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。

高温高压下辉长岩的电导率实验研究

在 1 .0～2 .0GPa和 3 2 0～ 70 0℃下 ,1 2～ 1 0 5Hz的频率范围内 ,进行了辉长岩的电导率就位测量 ,并用阻抗谱分析了其微观电传导机制。结果表明 ;电导率对测量频率具有依赖性。复阻抗平面上只出现了反映颗粒内部传导机制的阻抗弧 ,在高压下这种机制起主导作用 ,该阻抗弧出现在 1 0 5～n×1 0 2 Hz(n为 1～9的正整数 )的频率范围内。以本实验所获得的电导率结果和前人的工作为依据得出辉长岩不能在中下地壳形成高导层的结论。

高温高压下辉石岩的电导率研究

利用阻抗谱在1.0～2.0GPa、温度450～792K条件下、105～12Hz的频率范围内,对辉石岩的电导率进行了研究,并且分析了测试频率对电导的影响,结果表明,电导率对频率具有一定的依赖性;在复平面上出现了代表颗粒内部的阻抗弧。辉石岩的激化焓为0.661～0.673eV,样品中较高的铁含量可能是造成本实验电导率较高的主要原因。

地球深部电导率的实验室约束

矿物岩石电导率实验研究对于认识地球内部的电导率分布和地球动力学具有重要的意义。本文于实验室中研究了一些典型地壳和地幔矿物、岩石的电导率,并将实验结果与野外电磁结果进行了对比。研究结果表明,含水矿物的脱水和存储于名义无水矿物中的水会显著提高岩石的电导率。含水矿物的脱水可能是导致地壳出现高导层的主要原因,而地幔的高导层则可能是由名义无水矿物中赋存的水所引起。实验室矿物、岩石电导率模型与野外大地电磁结果的对比,为研究地球内部的热状态和水含量的分布提供了重要依据。

地幔矿物电导率研究进展

研究地幔矿物的电导率可以揭示地球内部电导率的分布规律以及地球介质的极化机制。通过对近年来国际上地幔矿物电导率的研究结果进行分析和总结,介绍了矿物的各种影响因素与电导率的关系;对含水和不含水的地幔矿物导电机制进行了区别,不含水矿物的导电机制主要为小极化子,含水矿物的导电机制为自由质子。比较了各种典型的地幔矿物电导率结果并对电导率模型进行了评述和总结,对电导率的研究方向进行了展望。认为水在地幔矿物电导率和电导率剖面中起着重要作用。

地球深部的水

地球内部水的分布与循环对了解地球内部的物理化学性质、地球动力学和地球的演化起着重要的作用.本文综述了地球内部水含量的探索方法、存在状态、地球各个层圈水的储存能力、高温高压下矿物中的溶解度以及地球物理观测(大地电磁和地震波)结果等方面的研究进展.研究结果表明,地球内部储存的水可能超过了地球表面大洋水的数倍.微量的水能够引起地震波速度的降低和电导率的显著增加.

高温高压下干热辉长岩的阻抗谱实验研究

在1.0和2.0 GPa,593～1173 K下研究了干热辉长岩的阻抗谱.研究表明,复阻抗对频率具有依赖性,复阻抗平面上出现了反映颗粒内部和颗粒边缘传导机制的阻抗弧.颗粒内部的阻抗弧出现在102～105Hz的频率范围内;颗粒边缘的阻抗弧出现在12～100Hz的频率范围内.用CNLS程序拟合了对应颗粒内部传导机制等效电路的各个元件.当辉长岩中有石榴石出现时,电导率发生突变.

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1GPa下,373～1002K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373～663K范围内时,实验所获得的激化焓为0.31eV,表明样品的电导率由低能带杂质离子所控制;当温度在673～1002K范围内时,激化焓为0.67eV,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.

高温高压下角闪片麻岩的电导率研究

在1．0GPa压力、343～962K温度和0．1～10^6Hz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．片麻岩的电导率在平行和垂直面理两个方向表现出明显的各向异性，平行面理方向的电导率远大于垂直面理方向．二者的导电机制分别在～799K和～881K发生了变化，这一变化可能与角闪石的脱水相关．片麻岩中角闪石的脱水作用可使电导率增大．低温阶段，二者的激化焓分别为0．31eV和0．56eV，高温阶段分别高达2．24eV和4．21eV．实验室模型与大地电磁测深结果的对比表明，实验结果为地球内部高导层的形成提供可能的实验证据．

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1GPa或3GPa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^-0.5S/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0.4~0.6eV之间,高温段的活化焓变化范围为1.7~2.6eV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.

冀西北万全地区大麻坪地幔岩包体高温高压弹性波研究及其地质意义

对河北大麻坪碱性玄武岩及其内的辉石岩和二辉橄榄岩包体进行了不同温压条件下的弹性波速测定。结果表明,岩石波速与压力正相关,与温度负相关;相同条件下二辉橄榄岩的弹性波速最大,辉石岩次之,玄武岩最小。在1.4GPa压力下获得二辉橄榄岩和辉石岩的弹性波速分别为7.87km/s和7.47km/s,最接近壳幔过渡带的弹性波速。而现代地球物理资料显示该地区莫霍面深度为32km,认为26Ma以来,该地区发生了大规模的岩石圈减薄地质事件。

熔体形态学及其对岩石物理和力学性质的影响

简要回顾了熔体形态学的研究方法,并分别从熔体分数和熔体分布形态两个方面,综合前人在熔体对岩石物理和力学性质的影响领域的主要研究成果,认为在部分熔融初期,熔体分数小,熔体主要分布于孤立的熔体囊内,对岩石的电学性质和力学性质影响不大,但是,对岩石的弹性波波速影响却很明显;随着熔体分数的增大,孤立的熔体囊逐渐连通形成熔体管道网络,岩石的电学性质发生显著变化;当熔体分数增至某一临界数值时,岩石体系结构改变,岩石的力学性质发生突变.

空气气氛中滑石的热分解动力学实验研究

含水矿物的热分解动力学研究对于了解俯冲带中-深源地震的成因机制具有重要意义.本文用综合热分析仪（TG-DSC）研究滑石在动态空气气氛下的热分解过程,利用热重（TG）数据对滑石的热分解动力学进行分析.利用Friedman法和FWO法,分别计算滑石热分解过程中的表观活化能Ea和指前因子A,并以Friedman法求得的活化能为初始值,通过非线性回归拟合得到热分解过程最可能的反应机理和动力学参数.研究结果表明,滑石在830-1 050℃内发生热分解,此过程为n级反应,表观活化能Ea为344.2 k J/mol,指前因子A为4.9E12 s-1.

土壤中游离重金属离子的测定——唐南膜平衡法

对比了最近几十年来国内外土壤溶液中游离重金属离子浓度的测定方法,在此基础上建立了一种新的测量方法———唐南膜平衡法(DMT)。研究表明,该实验方法可以在不影响反应体系平衡的基础上同时测定多金属元素,而且彼此之间不会发生干扰。

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.

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 .

金川泥炭中发现硅藻

在湖泊沉积物实验方法基础上 ,初步建立了泥炭中硅藻的提取方法 ,并利用扫描电镜在金川泥炭中首次发现了硅藻 ,根据其形貌特征确定了科属 ,发现研究区硅藻以生活在浅淡水中的舟形藻科为主 ,该类硅藻可能具有一定的季节意义。

高温高压下绿辉石成因研究

在3GPa,1 200℃条件下,分别以碱性玄武岩粉末和等化学计量光谱纯试剂为原料进行高温高压熔融结晶实验,对实验产物进行了电子探针测试和拉曼光谱分析,确定结晶产物为绿辉石,其拉曼谱峰的半高宽较窄且形态尖锐,表明绿辉石晶体中Si—O四面体结构稳定,矿物内部有序度高。结合前人研究成果探讨了绿辉石成因的影响因素及其原始岩浆,结果表明绿辉石的形成可能受母岩成分、体系流体含量和温压条件等多种因素影响。本实验结果为绿辉石和榴辉岩成因学研究提供可能的实验依据。

角闪石高温高压实验研究进展及其地球物理意义

高温高压实验作为地球科学研究的重要方向之一,通过模拟地球深部的温度和压力条件,了解地球深部物质的物理化学性质、地球内部结构和动力学演化.角闪石属于双链硅酸盐矿物,为地幔岩石圈的重要组成,广泛分布在海洋地壳、俯冲板块、变质岩和火成岩中.作为俯冲带的重要含水矿物,角闪石的广泛分布和高温高压下的脱水对于理解俯冲带水含量以及水迁移具有重要作用,同时在俯冲带的地震活动、高电导率异常、地震波速异常和岩浆活动中扮演重要角色.在过去的近百年时间里,国内外学者对角闪石高温高压物理化学性质进行了大量的研究.角闪石具有非常复杂的元素组成和结构特征,由此也导致了不同角闪石物理化学性质存在显著不同,包括脱水与脱氢反应中元素迁移的差异、角闪石形成与分解过程中碱性元素(K+Na)和H_(2)O含量对热稳定的影响、不同空间群结构下的高压结构相变、原位条件下不同结晶方向的电导率异常、不同结晶学优选方位(CPO)下的波速异常等.已有的研究对于角闪石的物理化学性质以及其在俯冲带中发挥的作用有了比较清楚的认识,但仍然有许多问题需要进一步研究,如角闪石的高压脱水动力学、热物性和变形机制等.