橄榄石单晶体高温蠕变

作者首次采用中国河北大麻坪橄榄石单晶体做原始变形材料,在温度1200—1500℃,应力16—175 MPa,氧分压10~(-4)—10~(-10)atm 条件下,对上地幔流变学的有关三个问题进行了详细研究:(1)化学环境(氧分压和斜方辉石缓冲剂)对橄榄石流变性质的制约作用;(2)详细测定橄榄石单晶体流变参数和建立流变本构方程;(3)对橄榄石单晶体[110]c 方向的三个蠕变机制进行研究,这些新的高温实验成果第一次为研究中国东部岩石圈动力学提供了有意义的定量资料.     

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.     

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.     

天然麻粒岩高温流变实验研究

本实验在气体介质三轴高温流变仪上,采用怀安瓦窑口麻粒岩,在温度900～1200℃、围压300 MPa、应变速率10~(-4)～10~(-6)/s条件下,开展高温流变实验.实验样品麻粒岩由斜长石(52%)、单斜辉石和斜方辉石(40%)、石英(3%)、磁铁矿和钛铁矿(5%)组成,矿物平均粒度为:斜长石294μm、单斜辉石和斜方辉石282μm、石英97μm、磁铁矿和钛铁矿109μm.利用傅里叶变换红外光谱仪分析获得变形后样品的水含量约为0.17±0.05wt%.实验样品的强度随温度升高而降低,随应变速率降低而降低.基于力学数据,采用稳态流变方程,获得实验样品在900～1000℃时的应力指数为8.1～12.9,在1050～1150℃时的应力指数为4.8～5.8,平均值5.2.应力指数随着温度升高而降低.显微结构和成分分析表明,在900℃时麻粒岩出现矿物压扁与定向拉长特征,样品以位错滑移和微破裂变形为主;在950～1000℃时,麻粒岩样品中颗粒边界变得圆滑,表现出位错攀移特征,辉石和磁铁矿边缘出现微量熔体;在1050～1200℃时麻粒岩出现部分熔融,而且随着温度和实验时间(应变)增加,熔体含量增加,熔体结晶出微粒斜长石、辉石和橄榄石,部分辉石通过固体反应生成橄榄石.颗粒边界熔体和矿物反应促进了扩散作用,导致位错攀移和熔体引起的扩散蠕变共同控制了麻粒岩的高温流变.     

橄榄石的同系温度T/T_m:对上地幔蠕变与橄榄石组构转变的启示

同系温度为晶体材料的绝对温度(T)与其熔点(T_m)的比值,是对比晶体流变强度的重要参数之一.橄榄石(Mg,Fe)_2Si O_4的熔点随含铁量和含水量的增加而降低,随压力增加而升高,高压下橄榄石的相变可导致熔点随压力发生不连续变化.本文对前人的铁橄榄石(Fe2Si O_4)熔融实验结果进行校正,确定铁橄榄石-γ相Fe2Si O_4-熔体的三联点位于6.4GPa和1793K.然后使用广义混合律建立了常压至6.4GPa,无水橄榄石的固相线和液相线与含铁量和压力的关系.橄榄石T/T_m随深度的变化可用于定性对比具有不同热状态和橄榄石成分的上地幔流变强度,T/T_m=0.5的深度界定了上地幔从半脆性变形到完全塑性变形的转换深度.克拉通岩石圈地幔的橄榄石T/T_m显著低于造山带和伸展盆地,一直到岩石圈-软流圈边界才与周围地幔趋于一致(T/T_m0.66),表明克拉通的岩石圈强度较高.此外,使用T/T_m分析橄榄石的变形实验结果,发现含水量对橄榄石组构的影响与压力密切相关,但是水对橄榄石流变强度的弱化作用及其与橄榄石同系温度的关系尚需进一步研究.低于6.4GPa(200km),T/T_m控制了橄榄石[100]和[001]位错滑移的转变.在上地幔10~-(12)~10~-(15)s~(-1)的应变速率和低应力条件下,橄榄石[100](010)位错滑移系(A型组构)的稳定域为T/T_m0.55~0.60.T/T_m0.55~0.60时,[001]位错滑移更易于发生,低T/T_m使橄榄石的主控位错滑移系转变为[001](100),形成C型组构.这与天然变形的橄榄岩普遍发育橄榄石A型组构,而超高压变质带中经历了深俯冲的橄榄岩发育橄榄石C型组构一致.而[001](010)位错滑移系(B型组构)受T/T_m和应力的共同影响.因此,橄榄石的同系温度建立了将变形实验结果外延到上地幔流变的桥梁.克拉通地区的上地幔地震波各向异性需要一个四层模型来拟合:上层为残留的A型组构,中间为B型组构,岩石圈-软流圈边界为新生的A型或B型组构,以及Lehmann不连续面之下以扩散蠕变为主的软流圈地幔.对橄榄石组构转变机制的认识是通过地震波各向异性追踪上地幔含水量的分布和地幔流动的关键.     

大冶-九江地区Fe, Cu(Au)和Au(Cu)矿床夕卡岩矿物里的熔融包裹体特征

在大冶-九江沿长江分布的Fe, Cu(Au)和Au(Cu)矿床的夕卡岩矿物中, 除含气-液包裹体外, 还含大量熔融包裹体和流体-熔融包裹体. 熔融包裹体形态多样, 它们主要由不同相比例的晶质硅酸盐(C_Si)、铁质(Fe)、非晶质硅酸盐(A_Si)及气体(V)多相组成. 其中有的含有几个结晶硅酸盐相. 所研究的熔融包裹体大小一般为(10~46) mm×(6~15) mm. 流体-熔融包裹体与熔融包裹体的区别是在前者中出现液体(L)相, 均一温度较低. 在所获得的48个温度数据中, 夕卡岩石榴石和辉石中熔融包裹体有39个均一温度数据, 流体-熔融包裹体有两个数据, 其余属流体包裹体所有. 石榴石和辉石中的熔融包裹体具有890~1115℃均一温度, 流体-熔融包裹体具有745~750℃均一温度, 流体包裹体的均一温度介于580~675℃之间. 39个熔融包裹体的均一温度平均值为1029.9℃. 现有包裹体相态特征及其均一温度表明, 所研究的夕卡岩应为岩浆成因.     

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.     

青藏高原南部花岗岩电导率研究及地球物理应用

青藏高原地壳不同区域电导率存在着较大的差异,而花岗岩是青藏高原地壳的主要组成岩石,通过高温高压下研究花岗岩的电导率对于认识青藏高原电性结构的差异具有重要的意义.本研究在1.0GPa压力下,通过实验测量了西藏亚东地区白云母花岗岩577~996K温度范围内以及拉萨地区黑云母花岗岩587~1382K温度范围内的电导率,结果发现含白云母花岗岩低温(577~919K)下的活化焓为0.92eV,高温(919~996K)下的活化焓为2.16eV;而黑云母花岗岩在低温(587~990K)下的活化焓为0.48eV,在高温(990~1382K)下的活化焓为2.06eV.两种花岗岩不同温度段活化焓的变化可能与花岗岩中的白云母和黑云母脱水有关.将花岗岩样品实测电导率与采样点附近的野外观测结果相比较,发现二者在电导率数值及变化趋势上比较接近,预示着这两个地区上地壳导电性可能与花岗岩关系密切.通过有效介质模型及HS边界模型计算了白云母花岗岩和黑云母花岗岩混合模型的电导率,并与青藏高原南部地壳的电导率进行了比较,结果显示大地电磁电导率结果大部分位于岩石混合模型电导率结果范围内,青藏高原南部地壳电性结构特征能用花岗岩来解释,其底部大范围的高导现象可能与花岗岩中含水矿物的脱水有关.     

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10~45GPa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10GPa变化到30GPa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3.627~4.009g·cm~(-3)之间.通过回收实验和确定的温度,表明小于30GPa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.     

高温高压下花岗岩、玄武岩和辉橄岩电导率的变化特征

通过在高压(1.0-2.5GPa)和高温(53-1173K)条件下,取得花岗岩、玄武岩和辉橄岩三种岩石的一些电导率实验结果.讨论了这几种岩石电导率随温度的变化趋势,结果表明:电导率随温度升高而显著变化,在温度为53-1173K的范围内,电导率发生了3-5个量级的变化,这种变化可能同岩石的部分熔融过程有关.     

利用主动震源直达波互相关时延检测技术监测小江断裂带浅层地震波波速变化

为了监测云南小江断裂带附近地震波波速的连续变化,2006年4月在小江断裂带以西10 km布置了一条长235 m的主动震源浅勘测线,进行为期1个月的连续观测实验。采用前后互相关技术对直达波进行了高精度波速变化测量,分析得到以下结果和结论:(1)实验期间,实验点地下介质存在相对波速变化δv/v≈10-3~10-2;(2)波速变化随震中距增加迅速减小,这可能反映了较浅层波速变化与较深层相比更剧烈;(3)波速变化和大气压变化有很好的相关性,相对波速变化对大气压的敏感系数为10-6Pa-1量级;(4)降雨会显著影响波速与气压的关系,降雨前相对波速变化随气压增加而增加,而降雨后相对波速则与气压呈负相关。     

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.     

0.4～5.0GPa和室温～500℃下NaCl溶液的电导率

NaCl-H_2O体系是地质上最基本的二元系.对高压(>0.5 GPa)下NaCl溶液电导率测量很少.测量了0.4～5.0 GPa和室温～500℃时 0.01 mol/L NaCl溶液的电导率.结果表明,在 0.4 GPa下,0.01 mol/L NaCl溶液的电导率为 Quist和Marshall(1968)的结果吻合的较好.NaCl溶液的电导率随温度升高而增大,当压力≤1.5 GPa时,随压力升高变化很小.当压力在 1.5 GPa以上时,NaCl溶液的电导率随压力升高迅速增大.高压下电导率随压力的迅速增大可能在许多地质过程(如热液条件下的矿床形成)以及其他领域上都具有重要意义.     

地倾斜双轴垂直摆倾斜仪测量方法研究

介绍一种可同时测量两个正交方向(例如:东西向和南北向)地壳倾斜的双轴单摆体结构的垂直摆倾斜仪的基本原理,并给出其结构设计和初步的实验结果.实验结果表明,地倾斜双轴垂直摆倾斜仪能同时测量两个正交方向的倾斜信号,分辨率达到10-9 rad数量级,能够清晰记录地倾斜固体潮汐信号.     

溧阳震区岩石磁性的温度和应力效应

本文测试了溧阳地震(M_s=6.0,1979.7.9)震中附近钻井中的岩石在不同温度下磁化率和天然剩余磁化强度随应力的变化。结果表明:1.岩样磁化率为(4-30)×4π×10~4,天然剩余磁化强度为(30-3000)mAm~(-1),居里温度均在580℃左右;2.室温下磁化率的应力灵敏度为(0.4-1.1)×10~(-3)(MPa)~(-1),与其他一些地区同类岩石相比偏低;磁化率应力灵敏度随温度增加,到某一峰值后下降,在邻近居里点处趋于零;3.天然剩余磁化强度的应力灵敏度为(0.2-2.3)×10~(-3)(MPa)~(-1)。分析表明,岩石压磁特性与磁性矿物的磁畴状态有关。 根据实验结果估算的由压磁效应引起的震磁异常仅有1nT的量级,由此推测,该地震前,在溧阳地磁台观测到的近10nT的磁异常很可能主要不是由压磁效应引起的。     

用于静冰压力检测的新型膜盒式光纤传感器的研制（英文）

静冰压力是影响水工结构物安全运行的主要因素之一。现有静冰压力检测方法主要存在两个局限,一是实时性差,二是传统电阻应变式压力膜盒传感器因边壁效应影响测量结果的正确性。针对以上两个不足之处,作者基于反射式强度调制原理,研发了一种带杆伞状圆盘结构的压力膜盒静冰压力光纤传感器,实现了利用光纤传感技术检测静冰压力。我们用研制的新型光纤传感器在实验室完成了-30℃~5℃温度范围内冰生长过程中及5℃~-30℃温度范围内冰消融过程中静冰压力的测量试验。实验结果表明,与传统电阻应变式压力膜盒传感器相比,该传感器工作稳定、分辨率达0.02kPa、灵敏度达2.74×10-4/kPa,并可实现自动连续测量。     

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.