地球深部物质电学性质实验研究

地球深部物质电学性质的实验研究是了解地幔热结构和地幔动力学特征的重要手段之一,已越来越受到地球物理学家的重视。介绍了地球深部物质电学性质实验研究的基本原理、基本方法、电导的影响因素、实验研究的意义和今后的研究方向。     

地球深部物质科学在地球深部研究中的作用和意义

为解决地球深部探测过程中地球物理和地球化学两大系列研究成果无法联系和统一的难题，地球深部物质科学应运而生。该学科既要研究组成地球深部的一切物质实体的物理和化学的属性，又要从物质的角度去研究地球深部的结构和动力学过程。随着该学科的发展，将会为地球深部的观测结果和计算模拟结果赋予物质内容，从而促进对地球深部的物质组成、结构分层以及动力学形成统一认识，建立适合于各学科的地球深部模型。     

地球深部物质弹性的实验研究

“地球深部物质弹性的实验研究”是1989年国家自然科学基金资助项目(编号:48970206)。在实验室模拟地球内部的高温高压条件下,对矿物岩石进行就位弹性波速测量是开展本项目研究的主要方法。由于实验技术难度大,到目前为止已发表的较系统的高压波速测量的数据大多是在室温下获得的,压力范围多在1.0GPa以下。为了提高弹性波速测量的压力和温度范围,获得与地球内部物质更接近的弹性波速的实验数据。三年来该课题组全力以赴,首先对原有的YJ—3000吨压力机的静态超高压大腔体实验设备进行了技术改造。使其温度、压力控制系统实现了自动化,大大改善了升降压、升降温过程中高压腔体的压力温度品质。在此基础上,根据自己实验设备的特点,设计和安装了高温超高压超声脉冲法波速测量装置和样品组装方式。经过反复实验和改进,获得了高压同时加热条件下清晰的超声波图形。并将全波震相分析理论应用于图形的识     

地球深部物质的某些物性测量方法研究

文中介绍了地球深部物质实验室近 2 0年来开展高温高压下地球深部物质物性实验研究过程中 ,在测量方法方面的进步和应用情况。这些测量方法包括了高温、高压下弹性的超声测量方法、高温高压下电性的测量方法、高压差热分析法和高压下热学Gr櫣ｎｅｉｓｅｎ参数的测量方法诟呶赂哐瓜卵沂涂笪锏牡猿饬恐?,我们由超声脉冲透射方法改进为超声脉冲透射反射法 ,克服了样品室中压力和温度梯度对样品的影响。在高温高压下岩石和矿物的电学性质测量中 ,我们由直流法发展为阻抗谱法 ,不仅克服了样品极化对测量结果的影响 ,还可以获得离子在溶液中的多种物理化学参数 ,以及监测含水矿物在高温高压下的脱水动力学特征。在固体传压介质中建立的高压热学Gr櫣ｎｅｉｓｅｎ参数的测量方法 ,由于升压速率比较小且叶蜡石在高压下的热导系数增大 ,其测量结果需要进行校正 ,其测量方法有待进一步改进。     

深部物质运动的气体地球化学特征

根据氦同位素地球化学资料讨论了中国东部和云南腾冲地区上地幔的脱气。尽管地球脱气作用主要发生在地球形成时的十亿年间，但是后期的脱气作用仍是影响大气圈演化的主要因素。在两种力学性质不同的构造带──中国东部大陆裂谷和位于欧亚板块与印度板块缝合带的腾冲火山区，采集了天然气样，并分析了气体组分和氦同位素组成，较高的３Ｈｅ／４Ｈｅ值和地质、地球物理资料表明天然气和温泉气中的氦相当一部分是来自上地幔。来自上地幔的氦和其他气体自第三纪以来不断在气藏中聚集或向大气中逃逸。伴有源于上地幔的岩浆活动的地幔脱气是深部物质运动的具体表现形式，它对新生代气候演变可能有直接影响。     

沉积岩物质成分所蕴含的地球深部信息

沉积岩的稀土元素、微量元素、Ｓｒ同位素和Ｎｄ同位素等物质成分中蕴含着与地壳构造演化密切相关的地球深部信息。当盆地发育处于拉张裂陷时期,盆地基底不太稳定,沉降比较快,且常有来自地球深部的幔源物质进入沉积盆地。来自地球深部的沉积物源,其成分和性质与来自陆源的完全不同,这种物源加入到沉积盆地中,必然导致沉积物中元素地球化学体系的异常。与正常陆源沉积岩相比,通常表现为,在经球粒陨石标准化后的稀土元素分布模式中,Ｅｕ负异常减小甚至消失,ｗｎ（Ｔｂ）／ｗｎ（Ｙｂ）值增高,ｗ（Ｔｈ）／ｗ（Ｓｃ）值、ｗ（Ｔｈ）／ｗ（Ｕ）值、ｗ（Ｌａ）／ｗ（Ｓｃ）值明显降低,Ｃｒ,Ｎｉ等铁镁质元素含量增高,Ｎ（８７Ｓｒ）／Ｎ（８６Ｓｒ）值低,而ε（Ｎｄ）值将明显增高。沉积岩物质成分中的这些特征,可作为判断沉积物受深部幔源物质影响的重要证据。     

超临界水的特性及其对地球深部物质研究的意义

水在超临界状态下有着与标准状态明显不同的行为，超临界水具有许多的特殊性质，如强烈的氧化作用，很强的溶解性能，以及通过温度和压力变化控制其密度在类似蒸汽到类似液体的密度之间等。水在约４００℃的超临界温度下，几乎有的氢键都裂解了，超临界水的这一性质很可能是超临界水具有许多特殊性质的主要原因，超临状态地幔水的存在，不仅对球物理场的性质有重要影响，崦且对于地质构造演化、地球化学动力学、成矿作用，以及深部地     

地球深部物质和能量交换的动力过程与矿产资源的形成

地球深部物质与能量的交换和深层动力过程这一科学问题的提出,乃是近年来地球科学发展与逐步向量化“进军”的必然,它是探索一系列地学前沿课题的基础。地球表面所见到的一系列地球物理场异常,地质构造格局,地球化学组分变异,无一不受到地球内部物质与能量的交换和深层动力过程的制约。如地球圈层的形成与演化,大陆伸展与裂谷,资源与能源等,均为深部物质运移和物理学、化学效应及地质构造耦合的产物。本文讨论了金属矿产资源与地壳、地幔结构及深部物质运移的动力学响应。通过几个典型矿床和其形成要素分析了成矿作用的深层动力过程。文中主要讨论了五个方面的问题:第一,金属矿产资源成矿和分布与地壳、地幔结构及深部物质运移和成矿带。第二,金的形成与深层过程。第三,金属矿床的形成、演化和分布与深部物质及能量的交换。第四,地幔热柱与成矿作用。第五,地球内部深层动力过程与流体运移和必须深化研究的几个问题。     

应用于地球深部物质科学研究的静态超高压实验技术

三十多年来静态超高压实验技术已发展成为实验压力、温度范围分别为1～550GPa,-256°～3500℃,主要应用于下地壳、地幔及地核物质的物理和化学性质研究,并已取得大量研究成果的一项实验技术。本文简要介绍了该项实验技术与地学领域其它高温高压实验技术的区别,以及静态超高压实验装置的两大系列——金钢石压腔装置和大腔体高压装置的特点和应用情况。并对这两大系列实验技术的发展前景和我国应有的对策进行了评述。     

地球内部极端条件下流体和物质相互作用:透过金刚石窗口探测地球深部流体

报道关于地球内部极端条件下的流体实验研究的最新进展。使用金刚石压砧结合各种谱学方法及同步辐射光源技术,在高温超高压条件下原位直接测量物质的结构和性质,已经获得分子-原子尺度信息新的实验数据。本项工作使用金刚石压砧对高压(10GPa)和高温高压(800℃,3GPa)条件下的NaCl-H2O进行红外谱原位直测,研究了高压和高温高压下水分子结构,发现水分子的O—H振动特征峰频率随温度向高波数变化,而且,在临界态区域时水分子间的氢键网格被破坏。实验说明:地球内部流体性质由深到浅不断变化,如水的密度、介电常数等物理参数随温度压力而改变,在临界态出现突变。这些变化可以用高压高温的物质的各种谱学特征来表征。水的性质与它的分子结构、分子振动有关。在跨越临界区时水的性质异常涨落是由水分子结构异常变化、分子振动形式变化和氢键网格破坏所导致的。从分子尺度认识地球内部流体在极端条件下的性质和高压原位实验观测有助于我们进一步了解地球深部物质的性质及其相互作用,有助于认识深部过程。     

深部地球中水的分布和循环

深部地球中的主要物相(橄榄石、辉石、石榴石等及其高压相变产物)是理想化学式中不含H的“名义上无水矿物”,以缺陷形式存在于它们结构中的OH/H2O(统称为结构水)的发现是近二十年来地球科学领域最重要的进展之一。从天然样品的观察和高温高压实验结果来看,深部地球矿物中普遍含有结构水,其总量可能远远超过了水圈。水在深部地球不同层圈中的分布可能具有时间上和空间上的不均一性。在板块俯冲过程中,即使温压条件超过了含水矿物的稳定范围,名义上的无水矿物(如石榴石、辉石等)也可以携带大量的水(质量分数至少数百10-6)进入深部地球,构成了壳幔之间水循环的重要途径。     

同步辐射激光加温DAC技术及在地球深部物质研究中的应用

实验室模拟地球深部的温度和压力环境,研究地球相关材料的物理和化学性质,是解释地震波数据、进一步了解地球内部结构和动力学过程的重要途径。用高功率的红外激光光束,加温金刚石对顶砧压腔(DAC)中的样品,可以获得深部地幔乃至地核的极端温度和压力条件,已广泛地用于地球深部矿物的相变、熔融和状态方程研究。同步辐射微束技术的发展,为激光加温DAC技术的应用开辟了新的领域,也使地幔及地核条件下的矿物研究有了重要的突破。文章介绍激光加温DAC技术的发展;阐述高温高压原位的同步辐射X射线衍射方法;例举激光加温DAC技术在地球深部物质研究中的一些应用;并对一些关键的技术问题加以分析和讨论。     

X射线晶体学技术的发展及其在地球深部物质研究中的应用

随着光源更为全面的应用、探测器及计算技术方面的发展X射线晶体学技术得到了利用电子藕合探测器技术（CCD）对矿物晶体包括对地幔矿物及具有调制结构的矿物晶体结构的测定．开发出电子藕合探测器技术中的甘道菲（Gandolfi）方法。该方法不仅能对单晶样品进行德拜环的测定，而且可大量应用于难以取得单晶颗粒的样品的XRD研究．从而使得处于单晶（具有严格单一的晶体学取向）及粉晶（具有完全随机的晶体学取向）之间过渡类型的晶体的XRD研究成为可能。该方法与粉末衍射图谱的全谱拟合（Rietveld method）法相结合可解决粉晶结构解析和精修问题。     

交流阻抗谱法及其在地球深部物质科学中的应用

交流阻抗谱对于表征地球深部物质的电学性质以及电极界面性质是一种比较新的而且是强有力的工具。它可以用来调查各种固体、流体内部以及界面的束缚和移动电荷的动力学。文中介绍了交流阻抗谱的基本原理以及常用的数据处理方法。对交流阻抗谱在不同的物质体系———矿物单晶、矿物多晶(岩石)、电解质溶液、岩石破裂、熔体中的表现形式进行了研究,并且给出相应导电机制的等效电路模型。研究结果发现,对于矿物单晶和矿物多晶在最高频率段的导电机制由颗粒内部引起;最低频率段的导电机制由电极界面所引起;而矿物多晶中间频率段的导电机制由颗粒边界所引起。对于电解质溶液,最高频率段的导电机制由电解质溶液所引起,而低频率段的导电机制由溶液电极界面所引起。交流阻抗谱对于检测岩石破裂和部分熔融中熔体的分布及数量都非常灵敏。     

深部复合地层力学性质研究

为了研究深部复合地层在不同围压、不同软硬层厚度比条件下的力学性质,以水泥和纯白高岭土为原料,人工制作复合地层物理模拟样品进行单轴及三轴压缩力学试验,同时结合FLAC~(3D)数值模拟,研究不同围压、软硬层厚度比对复合地层力学性质的影响。研究表明,人工制作的复合地层可以满足强度差异要求;随着围压升高,复合地层会出现应变硬化,之后由于软硬岩不协调变形,应变硬化消失,软岩中的不规则裂纹增多;若不考虑结构面等因素,深部复合地层力学性质由占比多的岩性决定;数值模拟与试验得出的应力–应变曲线具有相似的趋势,都表明深部复合地层的变形主要发生在软岩部分。     

地球内核与地球深部动力学

地球内核由外核富含铁元素的液态物质结晶而成。经证实,内核正以约１（°）／ａ的速率相对于地幔向东转动。内核的旋转是通过穿过内核的地震波的走时随时间变化推测得到的。这种变化是最近十多年来揭示出的内核各向异性在空间方位的改变所造成。内核的各向异性被认为起因于各向异性的铁晶体的有序排列,但这种有序排列的机制还不清楚。内核在地球发电机中起着重要的作用。利用大型的并行计算机,人们已得到能产生像地磁场一样的三维发电机数值模拟。地震学观测到的内核差速旋转为最近的发电机数值模拟提供了支持。这种数值模拟曾预测：导体内核与外核产生的磁场的电磁耦合驱动了内核每年几度向东旋转。地核通过核幔边界的接触及内核与地幔的引力耦合与地幔存在强烈的相互作用。多学科领域的突破为认识地球的深部动力过程提供了极好的机会和手段。     

地球深部物质科学——在静高压大腔体实验研究方面的某些进展

介绍近年来使用静态超高压大腔体实验技术 ,在模拟地球内部的高温高压条件下 ,对地球物质进行的若干物理和化学性质的实验研究。高压同时高温条件下多种岩石样品的弹性波速就位测量揭示出物质的声软化现象和振幅效应 ;高温高压下陨石和岩石的熔融结晶实验发现了陨石硅酸盐相的不混溶现象以及玄武岩熔体结构的变化 ,在玄武岩转变为榴辉岩的实验中观测到了刚玉相 ;在高温高压水的实验中 ,发现了冰 Ⅶ 的亚稳相和熔融前效应以及超临界水及其稀溶液的一些新性质。这些实验结果为探索地球深部物质的性质和状态以及迁移和演化提供了新的依据。