电导岩石学:原理、方法和进展

电导岩石学是国际地学界近年来新发展起来的一门交叉性和综合性很强的学科,主要是通过高温高压实验,在有效控制温度、压强、成分和氧逸度等参数的条件下,对硅酸盐矿物的电导率进行测定,并把有关结果和地球物理学电磁探测的结果相比较,从而为正确认识地球深部的组成、结构、性质和动力学过程提供制约.根据近年来的文献报道,本文综合评述了电导岩石学研究工作的主要原理和方法,并就下地壳、上地幔、地幔过渡带、下地幔和核幔边界一些主要组成矿物电导率的实验测定进展及其对深部地球电导结构的制约进行了介绍.     

矿物高温高压下弹性的第一性原理计算研究进展

矿物在高温高压下的弹性特性是我们将地球内部波速信息转换为地球内部成分、温度时所不可缺的最基本数据,是我们理解地球内部水的分布、地球动力学特性等的基础.最近十多年来,弹性特性的研究取得了长足的进展.第一性原理计算方法无需引进任何经验参数,所得的结果跟实验可以比拟,可以提供认识地球内部所需的高温高压弹性系统可靠数据,在矿物高温高压下弹性研究中扮演了越来越重要的角色.这一方面得益于计算能力的提高,同时也由于计算方法的进步,如最近发展的新方法所需的计算量不到常规方法的十分之一,且保持计算精度,新方法缓解了常规方法惊人计算量对矿物弹性研究的制约,加速了我们对地球内部主要矿物弹性特性的获取,有力地深化了我们对地球内部成分动力学特性的认识.目前我们对下地幔的主要矿物的弹性特性已经有比较好的认识,包括温度、压强、铁含量对弹性的影响,以及铁的自旋转变下铁方镁石体模量的反常降低,利用这些数据限定下地幔铁方镁石最可能的含量为10~15%.其自旋转变效应足以在层析成像中产生清晰的信号,例如在~1700km处纵波的温度敏感性不到~2300km深处的几分之一,全球P波图像及夏威夷、冰岛等热点下面的地幔柱P波图像在相应深度的"中断"都可能与铁方镁石自旋转变有关.地球动力学模拟也发现铁的自旋转变对太平洋和非洲下面大低波速块体的两大结构特点(包括清晰的边界以及从核幔边界一直稳定到边界以上近千千米)的形成扮演关键的角色,从不同的角度表明下地幔铁发生了自旋转变.计算也研究了大部分上地幔和地幔过渡带的矿物弹性特性包括水含量对地幔过渡带矿物弹性的影响,以及俯冲带含水矿物及其他不含水的主要矿物的弹性特性,以帮助弄清俯冲带的含水及水的运移状况,水在地球内部的分布等.但目前水对矿物弹性影响的计算工作基本上还没考虑温度的影响,俯冲带的温度比周围地幔低,温度的效应是不容忽视的问题,应该是将来进一步研究的重要方向.铁及其合金在高温高压下的弹性也被计算大量的研究,这些研究为更好地确定地核轻元素的种类及其含量提供基础数据,但现有的弹性数据还远未能满足我们认识地球内部结构对弹性数据的需求,我们还有大量的工作需要展开.     

高温高压下壳幔含水矿物电导率实验研究

含水矿物是地壳、地幔,尤其是俯冲带内的重要矿物.高温高压下壳幔含水矿物电导率实验研究是一个相对较新的研究方向.随着实验技术的不断进步,很多高压相含水硅酸岩矿物的电导率测定工作得以开展,在有效控制温度、压强和氧逸度等条件下,含水矿物的电导率实验数据可以对地球内部水的分布提供制约.本文介绍了已有的蛇纹石、滑石、水镁石、phase A、super hydrous phase B、phase D含水矿物在高温高压下的电导率实验研究,对各含水矿物电导率数据的有效性进行了分析,并重点介绍了电导率测试含水矿物脱水对全岩电导率的影响以及压强对含水矿物电导率的影响.在已有数据的基础上,对含水矿物的导电机制以及俯冲带的电结构进行了探讨.最后对今后的研究前景及潜在的研究领域进行了展望.     

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。     

地幔矿物的氧同位素分馏

采用增量方法,计算了地幔矿物(特别是MgsiO_3和Mg_2SiO_4同质多相变体)的氧同位素分馏.结果表明,地幔矿物相之间存在如下~(18)O富集顺序:辉石(Mg,Fe,Ca)_2Si_2O_6>橄榄石(Mg,Fe)_2SiO_4>尖晶石型(Mg,Fe)_2SiO_4>铁铁矿型(Mg,Fe,Ca)SiO_3>钙钛矿型(Mg,Fe,Ca)SiO_3.如果地幔内部处于氧同位素完全平衡状态,由于地幔不同深度矿物相化学组成与晶体结构的差异,预计过渡带中尖晶石结构的硅酸盐矿物比下地幔钙钛矿结构的硅酸盐矿物相对富集~(18)O,但相对于上地幔中的橄榄石和辉石亏损~(18)O,从而出现地幔的氧同位素分层.如果假定全球范围同位素平衡,地球内部的化学结构可用下述~(18)O富集顺序来描述:上地壳>下地壳>上地幔>过渡带>下地幔>地核.     

高温高压下地幔矿物岩石电导率影响因素研究进展

实验室高温高压条件下获得的地幔矿物岩石电导率值可以帮助获得地球内部物质组成、物质运动变化状态和解释地球物理探测资料.研究表明,电导率测量影响因素(外部因素和内部因素)控制不当将使得测量的电导率值产生较大差异.本文综述了近20年来这些影响因素对地幔矿物岩石电导率的影响程度及进展情况,电导率随着温度,铁含量和水含量的增加而增加;不含水条件下,电导率随着氧逸度和压力的增加分别增加和减小,含水条件下则恰恰相反;忽略颗粒边界的影响;测量频率和结晶方向对电导率的影响尚存在一定争议;进行电导率测量时有必要考虑系统平衡时间和样品中铁含量的流失.最后探讨了高温高压条件下电导率实验研究的不足和发展方向.     

上地幔橄榄石电导率影响因素及高压相变初探

人们对上地幔标志性矿物橄榄石的认识，基本上是经历一个从直流到交流，又从交流到阻抗谱的认识过程．本文主要通过对橄榄石电导率的影响因素出发，包括温度、压力、铁镁比值、氧逸度等因素的影响和制约．用目前国际高温高压学术界公认的阻抗谱技术探讨了橄榄石在高压下的相变，并在此基础上，进一步研究地球物理学家非常关心的热点问题-冷地幔的实验室的模拟，并作了充分的论证．     

大别-苏鲁造山带橄榄岩:进展和问题

大别-苏鲁造山带橄榄岩原岩属性可分为壳源和幔源橄榄岩,它们在矿物结构、变质演化以及全岩和单矿物化学成分上存在一系列差别.幔源橄榄岩来自于俯冲板块之上的古老华北克拉通岩石圈地幔,记录了俯冲板块与地幔楔之间相互作用的信息.石榴橄榄岩峰期条件下都显示石榴石和尖晶石共存,石榴石和尖晶石的稳定性和成分都受全岩富化程度控制,尖晶石成分不能用来判别部分熔融程度.难熔幔源纯橄岩中普遍发育低Mg高Ca橄榄石取代早期斜方辉石结构,指示硅不饱和熔体-橄榄岩反应过程,它可能是导致纯橄岩Re-Os同位素年龄偏年轻的原因之一.幔源橄榄岩/辉石岩中的金红石、钛斜粒硅镁石和锆石是俯冲地壳熔/流体迁移高场强元素进入地幔楔的直接矿物学证据,只有通过精细的原位元素和同位素工作,才能准确限定交代介质来源、时间和交代过程.大陆俯冲带地幔楔氧逸度变化范围宽泛(FMQ=5.50~1.75),并随深度增加而减小,但其氧逸度计算结果受矿物组合、温压条件以及折返过程中的脱氢-氧化作用等因素影响.本文对橄榄岩-辉石岩复杂体系相关系、大陆俯冲之前的地幔过程、地壳交代对地幔楔元素-同位素-氧逸度以及物理性质的改造等重要研究方向提出了建议.     

岩浆熔/流体中金的溶解度:高温高压实验研究进展

岩浆熔/流体中金的溶解度制约着岩浆-热液型金矿床成矿过程中金的富集和迁移.大型金矿床需要巨量的金从上地幔-下地壳源区向浅部地壳迁移,岩浆与热液中高的金溶解度有助于源区形成富金的岩浆并有效运移.本文系统梳理了金在岩浆和热液流体中的络合形式以及金在岩浆熔体与流体间的分配行为及影响因素,结合最新高温高压实验研究,阐述了温度、压力、氧逸度、硫逸度、熔体组成与挥发分(水、二氧化碳、氯、硫)对岩浆中金溶解度的影响.本文强调岩浆中金的溶解度主要受控于岩浆中的挥发分:岩浆中还原性硫(S~(2-)和HS~-)的含量越高,金溶解度越高.在高温、高压、富水及中等氧逸度条件下,岩浆可以溶解更多还原性的硫,因而提高了岩浆运移金的能力.如果华北金矿床成矿元素来源于幔源熔/流体,那么从巨量金运移的角度,可以限定深部富金岩浆产生于中等氧逸度(S~(2-)与S~(6+)共存)的富水条件.早白垩世古太平洋滞留板片脱水交代上覆大地幔楔,不仅造成了华北克拉通减薄,也创造了有利于巨量金迁移的物理化学条件.     

高温高压下矿物岩石电导率的实验研究进展

高温高压下矿物、岩石电性性质的实验研究是了解地球内部物质成分、演化过程及进行地球物理探测资料解释的有力工具.本文主要介绍了高温高压下电导率实验在如何保持良好绝缘性能,如何消除或减小极化效应及如何减小外界电信号对测量信号的干扰等方面的技术、方法,阐述了温度、压力、氧逸度、水含量以及熔体等因素对矿物、岩石电导率的影响以及一些主要的研究结果和进展情况,讨论了电性研究的地球物理和地质意义,并指出了尚需研究的不足之处.     

中国华北地区壳内低速高导层（体）成因模式的探讨

依据高温高压下华北地区地壳主要岩石的物理性质－波速，电性测定的结果，提出了华北地区低速高导层可能的成因模式以及不同模式的适应范围。认为；碳酸盐岩在深部一定温度，压力和氧逸度条件下碳的析出会导致高导层体的出现；深部韧性剪切带组成矿物的定向排列，可使岩石的波速，电生产生各向异性行为，导致低速高导层的产生；绿片岩相和角闪岩相石中含水矿物的脱水作用会导致上，中地壳岩石物理力学性质的突变，这可能是该地区低速     

基于三重震相研究青藏高原和西北太平洋俯冲过渡带速度结构

上地幔过渡带是上、下地幔物质交换的一个重要场所。上地幔过渡带属性为推测地幔温度,其化学组分以及地幔对流等相关动力学研究提供了一个很重要的途径。本文回顾了对上地幔间断面的认识过程,简要介绍了近年来随着高温高压实验技术提高,地震学研究对上地幔过渡带所取得的最新进展。     

橄榄石高温高压含水效应与光学性质实验研究

高温高压下橄榄石（多晶）含水效应实验表明,水不但可进入矿物孔隙,且能进入其晶格中。从而与原（干）样相比,橄榄石显示了特有的光学性质和红外吸收谱带,矿物比重也下降约０．０２。这些变化可能是上地幔低速层成因的构成因素。     

华北克拉通岩石圈破坏的榴辉岩熔体-橄榄岩反应机制:实验约束

以碧溪岭榴辉岩和大麻坪尖晶石二辉橄榄岩为起始原料,在压力2.0GPa,温度1250～1400℃条件下进行榴辉岩熔体-橄榄岩反应的高温高压实验.实验结果显示,在榴辉岩熔体-二辉橄榄岩反应过程中,熔体消耗橄榄岩中的橄榄石和斜方辉石生成单斜辉石.实验产物的岩石序列为橄榄岩-辉石岩-石榴辉石岩,与Liu等在华北克拉通内部的汉诺坝地区发现的大量中生代地幔复合包体结构非常吻合.在温度1300和1350℃时,榴辉岩熔体-二辉橄榄岩反应产生的熔体具有高镁安山岩的成分特征(Mg#>45),表明榴辉岩熔体-橄榄岩反应可能是高镁安山岩形成的主要原因之一.实验结果表明华北克拉通下地壳榴辉岩在中生代可能发生过拆沉作用;榴辉岩拆沉进入软流圈地幔后,部分熔融产生的熔体可以消耗岩石圈地幔橄榄岩,导致华北克拉通的减薄,从而为华北克拉通岩石圈地幔被软流圈地幔改造的熔体-橄榄岩反应机制提供实验约束.     

秦岭和华北地区地壳低速层的成因探讨──岩石高温高压波速实验证据

对秦岭和华北地区地壳主要岩类１３８个样品进行高温高压实验，测量其纵波速度的结果表明，其中５４个样品出现了纵波低速现象．对出现该现象的样品的实验产物所做的肉眼和镜下观察、电子探针分析以及综合对比显示，微裂隙不是产生低速现象的决定因素，而主要是含水矿物（角闪石、黑云母等）的脱水相交和由之引发的岩石部分熔融导致岩石出现纵波低速现象．通过实验条件与中、下地壳的温度和压力等条件的类比揭示，秦岭和华北地区中、下地壳存在的低速（高导）层也可能是由含水矿物的脱水相变或岩石部分熔融引起的．     

地幔流体及其在地震孕育中的作用

依据地球物理宏观资料、行星化学和地球化学微观分析以及高温高压实验结果,阐明了地幔中存在丰富的流体,扼要介绍了若干流体引发地震的假说,简述了隐爆产生地震的机制。地幔矿物流体包裹体、高温高压相含水硅酸盐矿物与地球物理探测资料表明,整个地幔内普遍存在高能密流体,地幔过渡带和D″层是流体富集的地带,地幔中存在的总水量比海水量高出几个数量级。地幔高能密流体流动产生热对流,造成了固体地球内温度、电导率、地震波速度以及地球化学组成的不均一性。高能地幔流体向外逃逸,不仅改变了壳幔岩石的物理和化学性质,且为岩浆形成和地震孕育提供了能量。流体在地震孕育中的作用包括两个方面:降低断层带摩擦力以及岩石强度触发地震和流体爆炸或相变产生地震。流体爆炸产生地震是地核与下地幔流体以“运移—局部聚集—爆炸的幕式循环”反复进行,产生不同震源深度、不同震级的各类地震。然而,地幔流体的组成、行为及其在孕震过程中的作用机制还需深入研究。     

硅酸盐熔体和液态铁的两相模拟与核幔间的氧交换

地球早期经历了很多撞击事件,其中与地月系统形成相关的大撞击甚至造成深达核幔边界的全球规模的岩浆洋,在此过程中的核幔分异基本确定了地幔与地核的物质组成,也决定了地球随后的演化路径.我们采用基于量子力学理论的第一性原理方法和机器学习技术,实现了硅酸盐熔体和液态铁的超大体系两相分子动力学模拟,获得了核幔边界条件下的两相平衡数据,为超深岩浆洋中的核幔分异过程提供了重要约束.基于本研究模拟结果和现有的高温高压实验数据,我们还建立了能够准确预测核幔间元素交换的平衡模型,利用该模型深入探讨了核幔间的氧交换问题,并分析了其与地球生长、大撞击和岩浆洋事件、地球早期磁场等争议问题之间的关系.     

上地幔电导率-温度关系及在大地电磁测深法中应用综述

上地幔热结构的研究对探索地球内部物质状态和岩石圈形成演化过程,评估自然资源的存储状况,监控火山区岩浆活动从而降低自然灾害风险等有着重要的意义.本文概述了基于不同岩石物理学高温高压实验得到的上地幔矿物电导率-温度关系.通过分析并对比前人的实验结果,讨论了不同实验得到的同一矿物的电导率-温度经验关系中参数差异产生的原因.大地电磁测深法(MT)以其探测深度大,受浅部高阻体影响较小且对低阻体分辨率较高等特点,在研究壳幔电性结构、热状态和地球动力学机制中得到了广泛的应用.以MT得到的上地幔电阻率模型为基础,结合岩石物理学实验标定的矿物电导率-温度经验关系,建立上地幔的温度和熔融百分比模型,这项工作在研究上地幔热状态中起着不可或缺的作用.笔者总结并讨论了前人以MT方法获得电性结构为基础,利用电导率-温度经验关系评价上地幔热状态的应用实例,并对未来的研究工作做了展望,同时对其可行性做了评估.     

贺根山镁铁-超镁铁岩与缝合带的关系——来自地球物理的证据

长期以来,对内蒙古贺根山缝合带中的镁铁-超镁铁岩,有着"蛇绿岩"、"岩浆岩"、"幔源熔-流体"等不同认识.近年来在铬铁矿中发现了金刚石等深部地幔矿物,如何认识携带这些物质的幔源熔-流体的上涌?缝合带在镁铁-超镁铁岩的形成过程中起到什么作用?解决问题的关键之一是弄清镁铁-超镁铁岩的深部产状,这需要来自地球物理观测数据的依据.本文基于航磁和重力数据的研究表明,贺根山地区的蛇绿岩块均呈现高磁异常特征,其中贺根山岩块埋深明显大于其他岩块,表现为高磁异常与低重力异常,与地表出露的蛇纹石化的镁铁-超镁铁岩带对应.对航磁化极异常与布格重力异常数据做了向上延拓处理,进行了磁源形态及底界深度的估算,并利用基于相异度算子的边缘增强方法辅助识别断裂.结果表明,贺根山岩块贯穿地壳,且附近存在超壳断裂.地表至中地壳主要由蛇纹石化的镁铁-超镁铁岩组成,下地壳主要为超镁铁质岩组成,它们充填在一组宽约30km的NEE向断裂带中,大地电磁测深剖面揭示的壳-幔电性结构进一步证实控制缝合带的是岩石圈断裂,贺根山缝合带具有明显的根部.由此推测,在地幔底辟上涌的背景下,幔源熔-流体沿着岩石圈断裂持续上升到达浅表,暗示该区板块的拼合可能是通过深部幔源物质的侵入而成的.     

上地幔流变性质的研究进展

本文主要总结了近十多年来橄榄岩流变实验的研究成果,介绍了上地幔流变研究的进展和意义.经过多年的实验研究,橄榄岩流变性质在理论和应用方面都已取得重要突破.人们利用高温高压实验深入研究了熔/流体、铁含量、粒径尺度、温压条件等因素对橄榄石流变性质的影响,得到了表征橄榄石流变特性的幂率本构方程的各参数,并从理论方面探讨了橄榄石等矿物在不同深度处可能存在的变形机制.在应用方面,高温高压流变研究为许多地质现象(如软流圈的成因)的解释和地球动力学(如地幔对流)的模拟提供了实验依据和基础数据,如辉石的粒度效应可以解释上地幔板块边界变形及剪切局域化问题等.尽管对上地幔矿物的流变特性进行了深入地研究,但还有许多问题需要人们进一步厘定,如碳酸盐熔体对橄榄石流变性质的影响,橄榄石变形机制的转化等.