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.

     

绿泥石片岩和斜长角闪岩在高温高压下的物理力学性质及其应用

在高温高压下绿泥石片岩和斜长角闪岩中含水矿物的脱水作用可以引起岩石物理力学性质的异常变化。在半封闭条件下，含水矿物的脱水温度有随压力增加而降低的趋势。脱水作用可能是华北地区壳内低速高导层（体）的形成原因之一。这一低速高导层（体）同时也是低强度的软弱层（体），有利于地震在其上覆脆性岩层中的孕育与发生     

高温高压下斜长岩纵波速度与电导率实验研究

在1.0 Pa、室温到880℃分别采用超声波透射法和阻抗谱法测量了斜长岩的纵波速度和电导率，并对实验产物进行了鉴定分析．结果表明，在680℃，由于斜长岩中的含水矿物绢云母和黝帘石发生脱水反应，岩石的纵波速度开始大幅度下降．在410℃～750℃、12～105 Hz的频率范围内，斜长岩只出现颗粒内部传导．由于脱水产生的自由水主要分布于矿物的三联点或颗粒拐角处，没有形成连通的高导性网络，因此，脱水作用不会导致斜长岩电导率显著增加，也不会改变其电传导机制．地球内部低速层和高导层的形成与演化可能具有非同步性，通过含水矿物脱水可以形成地球内部的低速层，但不一定同时形成高导层．      

黑云斜长片麻岩电导率研究

在压力为1.0GPa、温度为400~1 073K条件下,用交流阻抗谱法研究了采自山东泰山的黑云斜长片麻岩平行及垂直面理方向的电导率。在实验温度范围内,黑云斜长片麻岩实验样品电导率的对数值为-6.0~0.5S/m,满足Arrhenius方程。电导率在平行面理方向比垂直面理方向高出约1个数量级。平行面理方向样品电导率分别在第3轮升、降温过程中的881~1 040K之间出现1个明显的电导率突变过程,这可能与黑云母的脱水有关。在低温段,垂直及平行面理方向样品的活化焓分别为0.43和0.49eV,在高温段则分别为3.40和1.53eV。将该实验电导率结果与华东地区大地电磁结果进行对比发现,在中下地壳范围内,该实验结果部分位于大地电磁结果范围内,说明黑云斜长片麻岩可能是组成这一地区中下地壳的候选岩石之一。     

2.0 GPa块状斜长角闪岩部分熔融

利用多顶砧压机, 以青藏高原北喜马拉雅构造带的天然斜长角闪岩为样品, 在2.0 GPa, 800~1000℃条件下进行了两个系列的块状样品脱水部分熔融实验: (1) 保持压力p = 2.0 GPa, 加热时间t = 12 h不变, 改变温度(800℃~1000℃)的实验; (2) 保持压力p = 2.0 GPa, 温度T = 850℃不变, 改变加热时间(12~200 h)的实验. 结果表明, 2.0 GPa, 加热12 h的条件下, 随温度升高, 斜长角闪岩中依次生成了石榴石、 熔体和单斜辉石, 熔体的成分呈英云闪长质-花岗闪长质-英云闪长质的演化趋势. 2.0 GPa, 850℃条件下, 随加热时间增加, 斜长角闪岩中依次生成了石榴石、熔体和单斜辉石, 熔体的成分由英云闪长质向花岗闪长质演化.当块状岩石样品中熔体体积百分比的含量达到5%时, 熔体已经相互连通.温度大于850℃的条件下生成的熔体其粘度在104 Pas量级, 已经满足了在地质时间尺度上熔体分凝形成岩浆的粘度要求. 因此, 可以认为在增厚地壳的下 部, 斜长角闪岩的脱水部分熔融可以形成英云闪长质-花岗质岩浆.     

2.0 GPa块状斜长角闪岩部分熔融--时间和温度的影响

利用多顶砧压机, 以青藏高原北喜马拉雅构造带的天然斜长角闪岩为样品, 在2.0 GPa, 800～1000℃条件下进行了两个系列的块状样品脱水部分熔融实验: (1) 保持压力p = 2.0 GPa, 加热时间t = 12 h不变, 改变温度(800℃～1000℃)的实验; (2) 保持压力p = 2.0 GPa, 温度T = 850℃不变, 改变加热时间(12～200 h)的实验. 结果表明, 2.0 GPa, 加热12 h的条件下, 随温度升高, 斜长角闪岩中依次生成了石榴石、熔体和单斜辉石, 熔体的成分呈英云闪长质-花岗闪长质-英云闪长质的演化趋势. 2.0 GPa, 850℃条件下, 随加热时间增加, 斜长角闪岩中依次生成了石榴石、熔体和单斜辉石, 熔体的成分由英云闪长质向花岗闪长质演化.当块状岩石样品中熔体体积百分比的含量达到5%时, 熔体已经相互连通.温度大于850℃的条件下生成的熔体其粘度在104 Pas量级, 已经满足了在地质时间尺度上熔体分凝形成岩浆的粘度要求. 因此, 可以认为在增厚地壳的下部, 斜长角闪岩的脱水部分熔融可以形成英云闪长质-花岗质岩浆.     

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.     

高温高压下花岗岩条纹长石和电导率的变化

介绍在510MPa 压力下,花岗岩电导率随温度的变化,讨论了电导率变化的机理.(1)在510MPa 压力下。花岗岩的条纹长石于600℃开始消失,至700℃时它们大量消失并变为正长石.(2)在510MPa 压力下,600℃时花岗岩的电导率出现拐点,此后电导率急剧上升,在600—700℃电导率增加了两个数量级.     

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...     

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1.0~4.0 GPa、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-4.73 cm3·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-0.11 cm3·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.     

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80~120 km深处的高导成因,我们利用DS 3600 t六面顶压机和Solartron 1260阻抗/增益-相位分析仪在1.0~3.0 GPa、673~1873 K温压条件下分别测量了含碳酸钠（Na₂CO₃）、碳酸钙（CaCO₃）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1023 K时,含Na₂CO₃地幔岩样品的电导率明显高于含同比重CaCO₃和MORB的;温度达到1023 K时,含Na₂CO₃地幔岩样品开始熔融;但在之后的200 K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CaCO₃和MORB的地幔岩样品分别在1723 K和1423 K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80~120 km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2 wt.%.

     

The electrical conductivity of eclogite in Tibet and its geophysical implications

The electrical conductivity of Tibetan eclogite was investigated at pressures of 1.5–3.5 GPa and temperatures of 500–803 K using impedance spectroscopy within a frequency range of 10-1–106 Hz. The electrical conductivity of eclogite increases with increasing temperature(which can be approximated by the Arrhenius equation), and is weakly affected by pressure. At each tested pressure, the electrical conductivity is weakly temperature dependent below ~650 K and more strongly temperature dependent above ~650 K. The calculated activation energies and volumes are 44±1 kJ/mol and-0.6±0.1 cm3/mol for low temperatures and 97±3 kJ/mol and-1.2±0.2 cm3/mol for high temperatures, respectively. When applied to the depth range of 45–100 km in Tibet, the laboratory data give conductivities on the order of 10-1.5–10-4.5 S/m, within the range of geophysical conductivity profiles.     

石墨-石英模型电导率的数值模拟研究及地球物理应用

地壳高导异常及各向异性成因是地学研究的热点之一,断裂带区域常呈现出高电导率特征,对于石墨富集的断裂带,石墨形态及分布对导电性的影响已经引起关注.本文利用有限元数值模拟方法,构建了石墨-石英三维模型,探讨了石墨含量、排列方式、孔隙度及温度对模型电导率的影响.结果表明,石墨连通前,温度的增加能使模型电导率显著增大,而在石墨连通后,石墨含量的增加、片状石墨沿导电方向的定向排列以及石墨直径与厚度比值的增大,均能导致模型电导率发生显著增加,孔隙度的增大则导致模型电导率减小.同时,这些参数的变化也会使模型电导率突变时的石墨含量阈值发生改变,当石墨排列方向改变时,这一阈值变化显著,对于石墨富集的一些断裂带区域,石墨定向排列可能是引起高导的一种成因.