我国冲击波物理应用于地球科学研究的若干进展

概要介绍了国内近年来把冲击波高压技术应用于地球深部的物质组成、性质和状态,及地球表面的碰撞作用等固体地球科学问题研究中所取得的一些进展,并与国际上同领域的发展水平进行了比较和评述。

水在钠长石熔体中溶解类型的实验研究

根据对含水钠长石玻璃的FTIR光谱研究 ,认为水在钠长石熔体中同时以OH- 和H2 O形式存在 ,这分别对应于FTIR光谱中的 4 5 0 0cm- 1及 5 2 0 0cm- 1谱峰。此外 ,研究表明在溶解初期水主要以OH- 存在于熔体中 ,随着熔体中水含量的升高 ,H2 O分子则成为主要的溶解类型。而且 ,水的溶解类型变化与熔体粘度变化特征是一致的。

1.5～5.0GPa压力下冰—水平衡实验研究

水是所有地质体系中最活泼的成分，对矿物和熔体的物理性质会产生重大影响，在整个地球演化中也起着关键作用。目前有关水的精确热力学数据们局限在压力1．0GPa和温度900℃。本文利用超高压差热分析和超声波振幅分析方法获得了1．5～5．0GPa压力下冰－水平衡的p－t数据，并发现在3．0GPa可能存在另一个三相点，并且在压力＞2．0GPa时的冰-水转换的超声波振幅变化有两个突变点，这与压力＞2．0GPa时的升温和降温差热曲线大都存在两个峰相一致。这很可能是一种新现象，值得进一步研究。

高温高压下玄武质淬火玻璃的折光率研究

在 1.0 0～ 3.50 GPa、150 0～ 170 0℃的温压范围 ,以福建闽清碱性玄武岩 FM- 91为初始物料 ,进行了高温高压熔融实验 ,通过对淬火玻璃的成分和折光率的研究 ,发现压力的改变对折光率的变化有着较大的影响 ,而温度的改变基本不影响折光率 ,并讨论了在成分不变的前提下 。

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。

高岭石的高温高压相图及其地学意义

用阻抗匹配法和ＰＺＴ压电探针技术，在１００ＧＰａ的冲击压力范围内测量了初始密度分别为１．３７５ｇ／ｃｍ３和２．００１ｇ／ｃｍ３两种孔隙度叙永石样品的Ｈｕｇｏｎｉｏｔ状态方程。根据其ｐＨρＨ线所给出的高温高压相变点，用Ｇｒüｎｅｉｓｅｎ状态方程计算其相变点压力所对应的温度，并结合常压下受热相变的温度值，建立了“高岭石／Ａｌ２Ｏ３＋ＳｉＯ２＋Ｈ２Ｏ”的温度压力相平衡图。通过该相图与线性地热线的交点推断：高岭石至少可在上地幔５０ｋｍ深处作为一种含水（ＯＨ－）矿物而稳定存在；

高温高压下电导-温度曲线方法进行蛇纹石的脱水温度测量及其意义

在1．0～5．0GPa压力范围内，运用高温同时高压下电导测量方法确定了蛇纹石的脱水温度。实验结果表明，压力小于2.0GPa时叶蛇纹石的脱水温度随压力的增大呈微弱升高趋势，压力大于2．0GPa时其脱水温度随压力的增大明显降低，意味着较高压力下有利于脱水反应的发生，是俯冲带岩浆作用及地幔交代作用流体的重要来源。蛇纹石脱水后，由于自由水的存在导致其电导明显增加，可能是高导层产生的原因之一。

地壳浅部导电性矿物的一种新的压溶机制──应力原电池过程

以黄铁矿为例，通过导电性矿物的力学-电化学相互作用实验，得出：导电性矿物的电极电位与弹性轴压应力是较好的负线性相关关系。以此为基础，通过电化学理论分析，得出：地壳浅部与溶液接触的导电性矿物颗粒内部存在各种各样的应力原电池，通过应力原电池过程，压溶作用得以实现。导电性矿物应力原电池引起压涛作用的发现，无疑对诸如构造地球化学、地电化学甚至湿法冶金等领域的有关研究具有重要意义。

水绿矾的状态方程和高压熔化

用阻抗匹配法和压电探针技术测量了初始密度为 1.714g/cm3(孔隙率α =ρ0 / ρ0 0 =1.898/ 1.714 =1.10 7)的水绿矾 (FeSO4 ·7H2 O)的冲击压缩线 ,发现其在 0～ 10 0GPa范围内存在两个明显相区 :含有部分熔融的低压相和完全熔化的高压相。在两个相区内 ,冲击波速度D和波后粒子速度u可分别描述为 :D =0 .5 9+2 .0 6u(u <3.12km/s)和D =3.18+1.2 2 3u(u≥ 3.12km/s)。从冲击压缩数据出发 ,用欧拉有限应变理论得到了其等熵状态方程。其熔化方程可用pm(GPa) =0 .15 9(Tm(K) / 10 0 0 ) 6.3371+0 .69来近似描述。

埃洛石的Birch-Murnaghan状态方程和高压物性

用欧拉有限应变理论分析了埃洛石的冲击 Ｈｕｇｏｎｉｏｔ 实验数据，得到了其低压相和高压相的等熵体积模量 Ｋ０ Ｓ 及其对压力的一阶导数 Ｋ′０ Ｓ。对低压相，在 γ＝ ０４３（ ρ０／ ρ） 时， Ｋ０ Ｓ ＝３２１６ Ｇ Ｐａ， Ｋ′０ Ｓ ＝ ７１７ ；对高压相，在 γ＝ １０（ ρ０／ ρ）１ ．５ 、且相变能各取５７９１ Ｊｇ（ 常压下的值） 和１０００ Ｊｇ 时， Ｋ０ Ｓ、 Ｋ′０ Ｓ分别为１０３２８ Ｇ Ｐａ 、４９７ 和９５８５ Ｇ Ｐａ 、５ ．３５ 。根据高压下物性参数的跃变，讨论并分析了其各个相区物质组成的差异。

2.0GPa室温至1623K条件下粗面玄武岩的纵波速度与相变

利用YJ-3000 T压力机的弹性波速度测量装置,在2.0GPa室温至1623K条件下,测量了河南伊川粗面玄武岩的纵波速度,并在相应条件下获取了实验产物,经洋细观察表明,对应着岩石弹性波速度的变化,实验样品已经发生了相变.据此讨论了岩石相变(含水矿物脱水、固-固相变、部分熔融)与其弹性波速度之间的关系,为了解地球深部物质过程提供高温高压实验基础。

高温高压下氧逸度的就位控制

建立了一种高温高压下氧逸度就位控制的新方法.该方法中,使用了由参考缓冲剂、上部氧离子导体(YSZ)圆片、样品、下部YSZ圆片及氧库按序叠合成的圆柱状样品组合.通过在样品与氧库间施加一驱动电压,氧库中氧可被抽出注入样品或样品中氧可被抽出注入氧库,从而样品中氧逸度可独立于温度、压力得到任意甚至连续(若样品本身属性允许)的就位控制.通过测量样品与参考缓冲剂问电压,可对控制过程中样品中氧逸度及其变化实行就位监测.对控制过程中氧传输电流-时间关系的测量和分析,可为氧传输过程及样品内氧化或还原反应动力学研究提供新的途径. 以Ni-O体系为样品的试验表明,该方法初步获得成功.虽然目前仅在干样品体系中实现,经相应的改进,该法可望用于湿样品体系的氧逸度控制.

高压下声速温度系数的一种新算法

从声速的定义出发 ,由热力学基本关系给出了声速温度系数 (偏微商 )的一种计算方法 ,以顽火辉石为例 ,计算结果显示 ,在 4 0～ 140GPa压力范围内 ,其纵波、剪切波和体波的温度系数随压力的增大而逐渐减小 ,分别由 4 0GPa时的 - 0 386、- 0 2 51、- 0 2 55m (s·K)降至 80GPa时的- 0 2 98、- 0 188、- 0 2 0 4m (s·K) ,12 0GPa时的 - 0 2 4 4、- 0 148、- 0 175m (s·K)和 140GPa时的- 0 197、- 0 131、- 0 162m (s·K)。将这一规律内推至零压得到 ( K/ T) 0 =- 0 0 2 79GPa·K-1,与静高压下的实验值吻合很好。

高温高压下碱性橄榄玄武岩的P波速度及其影响因素

地震波反演是认识地球深部结构的有效手段之一,尽管近年来高温高压波速就位测量的实验技术得到了发展,所能达到的压力已很高,但仍然缺乏作为反演基础的地球深部物质在高温高压条件下的波速及其影响因素的实验数据。笔者选择蛇纹石化碱性橄榄玄武岩,在2.0～5.0GPa和温度达1500℃范围内测量了P波速度,探讨了温度、压力、相变及其蛇纹石脱水对P波速度的影响,发现在熔融前存在声软化效应,并分析了声软化效应产生的机制。

顽火辉石的高压声速和下地幔的可能组成

用光分析技术在 40～ 1 40GPa的冲击压力 (温度大致为 1 0 0 0～ 5 0 0 0K)范围内测量了钙钛矿型顽火辉石的高压声速 .实验测定其纵波声速VP 与冲击压力P的关系为 :lnVP=3 70 9～0 .6 91lnP + 0 .0 94(lnP) 2 ,且声速VP 和密度ρ满足Birch定律 :VP=4.0 6 8+ 1 .6 77ρ,可以确认在下地幔的温度压力下钙钛矿型顽火辉石是稳定的 .在 40～ 1 40GPa的压力范围内 ,顽火辉石的纵波、横波声速 压力曲线均与PREM的平行 .其中纵波声速 压力曲线比PREM的约低0 .5 % ,剪切波速比PREM的约高 2 % .考虑到 (Mg1-x,Fex)O的等熵体积模量和剪切模量值均约只有 (Mg1-x,Fex)SiO3 的一半 ,且声速 (或体积模量 )对Fe/ (Mg +Fe)的比值并不敏感 .因此在PREM声速 压力曲线的约束下 ,可以认为 :下地幔主要由 (Mg1-x,Fex)SiO3 组成 ,仅允许有很少量的 (Mg1-x,Fex)O存在 .

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.