高温高压下蛇纹岩脱水的弹性特征及其意义

为了了解蛇纹石在脱水过程中的弹性性质 ,在 1 0GPa和同时加热条件下 ,利用脉冲透射法对采自云南双沟街的蛇纹岩进行了超声测量 .实验发现 ,当温度升高至 640℃时 ,蛇纹岩的超声波纵波速度随温度的升高而急剧下降 .温度继续升高 (70 0℃以上 ) ,样品在高压腔中爆炸 .通过对超声波速下降时和样品发生爆炸前的超声波波形的比较发现 ,随温度升高超声波振幅有了明显的增大 .实验产物的鉴定并与前人相关实验结果比较表明 ,蛇纹岩在高压高温下波速的突然下降和振幅增大与样品中蛇纹石发生脱水反应有关 .目前还不能准确解释超声波振幅增大的原因 ,但上述现象的发现为探讨深部地质灾害的成因并对其进行监测提供了一个新的线索 .

高温高压条件下岩石弹性波速测量

详细介绍了本世纪６０年代以来高温高压条件下岩石弹性波速度测量的发展历史，重点介绍了高温高压条件下岩石弹性波速测量的基本原理和有代表性的三个研究小组（德国ＣｈｒｉｓｔｉａｎＡｌｂｒｅｃｈｔｓ大学Ｋｅｒｎ领导的研究小组，美国威斯康星大学Ｃｈｒｉｓｔｅｎｓｅｎ领导的研究小组，中国科学院地球化学研究所谢鸿森领导的研究小组）采用的实验方法，举例说明了高温高压条件下岩石弹性波速测量在推测深部地质过程和构筑区域岩石圈结构及物质组成模型方面的应用。

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。

地幔中水的存在形式和含水量

水以含水变质矿物、无水硅酸盐矿物(橄榄石、辉石等)及其高压结构相(β橄榄石、γ橄榄石、钙钛矿相、方镁铁矿等)、高密度含水镁硅酸盐和熔体的形式存在于地幔各层圈中。根据各类玄武岩水含量推断出的上地幔源区的水含量,和由地幔岩主要矿物———橄榄石的水含量估算出的上地幔水含量(质量分数)很接近,在0.02%左右。以橄榄石和辉石高压相的水含量为依据,进行了过渡带和下地幔水含量的估算,其结果是:过渡带和下地幔上部的水含量(质量分数)为1.48%,下地幔下部水含量(质量分数)为0.21%。据此,计算出的地幔各层圈的总水量表明,地幔水的74%以上存在于过渡带和下地幔上部。将地幔总水量和现代海洋总水量之和作为地球总水量,计算出现代海洋总水量约占全球总水量(质量分数)的6.6%,这个结果与笔者根据地球的球粒陨石成分模型计算出的总水量(6%)十分接近。

制作高压压砧的新材料——碳化硅宝石

介绍了碳化硅的一些背景资料,以及人工合成碳化硅宝石的基本原理,说明了碳化硅宝石的主要物理性质。并对碳化硅宝石作为金刚石的替代品,制作成的碳化硅压腔在完成超高压高温实验方面的优势和应用前景进行了评述。

热柱、超级热柱及其成因的研究进展

从20世纪地幔热柱假说问世,经过30多年的发展,在地幔热柱的全球分布、鉴别特征、形态学和成因理论方面都有了长足的进步。特别是通过下地幔不均匀性的研究,发现了下地幔中存在的超级热柱和下地幔底层中的超低速带,为探讨热柱成因提供了重要依据。

探索地球深部的必由之路

在地球深部研究领域中,活跃着两支探测大军:地球物理学和地球化学。由于地球内部直接采样的深度非常有限,因此在地表采用多种地球物理学的观测方法进行地球深部物理性质的探测一直是我们了解深部的最主要手段,根据大量的地球物理观测资料已获得了多种地幔和地核的结构模式和物理模型。然而。

地球物质科学——一个新的综合性边缘学科

介绍了作为又一个前沿领域的“地球物质科学”的学科特点,详细阐述了地球物质科学的主要研究内容及其研究的技术路线,说明了地球物质科学的发展现状及前景。

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。

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．

大别超高压榴辉岩高温高压下电导率实验研究

为研究大陆中下地壳高导层成因及与物质组成之间的关系 ,用模拟实验的方法在不同的温度、压力条件下分别测定了干的和 1mol/LNaCl溶液饱和的榴辉岩的电导率 .结果表明 ,干榴辉岩平行线理方向的电导率比垂直于线理方向的高 ,但两个方向上的活化能相近 .在中下地壳条件下 ,干榴辉岩的电导率比中下地壳高导层电导率值低几个数量级 .常温下1mol/LNaCl溶液饱和的榴辉岩两个方向上的电导率对压力具有不同的依赖性 ;在中下地壳条件下 ,1mol/LNaCl溶液饱和的榴辉岩的电导率可达到一般高导层的电导率值 .无论干的还是饱和的榴辉岩都不能解释大别山 2 0— 50km深处的高导层成因 ,因此 。

高温高压下滑石的电导率实验研究

在 1 0GPa和 2 0GPa、40 0～ 860℃条件下测定了滑石的电导率 .实验表明 ,增大压力 ,滑石的电导率增大 ,其导电机制为电子导电 ;在整个实验温度范围内电导率与T的关系都符合Arrhenius公式 ,滑石的脱水没有引起电导率的突然变化 ,表明并不是所有的含水矿物的脱水都会引起电导率的急剧上升 .电导率的急剧增加还可能与矿物的含水量、脱水后自由水含量及连通度等因素有关 .

构造应力与油气藏生成及分布

构造应力在油气藏生成及分布过程中发挥了重要作用。一方面构造应力通过产生机械能及力化学作用促进了干酪根热降解 ,促进了油气的生成。另一方面构造应力通过影响油气的流体势 ,使油气从高势区向低势区运移 ,并同时使油气得到富集。此外 ,构造应力还为油气聚集成藏提供了场所 ,并对其分布有很强的控制作用。

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。

α-β石英相变的应变参数计算及其地质意义

利用已有的α和 β石英压缩性、热膨胀性、弹性及相变温度压力资料 ,计算了α—β石英相转变时 ,α和β石英的晶胞参数。依据虎克定律以及高压下 β石英的弹性参数 ,估算了α—β石英相转变时的应变、应力和应变能。结果表明 ,在 0～ 1 .1GPa条件下 ,随着压力升高 ,α—β石英相变的线应变介于 - 0 .0 0 6～ 0 .0 0 5之间 ,体应变介于 - 0 .0 1 6～ 0 .0 1 2之间 ,应力介于 - 0 .46～ 0 .1 4GPa之间 ;应变能介于 96 5～ 2 76 0kJ/m3之间。当压力为 0 .5GPa左右时 ,α—β石英相变的应变、应力和应变能均达到最小值。在此基础上 ,讨论了壳内大规模酸性岩浆活动引起的α—β石英相变对壳内岩石的作用。

秦岭-大别造山带碰撞后中酸性火山岩地球化学特征及构造意义

秦岭-大别造山带中、新生代中酸性火山岩的地球化学研究表明，该区中酸性火山岩是由幔源基性岩浆与壳源物质的混合物经过多种过程（部分熔融、分离结晶等）综合作用形成的。结合野外地质产状和同位素热年代学资料，作者认为研究区中、新生代火山岩产出于拉张的构造环境中。

高温高压下含水矿物对岩石熔点影响的实验研究

在温度约800—1300℃和压力1.0—3.5GPa下,对加入约2％水的钾质玄武岩和榴辉岩样品的熔融实验研究结果表明,两种岩石的固相线都明显低于干体系同类成分岩石熔融实验研究获得的固相线温度;其中前者由于相对富钾其熔点总体上又低于后者,与已有的研究资料一致。不同的是榴辉岩是随着压力的增大熔点温度增高,钾质玄武岩仅在1.5—2.5GPa和大于3.0GPa压力时其熔点随着压力的增大而增高,在2.5—3.0GPa压力范围内则相反。笔者认为这是由于钾质玄武岩在压力2.5GPa以下,存在着角闪石,2.5GPa以上存在金云母所致,二者矿物特定的成分决定了角闪石具有高于(或接近于)而金云母具有低于湿体系固相线的脱水温度;而含水榴辉岩实验的连续固相线特征则是其角闪石的脱水温度低于或接近含水条件的熔点温度所致。从而造成高压条件下岩石熔点的降低。因此,岩石圈中岩石的成分及其所决定的含水矿物类型和稳定温压条件是控制岩石固相线形式的重要因素,并可以很好地解释深部岩石的部分熔融和地震波低速带的成因。

大别山榴辉岩的密度和波速及其对壳—幔循环的启示

测定了大别山地区榴辉岩和麻粒岩的密度和高温高压 (至 5 .0GPa和 130 0℃ )的纵波速度 (Vp)。超高压榴辉岩具有较高的密度和Vp 及较弱的各向异性。榴辉岩的压力系数为 0 .2 2～ 0 .33km/s·GPa ,超高压榴辉岩的温度系数为 - 3.41× 10 -4 km/s·℃。榴辉岩的密度和波速的分析表明 ,地幔深部的超高压榴辉岩形成后可能包含了两个过程 ,即一部分榴辉岩通过拆沉作用进入深部地幔 ,另一部分快速折返至地壳内或地表 ,榴辉岩的形成过程代表了壳幔物质循环。现今的大别山深部可能只存在少量榴辉岩。

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Agilent34401A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0.05～106Hz)、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8.95～1 7.9 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.

1.0GPa和常温至1100 ℃条件下角闪石斜长片麻岩的V_p变化:实验测量与理论计算

在1.0GPa、常温至1100℃条件下测量了角闪石斜长片麻岩的纵波速度(V_P),并统计了不同温度实验产物中各种矿物的体积百分含量。结果显示,1.0GPa下,角闪石斜长片麻岩的V_P首先随温度升高(室温至700℃)缓慢降低约6%,然后(700～850℃)快速降低约6%,再(850～950℃)转而急剧升高15%～25%,最后(T>950℃)又快速下降。实验产物分析表明在高温高压下α石英-β石英相变和岩石部分熔融是岩石V_P异常变化的主要因素。由取样产物的矿物含量和弹性参数,计算了各温度条件下岩石的V_P,得出与实验测量相同的波速-温度变化趋势,即V_P随温度升高先缓慢降低,接着快速降低后又急剧升高,最后又快速减小。实验测量和理论计算对比研究表明,通过高温高压下岩石中的物相变化观测结果进行岩石波速的计算,是检验岩石弹性波速测量结果和研究地球内部地震波结构的一种有效方法。