上地幔尖晶石-石榴石相转变实验研究及其意义

采用新生代玄武岩中地幔岩捕掳体的矿物、岩石天然样品进行尖晶石与石榴石的相转变实验研究,结果发现尖晶石二辉橄榄岩与石榴石二辉橄榄岩相转变条件(T=1100℃和P=1.8～2.0GPa)与中国东部五相共存的尖晶石/石榴石二辉橄榄岩P-T平衡条件一致.提出中国东部大陆上地幔55～70km深处存在几公里至十几公里厚的尖晶石二辉橄榄岩与石榴石二辉橄榄岩相转变带.尖晶石辉石岩向石榴石辉石岩相转变深度小于55km.实验结果还揭示水促使地幔交代作用,但又抑制了相转变.同时讨论了矿物成分分带现象.     

水在橄榄石中溶妥解研究的固体传压高温高压实验方法

人们关注地球深部水对地球介质的力学和物理性质影响，以往实验研究大都用气体设备在几百ＭＰａ的低压力下进行的。为实现深部高压条件，本文用固体传压技术在１０００－１３００℃，１．０－２．０ＧＰａ温压条件进行橄榄石晶体内水溶解度实验研究。     

人工多晶橄榄石样品孔隙压缩高温高压实验研究

人工制备多晶橄榄石样品的高孔隙度是实验关注的问题之一。本文着重研究在给定温度条件下人工多晶橄榄石样品高温高压孔隙压缩问题。文中给出了含水的湿样品和干燥样品孔隙度与实验压力的关系曲线,并提出了衡量样品压实程度的压实系数Ｖｏ／Ｖ的概念。     

镍锗尖晶石位错域的高温蠕变实验研究

利用人工合成的多晶材料研究了镍锗尖晶石在位错域的高温蠕变性质.多晶材料的颗粒尺寸约8μm.单轴压缩试件为圆柱状,使用气体介质围压筒.常压蠕变试验过程中,围压为300MPa,温度为1373—1523K,应力在55—330MPa范围内.从实验结果得出了镍锗尖晶石在位错域的流动律,应力指数n=29±01,表明流动的微观机制为位错蠕变.与其他尖晶石进行对比可以发现一个力学同构群,虽然在正尖晶石和反尖晶石之间存在一定的差异.在位错蠕变域,尖晶石与橄榄石归一化的强度类似.由于尖晶石的剪切模量比橄榄石高50%,其实际强度也比橄榄石高.将橄榄石和尖晶石的蠕变数据外推到地球内部条件时,由于其高应力指数,橄榄石则有可能比尖晶石的强度高.     

镍锗尖晶石位错域的高温蠕变实验研究

利用人工合成的多晶材料研究了镍锗尖晶石在位错域的高温蠕变性质.多晶材料的颗粒尺寸约8μm.单轴压缩试件为圆柱状,使用气体介质围压筒.常压蠕变试验过程中,围压为300MPa,温度为1373-1523K,应力在55-330MPa范围内.从实验结果得出了镍锗尖晶石在位错域的流动律,应力指数n=29±01,表明流动的微观机制为位错蠕变.与其他尖晶石进行对比可以发现一个力学同构群,虽然在正尖晶石和反尖晶石之间存在一定的差异.在位错蠕变域,尖晶石与橄榄石归一化的强度类似.由于尖晶石的剪切模量比橄榄石高50%,其实际强度也比橄榄石高.将橄榄石和尖晶石的蠕变数据外推到地球内部条件时,由于其高应力指数,橄榄石则有可能比尖晶石的强度高.     

对橄榄石相变形核率的估算

地幔主要矿物橄榄石［(Mg0.89Fe0.11)2SiO4］的相变与深源地震的解释以及俯冲带和周围地幔的相互作用相关. 其中,形核率和长大率是刻画其相变动力学的两个重要参数. 因为实验技术的原因,目前人们还没有基于实验数据给出橄榄石的形核率. 本文首先通过对挤碰物理图像的分析,对边界形核情形的相变动力学理论中表征挤碰程度的无量纲参数进行了修正. 在此基础上,根据已有的实验资料,首次对橄榄石相变的形核率进行了估计. 通过对形核率数据的拟合,可以得到形核率参数K0和γ1/3. 得到两个形核率参数的变化范围分别为K0=5.5×1021～8.7×1027s-1·m-2·K-1,γ1/3=0～0.20 J·m-2,最佳拟合值为：K0=6.9×1024s-1·m-2·K-1,γ1/3=0.16 J·m-2.     

大麻坪橄榄石冲击波实验研究与高压态物态方程参数的确定

利用冲击波进行的动高压实验对研究超高压下的物质性质也是十分有效的.本文报告了对大麻坪采集的橄榄石进行压力在10~45 GPa范围的冲击波动高压实验结果.结合前人等温冷压实验结果,确定了实验过程的温度,对于冲击波实验压力从10 GPa变化到30 GPa时,温度在摄氏几十度到摄氏800多度之间.测量了岩石超高压下密度变化,在3.627~4.009 g·cm-3之间.通过回收实验和确定的温度,表明小于30 GPa压力实验条件下,没有发生相变过程.同时也确定了状态方程的参数.最后,指出了实验结果在上地幔地球内部物质运动过程的含义,即冷板块中的亚临界橄榄岩可以存在地幔转换带中.     

水热条件下含橄榄石大洋玄武岩的摩擦特性实验研究

玄武岩作为大洋地壳上的主要成分, 研究其摩擦特性是更好地探究逆冲板块边界上大地震等力学行为机理的基础.为了研究少量橄榄石矿物是否会影响玄武岩的摩擦特性, 本研究选用了国际大洋钻探计划(IODP)349航次获取的玄武岩样品, 其中含有少量的橄榄石矿物.本次研究的实验温度范围为100~600 ℃, 施加的有效正压力和孔隙水压分别为150 MPa和100 MPa.实验中玄武岩样品在300~400 ℃的温度条件下表现出不稳定的准静态震荡现象, 并且在高温条件下(T＞400 ℃)其剪切强度表现出显著的位移弱化现象, 即摩擦系数随着剪切位移的进行而持续减小.在3 mm的剪切位移范围内, 摩擦系数的变化范围为0.7~0.55.通过初步的微观剪切变形研究, 我们推测橄榄石在摩擦实验过程中对一种弱矿物的生成可能起到了催化作用, 但生成的弱矿物含量不足以显著地弱化断层泥的摩擦强度.同时微观构造分析也发现, 随着温度的升高, 断层泥的剪切构造由局部剪切向整体弥散性剪切变形转变, 同时伴随着孔隙度的显著降低, 因此我们认为剪切强度的位移弱化现象与流体参与下的颗粒间的压溶过程的逐步增强有关.

     

岩石的流变性质与断层模型

本文以断层带的为形机制为主题，简要总结了与此相关的岩石流变性质的研究结果，讨论了已有的几个断层带模型，并就进一步应开展的研究课题提出了一些建议。     

岩石圈流变实验研究的进展

岩石高温高压变形实验是了解地球内部物质流动特性的最直接的手段 .本文概述了近年来岩石流变实验研究的一些成果 ,重点总结了水和部分熔融对上地幔顶部橄榄石流变行为的影响 ,以及地壳多相岩石流变实验研究的一些成果 .     

岩石圈流变学研究进展

岩石圈流变学的目标是研究岩石圈物质的变形、流动及其机制。７０年代以来高温高压岩石力学实验和地热研究的丰硕成果,推动了该分支学科的进展。Ｒａｎａｌｉ等（１９８７）建立了７种岩石圈流变学剖面,并论述了岩石圈的流变学分层特性。此后,一些学者对不同地区的岩石圈做了研究,获得了类似的结果,建立了岩石圈流变学分层理论。运用这一理论,能解释地球科学许多分支学科所研究的不同尺度的构造现象。因为岩石圈的结构分层和流变性质,控制了大陆构造的形成演化,尤其是大陆构造变形。最新研究表明,一系列深成构造作用,如下地壳韧性剪切、造山带演化晚期或造山期后重力塌陷和莫霍面松驰等,与下地壳软化和塑性流动密切相关,而中上地壳（或汇聚带上地幔最上部）脆性域控制了地震震源的分布     

长英质岩石的流变学特征及其影响因素

在总结岩石变形机制与岩石流变学实验进展的基础上,讨论了岩石流变学数据的重复性。虽然高温高压流变学实验积累了大量的数据,但中、上地壳长英质岩石和早期获得的石英集合体的流变实验数据重复性比较差,而近年来发表的石英、长石的流变学实验数据重复性相对较好。虽然利用经验理论模型,根据端元组分可以拟合两相矿物集合体的流变律,但并不能满足定量确定复杂组分和特殊流变性的长英质岩石流变参数的需要。因此,利用长英质岩石流变参数估计大陆地壳流变强度剖面时,即使在相同地温和应变速率条件下,给出的流变曲线、脆-塑性转化带深度也有一定差别,还需要通过大量实验给出更精细的长英质岩石流变学实验数据。根据近年来流变学实验研究的新进展,讨论了在实验室条件下影响长英质岩石流变的各种因素,重点分析了流体、岩石成分、样品粒度和组构对流变的影响。微量结构水对岩石流变有显著的弱化作用,而熔体对流变的影响与熔体含量和分布相关,只有熔体呈薄膜状湿润颗粒边界时,熔体的弱化作用才显著。成分对岩石流变的影响不仅体现在样品的应力指数等流变参数的变化方面,还体现在样品从半脆性变形向塑性变形的转化温度方面。粒度主要影响岩石的变形机制,其中,细粒样品在扩散蠕变域具有应力与粒度线性负相关特性,是理想的应力计,可以用来定量确定韧性剪切带的流变强度;而在位错蠕变域,应力与粒度没有依存关系,这为将实验室条件得出的流变数据外推估计地壳流变提供了重要依据。组构和各向异性是地壳中岩石存在的普遍现象,但关于层状组构对多相矿物组成的岩石流变影响的研究非常少,需要通过新的实验来深入研究。     

钙钛矿的高温塑性：下地幔的流变性

重点介绍了近年来国际地球物理学界在钙钛矿高温塑性研究领域内取得的进展。依据高温高压实验岩石学和矿物物理测试结果，科学家们提出硅酸盐钙钛矿是下地幔最主要的矿物相。采用相似材料理论和高温高压实验技术，在过去几年里对钙钛矿的高温塑性变形进行了深入细致的实验研究，就钙钛矿的高温塑性强度，流变机制和塑性各向异性等进行了探讨，这些开创性的研究特别强调了钙钛矿晶体结构相变和高温塑性的关系，并对应用矿物的晶体结构－－塑性系统相关性外推未知矿物流变强度的可能性作了探讨。作为一个直接的应用，这些研究成果被广泛的用来讨论有关的下地幔地球动力学问题，特别是下地幔的流动强度，流动机制和流动弱化。     

磁铁矿岩的流变与磁化率各向异性

在高温高压及慢应变率下使磁铁矿岩样品发生了流变。对此过程前后的磁性测试表明,产生了与流变过程相关的磁化率各向异性。进一步研究说明,这种“流变磁效应”,主要是由于岩样内磁性矿物颗粒在流变过程中,由大致等粒形且方向性不明显而转变为扁椭球形且具有了一定优选方位而造成的。地震孕育是在高温、高压及缓慢的时间过程中进行的,因此研究流变带来的物性变化对于地震前兆的认识至关重要。本实验结果从一个新的角度探索地震磁效应,具有理论和实际意义。     

岩石圈流变性对拉张盆地构造热演化历史的影响

采用粘弹性动力学模型模拟研究了岩石圈流变性对拉张盆地构造热演化的影响. 模拟研究发现,盆地的构造热演化特征与盆、缘岩石圈强度对比相关,盆地岩石圈强度相对外缘岩石圈强度越弱,盆地沉降量越大,且在拉张结束与热沉降之间出现较大的基底抬升、热流持续高值;无论是初始岩石圈力学厚度、泊松比,还是下伏流体软流圈的负密度差,都是影响盆地构造热演化历史的因素;同时,拉张前断层的存在也是影响盆地基底形态的重要因素,其存在不仅会产生较大的基底落差,还会加深盆地中心的沉降.     

岩石层流变学的研究现状及存在问题

岩石层的流变学是一门综合性的学科，它不仅包括高温高压岩力学实验，而且还包括岩石圈的地质构造，物质组成和温度场特性的研究，70年代以来岩石力学实验和地质热研究的成果推动了岩石层流变学的发展，目前，人们应用已有的实验结果建立了岩石层流变学的剖面，并以此为基础讨论了许多大地构造现象，但是，人们对流变机制的转换，水对岩石层流变性的影响等问题尚不清楚，因此，为了深入的了解岩石层流变性质在岩石层运动学和动力学中的应用，必须开展岩石层流变机制的理论和实验研究，以便建立流变性质的三维分布，本文主要分析了岩石层的流变性质随深度变化的研究结果及其在实际中的应用，讨论了确定岩石层粘度或流变强度的主要因素并对岩石层的流变学研究方向提供了一些看法。     

地壳介质的流变性与孕震模型

在分析归纳中国大陆地区地震震源深度分布特征的基础上 ,着重分析了地壳介质的物理性质 ,特别是地壳介质的流变特征 ,进而探讨了震源深度分布的物理解释和孕震环境。文中应用中国陆区地热研究中的有关成果 ,推导了中国东、西部地区壳内脆韧性转换带的深度 ,给出东部地区壳内脆韧性转换带深度为 2 0～ 2 5km ,西部地区为 35～ 4 5km ,这一结果显示出壳内脆韧性转换带与我国东、西部震源深度的下界面基本一致 ,且中国大陆地震的深度大体上终止于壳内脆韧性转换带。从而表明 ,壳内脆韧性转换带有可能是控制大陆地震震源深度分布的主要原因。在这些研究的基础上 ,建立了大陆强震的震源模型 ,讨论了大陆地震的孕震过程和有关机理问题     

岩石圈流变性对拉张盆地构造热演化历史的影响

采用粘弹性动力学模型模拟研究了岩石圈流变性对拉张盆地构造热演化的影响. 模拟研究发现,盆地的构造热演化特征与盆、缘岩石圈强度对比相关,盆地岩石圈强度相对外缘岩石圈强度越弱,盆地沉降量越大,且在拉张结束与热沉降之间出现较大的基底抬升、热流持续高值;无论是初始岩石圈力学厚度、泊松比,还是下伏流体软流圈的负密度差,都是影响盆地构造热演化历史的因素;同时,拉张前断层的存在也是影响盆地基底形态的重要因素,其存在不仅会产生较大的基底落差,还会加深盆地中心的沉降.