变碎屑岩与ＴＴＧ片麻岩呈明显的亚铁磁性状态；斜长角闪岩和辉长岩则以顺磁性或顺磁性与亚铁磁性混合状态分布为主．热磁分析结果表明，变碎屑岩与ＴＴＧ片麻岩的剩磁载体以磁铁矿与磁赤铁矿为主；斜长角门岩和辉长岩则明显含有磁黄铁矿与次要的磁铁矿．变碎屑岩与ＴＴＧ片麻岩的磁性具有很强的非均一性．推断崆岭群中的变碎屑岩为麻粒岩相变质级，视深度相当于大陆下地壳；而斜长角闪岩的变质级明显低于变碎屑岩，可能为角门岩相，视深度相当于中地壳．变碎屑岩与ＴＴＧ片麻岩磁性的强非均一性可能与该区后期广泛发生的混合岩化作用密切相关。     

高压下华北北缘二辉麻粒岩电导率的研究

借助于YJ-3000t紧装式六面顶固体高压设备,在1.0~2.0 GPa、523~1173 K条件下,利用Agilent 34401A数字电表和Solartron IS-1260阻抗-增益/相位分析仪,同时使用三种方法:交流阻抗谱法(频率范围0.05~10⁶ Hz)、单频交流法(0.1 Hz)和直流法测量了华北北缘二辉麻粒岩的电导率.结果表明:在实验的温度和压力范围内,二辉麻粒岩电导率的变化在2.66×10^-5~0.056 S·m^-1之间,电导率对压力没有很强的依赖性;随着温度的升高,电导率增大,遵循Arrenhius关系式,其指前因子为8.95~17.9 S·m^-1,活化能为0.569~0.605 eV.对比三种方法获得的电导率数据,发现阻抗谱法测量结果大于单频法测量结果,直流法测得的结果最低,但是,三种方法获得的电导率差值除两个低温点外,绝大多数都很小(Δlgσ<0.20 lg(S/m)).结合现今华北克拉通地热学参数及地壳分层结构,依据实验获得的电导率温度关系建立了电导率-深度剖面.并将其与大地电磁测深获得的地壳电性结构进行了对比,结果表明二辉麻粒岩的电导率与华北北缘的中地壳底部和下地壳底部电导率值的区域相交,再结合高温高压下二辉麻粒岩的弹性波速度剖面与地震折射剖面的对比,认为二辉麻粒岩有可能是组成华北北缘下地壳的岩石之一.     

南海西南次海盆的地热流特征与分析

为系统地了解南海西南次海盆的地热流特征,本文通过对研究区及邻域地热流数据的补充采集、收集整理和统计分析,获得了87个有效的地热流数据、一批热导率和生热率的地热参数资料,地热流测点在空间上覆盖了整个区域.研究区的地热流数据分布结果表明,西南次海盆热流密度的平均值为98.1±14.8 mW·m^-2,洋陆过渡带为103.6±19.4 mW·m^-2,南沙岛礁区和西部陆缘分别为79.0±15.5 mW·m^-2和78.3±15.6 mW·m^-2.研究区表层沉积物热导率的平均值0.86±0.06 W·mK^-1,生热率的平均值1.11±0.17 μW·m^-3,海底温度的平均值为2.43±0.01℃.综合海底地形地貌、地质与地球物理资料,认为研究区的热流特征在空间上具有一定的分布规律,表现为：（1）洋盆区测点的热流密度平均值高于两侧陆缘;（2）东南缘洋陆过渡带上测点的地热流密度值高于邻近海盆和南沙岛礁区的测点,而西北缘这种特征不明显;（3）西北翼的热流密度值总体比东南翼高;（4）沿着古扩张中心方向,西南次海盆热流值具有自东北向西南端方向逐步增大的趋势,表明海盆区同时存在着洋中脊与大陆裂谷两种不同的热状态,西南段裂谷热流值比东北段洋中脊高.对西南次海盆沉积物的热导率和生热率值参数的测量及数据空间分析可见,这两种热参数的空间分布无明显规律性,可能与海盆形成之后复杂的沉积环境相关.根据热流-洋壳年龄之间的关系,在西南次海盆东北段26个测站数据中,发现靠近古扩张中心的数据与理论值呈负偏移,而远离古扩张中心的数据呈正偏移,此现象是海盆内地热流数据受不同类型的地下流体影响所致.     

珠江口盆地大地热流特征及其与热岩石圈厚度的关系

沉积盆地现今热流特征是岩石圈构造-热演化过程的综合反映和盆地热史恢复的必要约束条件,其总体变化趋势与热岩石圈厚度密切相关.本文根据新收集的珠江口盆地19口钻井温度数据,新增计算了19个大地热流数据,其中12个数据位于深水区（水深大于300 m）,丰富了该盆地深水区钻井地热数据.结合前人研究成果,绘制了该盆地的大地热流图,并分析了其热流分布特征.在此基础上通过求解一维热传导方程,计算得到36口井位处的热岩石圈厚度,量化了盆地大地热流与热岩石圈厚度间的关系.结果显示,珠江口盆地大地热流值介于24.2~121.0 mW·m^-2,平均71.8±13.6 mW·m^-2,新增盆地深水区钻井平均热流值高达84.5±4.4 mW·m^-2.大地热流分布整体上从陆架区到陆坡区升高,而热岩石圈厚度整体分布趋势与大地热流相反.大地热流与热岩石圈厚度间存在良好的指数相关性.     

南海北部珠江口—琼东南盆地地壳速度结构与几何分层

基于南海北部大陆边缘珠江口—琼东南盆地深水区实施的14条近垂直深反射地震探测叠加速度谱,利用Dix公式将叠加速度剖面转换为地壳层速度剖面,并利用时深转换方法构建了深度域地壳层速度模型,综合各地壳速度剖面分析了南海北部大陆边缘珠江口与琼东南盆地不同深度层次的P波速度变化趋势以及地壳几何分层特征.结果表明,琼东南盆地区可分为4～8 km沉积层（V_P为1.7～4.7 km/s）、4～10 km厚的上地壳层（V_P为5.2～6.3 km/s）、5 km〗左右的下地壳层（V_P为6.4～7.0 km/s）以及2～6 km厚的高速下地壳底层（V_P＞7.0 km/s）.V_P＞7.0 km/s下地壳高速层的存在被认为是岩石圈伸展、下地壳底部底辟构造或者是残存的原始华夏下地壳基性层的地震学指示;综合研究区地球物理探测成果构建了跨越华南大陆与南海北部陆坡区剖面莫霍和岩石圈底界图像,揭示出岩石圈上地幔在华南大陆与南海北部大陆边缘的减薄特征.     

沉积速率对渤中坳陷大地热流的影响

盆地内快速剧烈的构造作用可导致热异常,在利用盆地热历史揭示深部动力学过程时,需消除热异常的影响. 本文根据瞬时热传导原理,校正了渤海湾盆地渤中坳陷低热异常,准确地约束了盆地深部动力学状态. 对渤中坳陷内3口典型井进行热流校正结果表明,渤中坳陷古近纪以来快速沉积导致其现今（~60.9 mW·m^-2）未达到热平衡（低热异常）. 校正后的热流值平均约为67.4 mW·m^-2,比现今高5~10 mW·m^-2. 利用校正后的热流值计算得到的渤中坳陷的“热”岩石圈的平均厚度约为70 km,比修正前的厚度（82~100 km）减少了13~28 km.     

与大陆裂谷有关的地壳深震

至少有四个大陆裂谷带内部或边缘发生了地壳深震（＞２０ｋｍ）。其中大多数地震（Ｍ≥５．０）为走滑或斜滑机制，它们的Ｔ轴方向接近于一裂谷带浅部正断层作用有关的Ｔ轴方向。多数地壳深震沿具有较冷的且厚度较大的地壳部位的裂谷边缘发生。然而，也有一些地震发生在具有高热流的区。这些地区也表现为高应变区，这可能是影响可观测深度的一个因素。我们认为地壳深震或是代表了裂谷带相对于邻近稳定区的相对运动，或是表明了裂谷作     

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.     

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.     

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.     

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.%.     

张裂型盆地地热参数的垂向变化与琼东南盆地热流分布特征

海洋热流数据是开展海洋地球动力学研究和油气资源评价的基础数据.为深入认识琼东南盆地的地热特征,本文首先利用耦合沉积作用与岩石圈张裂过程的数值模型分析了张裂型盆地主要地热参数的垂向变化特征;并通过钻孔资料的详细分析,获得了琼东南盆地44口钻孔的热流数据;结合海底地热探针获取的热流数据,对琼东南盆地地热特征及其主要影响因素进行了简要分析.结果表明:沉积作用的热披覆效应对表层热流有较明显的抑制作用,由于沉积物生热效应与披覆效应的共同作用,同一钻孔处海底表层热流与钻孔深度3000~4000m处热流或与海底间的平均热流差异很小,可以一起用于分析琼东南盆地的热流分布特征;莺歌海组、乐东组热导率随深度变化小于黄流组及其下地层热导率的变化,钻孔沉积层平均热导率约为1.7 W·(m·K)-1,钻孔地层生热率一般低于2.5μW·m-3,平均生热率为1.34μW·m-3,平均地温梯度主要介于30~45℃/km,热流介于50~99mW·m-2,陆架区热流主要集中于60~70mW·m-2,深水区钻孔具有较高的地温梯度和热流值;从北部陆架与上陆坡区往中央坳陷带,热流值从50~70mW·m-2,增高为65~85mW·m-2,并且往东有升高趋势,在盆地东部宝岛凹陷、长昌凹陷与西沙海槽北部斜坡带构成一条热流值高于85mW·m-2的高热流带.进一步分析认为,琼东南盆地现今热流分布特征是深部热异常、强烈减薄岩石圈的裂后冷却作用、晚期岩浆热事件、地壳与沉积层的生热贡献以及沉积作用的热披覆效应等多种主要因素综合作用的结果.     

郯庐断裂带是热异常带吗:来自断裂带南段热流的约束

郯庐断裂带是东亚最重要的断裂之一,在构造地质、岩石矿物、地震分布等领域得到了广泛的关注,然而少有针对郯庐断裂带地热学的研究.本文作者对郯庐断裂带南段7口钻井进行了系统测温,采用光学扫描法测试了6口钻井的142块岩心和13块露头样品的热导率,获得了6个高质量的热流数据.结合已发表的热流和地震剖面资料,我们获得了郯庐断裂带南段的岩石圈结构.研究表明,郯庐断裂带南段现今地温梯度从南到北有增大的趋势,介于21.8~30.3℃·km^-1.大地热流值介于44.0~81.7 mW·m^-2,平均61.4±10.8 mW·m^-2,表现为正常大地热流的特征,并非热异常带.最大热流值出现在庐枞盆地的大陆科学钻探井ZK03处,上地壳浅部极高的生热层很可能是高热流的主要因素.沿郯庐断裂南段地震带浅源地震发震带的底界和350℃等温面耦合较好,指示了深部结构的差异.     

Correlation between electrical conductivity and other geophysical parameters

Anomalies of electrical conductivity are considered in relation to other geophysical parameters, such as seismic wave velocity, attenuation, seismicity and density, and to tectonic features. In the case of active subduction zones there appears to be a good correlation between low conductivity and the seismic quality factor Q. Beneath western North America, a conductive zone in the uppermost mantle apparently is controlled by the thickness and severity of the low-velocity layer. Anomalies in conductivity beneath rift valleys can be related to regions of intermediate seismic P-wave velocity, typically about 7.0 km/sec, which is suggestive of partial melting of mantle material. Within the continental crust, anomalies in conductivity are not, in general, thermally controlled, but they can show correlations with seismicity, and may indicate intra-plate boundaries.