（固体地球物理学专业论文）地幔矿物电导率的高温高压实验研究.pdf

摘要 摘要 电导率是非常重要的地球物理参数，测量矿物岩石的电导率是我们获得有 关地球内部的温度、化学成分、矿物相、氧逸度、水含量等信息的有效手段， 同时还可以帮助电磁学家约束对野外大地电磁测量数据的解释。本文以f e t i 0 3 钛铁矿、方镁石、顽火辉石、斜方辉石这几种地幔矿物为研究对象，从高温高 压电导率实验出发，对地幔矿物岩石电导率的影响因素、a r r h e n i u s 参数、导电 机制以及基于实验室电导率数据建立的地幔电导率模型进行了研究。主要工作 包括： 1 借助于k a w a i 型的六面顶高压设备，首次在高温高压( 3 0 0 6 0 0k ，8 1 6g p a ) 和氧逸度f e f e o 条件下测量了f e t i 0 3 钛铁矿的电导率。结果表明其电导率随温 度增加而明显增大，随着压力升高轻微增加；小的活化能0 2 1 e v 、小且负的活 化体积o 2 2c m 3 m o l 、弱的压力效应以及极化子半径的计算都支持小极化子传 导，即共价电子转移( f e 2 + + t i 4 + _ f e ”+ t i 3 + ) 作为f e t i 0 3 钛铁矿的主要传导机 制。在此基础上，合理解释了与其结构类似的硅酸盐钛铁矿( m g o 9 3 ，f e o 0 7 ) s i 0 3 电导率高温高压实验结果的异常现象。 2 在高温3 0 0 1 7 0 0k 、高压2 0g p a 和氧逸度f e f e o 条件下，就位测量了 烧结多晶方镁石的电导率。结果表明方镁石的电导率在低温区和高温区的传导 机制明显不同：在低温区( 7 0 0k ) ，大的活化能1 1 8e v 和载流子迁移率的理论计算表明其导电 机制为镁空位产生的大极化子导电，并给出了新的大极化子导电的点缺陷模型。 同时，通过与不同铁含量的方镁铁石电导率实验结果比较，讨论了方镁铁矿电 导率对矿物成分的依赖性。 3 在7 5 0 1 6 0 0k 、1 0 2 0g p a 和氧逸度f e f e o 条件下，首次测量了 ( m g o 9 f e o i ) s i 0 3 顽火辉石的高温高压电导率，表明压力对顽火辉石电导率的影 响比较小，高温区以小极化子机制为主，然而小的活化能和水含量的测定表明 低温区以质子导电为主。实验结果还显示压力( 2 0g p a ) 诱发了顽火辉石向林伍 德石的相变，同时含水林伍德石的电导率与已有的结果非常一致。 4 在上地幔压力3g p a 、温度7 6 0 1 8 0 0k 、频率1 0 6 1 0 。1h z 和控制氧逸度 m o m 0 0 2 条件下，使用复阻抗谱方法第一次系统研究了a 1 2 0 3 含量对斜方辉石 ( m g ，f e ，a 1 ) ( s i ，a i ) 0 3 电导率的影响。同时，在电导率测量前后，用穆斯堡尔谱测 量样品中的f e 3 + 含量。实验结果表明，斜方辉石样品中的f e ”含量随a l 含量的增 加而线性增加，含a l 斜方辉石的电导率本质上主要i 主i f e 3 + 浓度决定。在低温区 摘要 ( 1 3 5 0k ) ，高的活化焓 ( 2 2 6 2 7 4e v ) 表明其导电机制为离子电导率。外推目前的实验结果并联合已有 干的橄榄石电导率数据建立了上地幔电导率一深度剖面，估算出上地幔可能的 a 1 2 0 3 含量和f e 3 + f e l - 5 值，发现含a l 斜方辉石的电导率不能解释上地幔软流圈 顶部的高电导率异常。 5 在温度5 0 0 1 0 0 0k ，压力3g p a 、频率1 0 6 1 0 以h z 和控制氧逸度 m o m 0 0 2 条件下，使用复阻抗谱方法首次系统地研究了水含量对斜方辉石电导 率的影响。实验结果显示含水斜方辉石的电导率主要由水含量决定，水含量从 0 0 0 5 增加到0 6 4 1w t ，电导率呈现出系统性的增加，相应的活化焓从0 9 5e v 减d , n0 5 9e v 。小的活化焓以及电导率随水含量的变化趋势，意味着含水斜方 辉石在1 0 0 0k 以下以质子( h + ) 导电为主。结合已有含水橄榄石和瓦兹利石的电 导率数据，外推本文的实验结果到软流圈项部和地幔过渡带，建立了一个地幔 的电导率深度结构模型。同地球物理场观测得到的模型对比发现：含水斜方辉 石的电导率不能解释太平洋地区软流圈顶部的高导异常，可能的解释是在这个 区域存在部分熔融。 关键词：电导率高温高压小极化子钛铁矿方镁石顽火辉石斜方辉石质子 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yi sa ni m p o r t a n tg e o p h y s i c a lp a r a m e t e r m e a s u r e m e n t so f t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fm i n e r a l sa n dr o c k sp r o v i d ea p o w e r f u lt o o lf o rp r o b i n g t e m p e r a t u r e ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，m i n e r a l o g y , o x y g e nf u g a c i t y , w a t e rc o n t e n to f t h ee a r t h si n t e r i o r , a n dh e l pg e o m a g n e t i s t st oc o n s t r a i nt h em a g n e t o t e l l u r i cr e s u l t s o b t a i n e df r o mt h ei n v e r s i o no ff i e l dd a t a i nt h i st h e s i s ，f e t i 0 3i l m e n i t e ，p e r i c l a s e ， e n s t a t i t ea n do r t h o p y r o x e n ew e r es e l e c t e dt ob eo u rr e s e a r c ho b j e c t s b a s e do nt h e e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ye x p e r i m e n t su n d e rh i g h - t e m p e r a t u r ea n dh i g h - p r e s s u r e ，w e d i s c u s st h ea r r h e n i u sp a r a m e t e r , c o n d u c t i o nm e c h a n i s m ，i n f l u e n c ef a c t o ro ft h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o fm a n t l e sm i n e r a l sa n dr o c k s ，a n da l s oc o n s t r u c ta c o n d u c t i v i t y - d e e pm o d e li nt h ee a r t hm a n t l ed e r i v e df r o mt h ep r e s e n td a t a t h em a i n r e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fs y n t h e t i cf e t i 0 3i l m e n i t ew a sm e a s u r e du n d e r t h ec o n d i t i o n so f8 - 16g p a ，3 0 0 - 6 0 0ka n dt h e 归2o ff e - f e ow i t hak a w a i - t y p e m u l t i a n v i lh i g h - p r e s s u r ea p p a r a t u s t h ep r e s e n te x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo ff e t i 0 3i l m e n i t ei n c r e a s e sg r e a t l yw i t ht e m p e r a t u r eb u t i n c r e a s e s s l i g h t l yw i t hp r e s s u r e t h el o wa c t i v a t i o ne n e r g yo fo 21e v , t h es m a l l n e g a t i v ea c t i v a t i o nv o l u m eo f 一0 2 2c m m o l ，aw e a kp r e s s u r ee f f e c ta n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o no fp o l a r o nr a d i u sa r ec o n s i s t e n tw i t hc o n d u c t i o nb yh o p p i n go fs m a l l p o l a r o n s u g g e s t e dt ob ea ni n t e r v a l e n c ec h a r g et r a n s f e rf e 2 + + t i 4 + 一f e 3 + + t i 3 + o n t h eb a s i so fo u rr e s u l t s ，s o m ea b n o r m a lp h e n o m e n aw e r ew e l le x p l a i n e df o rt h e e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fas t r u c t u r a la n a l o g u e ( m 9 0 9 3 ，f e 0 0 7 ) s i 0 3i l m e n i t ea th i g h t e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e 2 u n d e rt h ec o n d i t i o n so fl o w e rm a n t l e ( 2 0g p aa n dt e m p e r a t u r eu pt o17 0 0k ) a n dt h ej 0 2o ff e - f e o w eh a v em e a s u r e dt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fs i n t e r e d p o l y c r y s t a l l i n ep e r i c l a s eu s i n gak a w a i - t y p em u l t i a n v i lh i g h - p r e s s u r ea p p a r a t u s a r r h e n i u sp l o to ft h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ys h o w st w ol i n e a rr e g i o n s ，i m p l y i n ga c h a n g eo fc h a r g et r a n s p o r tm e c h a n i s mw i t ht e m p e r a t u r ei nt h i se x p e r i m e n t a tl o w t e m p e r a t u r e sr e g i o n ( 7 0 0k ) ，t h es m a l la c t i v a t i o ne n e r g yo f0 2e vi sc o m p a t i b l e w i t hs m a l lp o l a r o nc o n d u c t i o n a th i g h e rt e m p e r a t u r er e g i o n ( 7 0 0 17 0 0k ) ，b o t ht h e r e l a t i v e l yh i g ha c t i v a t i o ne n e r g y ( 1 18e v ) a n dt h et h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e dm o b i l i t yo f c h a r g ec a r r i e rs u g g e s tt h eh i g h t e m p e r a t u r ec o n d u c t i o ni sa t t r i b u t e dt oal a r g ep o l a r o n i i i a b s t r a c t p r o c e s sw i t hm a g n e s i u mv a c a n c yt r a p p i n gh o l eo no x y g e n f o rt h ef i r s tt i m e ，an e w l a r g ep o l a r o nm o d e lw a sp r o p o s e df o rp e r i c l a s e i nc o m p a r i s o nw i t ht h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yo f ( m g ，f e ) om a g n e s i o w i i s t i t e 嘶t hd i f f e r e n ti r o nc o n t e n t ，d e p e n d e n c eo f t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no nt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fm a g n e s i o w f i s t i t ew a sa l s o d i s c u s s e di nt h i ss t u d y 3 t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f ( m 9 0 9 f e 0 ! ) s i 0 3e n s t a t i t ew a sm e a s u r e df o r t h ef i r s tt i m eu n d e rp h r 7 s i c a lc o n d i t i o n so ft h em a n t l et r a n s i t i o nz o n e ( 10 - 2 0g p a ， 7 5 0 - 16 0 0k ) a n dt h e 归2o ff e f e oi nak a w a i t y p em u l t i a n v i lh i g h - p r e s s u r e a p p a r a t u s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h ee f f e c to fp r e s s u r eo nt h e e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fe n s t a t i t ei sw e a k ，a n ds m a l lp o l a r o ni st h ed o m i n a n t m e c h a n i s mi nt h eh i g ht e m p e r a t u r er e g i o n s o nt h eo t h e rh a n d ，b o t ht h es m a l l a c t i v a t i o ne n t h a l p i e sa n dw a t e rc o n t e n td e t e r m i n e di nt h er e c o v e r e ds a m p l ei m p l y t h a tp r o t o ni si nc h a r g eo ft h el o wt e m p e r a t u r er e g i o n s i ti sa l s of o u n dt h a tp r e s s u r e i n d u c e dp h a s et r a n s i t i o nf r o me n s t a t i t et or i n g w o o d i t eu n d e rp r e s s u r eo f2 0g p ab y x - r a yd i f f r a c t i o n ，a n dt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fh y d r o u sr i n g w o o d i t ei si ng o o d a g r e e m e n tw i t hp r e v i o u sd a t a 4 f o rt h ef i r s tt i m e ，w ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yt h ee f f e c to fa 1 20 3c o n t e n t o nt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t i e so fo r t h o p y r o x e n e 【( m g ，f e ，a 1 ) ( s i ，a 1 ) o s 凰e = o 1 】a t t h ec o n d i t i o n so ft h eu p p e rm a n t l e ( 3g p aa n dt e m p e r a t u r eu pt o18 0 0k ) ，f r e q u e n c y r a n g ef r o m10 1 t o10 6h za n dt h e 归2o fm o m 0 0 2u s i n gc o m p l e xi m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y t h ef e 3 + c o n t e n t o fs a m p l e sd e t e r m i n e df r o mm 6 s s b a u e rs p e c t r ab o t h b e f o r ea n da f t e rc o m p l e xi m p e d a n c em e a s u r e m e n t sl i n e a r l yi n c r e a s e sw i t ha i c o n t e n ti no r t h o p y r o x e n e ，h e n c et h ec o n d u c t i v i t yi n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gf e 3 + c o n t e n t t h ep r e s e n te x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f a i b e a r i n go r t h o p y r o x e n ew a se s s e n t i a l l yd e t e r m i n e db yt h ec o n c e n t r a t i o no ff e ” a tl o wt e m p e r a t u r e ( 13 5 0k ) ，h i g ha c t i v a t i o n e n t h a l p i e s ( 2 2 6 - 2 7 4 e v ) i n d i c a t et h a tm gv a c a n c yi o n i cc o n d u c t i o ni st h ed o m i n a n t c o n d u c t i o nm e c h a n i s m ac o n d u c t i v i t y - d e p t hp r o f i l eo ft h eu p p e rm a n t l ew a s c o n s t r u c t e db ye x t r a p o l a t i n gc u r r e n td a t aa n dc o m b i n i n gp r e v i o u sc o n d u c t i v i t yd a t a o fa n h y d r o u so l i v i n e m o r e o v e r , w ee s t i m a t et h ep o s s i b l ea 1 2 0 3c o n t e n ta n d f e 3 + 屈f er a t i oi nt h eu p p e rm a n t l e ，a n dc o n c l u d e dt h a ta l u m i n o u so r t h o p y r o x e n e i v a b s t r a c t c a n n o ta c c o u n tf o r t h ec o n d u c t i v i t ya n o m a l yo b t a i n e df r o mt h eg e o p h y s i c a l o b s e r v a t i o n sa tt h et o po ft h ea s t h e n o s p h e r e 5 a tt h eu p p e rm a n t l ec o n d i t i o n so f3g p a ，5 0 0 10 0 0k ，f r e q u e n c yr a n g ef r o m 10 1t o10 6h za n dt h e 归2o fm o m 0 0 2 ，f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ec o m p l e xe l e c t r i c a l p r o p e r t i e so fh y d r o u so r t h o p y r o x e n ew e r es y s t e m a t i c a l l ym e a s u r e du s i n gc o m p l e x i m p e d a n c es p e c t r o s c o p y t h ep r e s e n te x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yo fh y d r o u so r t h o p y r o x e n ew a sc o m p l e t e l yd e t e r m i n e db yw a t e r c o n t e n t ； t h ec o n d u c t i v i t yo fo a h o p y r o x e n es y s t e m a t i c a l l yi n c r e a s e sw i t hw a t e rc o n t e n t i n c r e a s i n gf r o mo 0 0 5t o0 6 41w t ，w h e r e a st h ea c t i v a t i o ne n t h a l p yd e c r e a s e sf r o m 0 9 5t o0 5 9e v t h el o wa c t i v a t i o ne n t h a l p i e sa n dw a t e rc o n t e n td e p e n d e n c eo ft h e c o n d u c t i v i t ys u g g e s tt h a tt h ed o m i n a n tm e c h a n i s m o fc h a r g et r a n s p o r ti sp r o t o n ( i - i + ) c o n d u c t i o ni nh y d r o u so r t h o p y r o x e n eb e l o w10 0 0k e x t r a p o l a t i o no ft h ep r e s e n t e x p e r i m e n t a ld a t at ot h et o po fa s t h e n o s p h e r ea n dt r a n s i t i o nz o n e ，a n dc o m b i n a t i o n o ft l l ep r e v i o u sr e s u l t sf r o mh y d r o u so l i v i n ea n dw a d s l e y i t e ，al a b o r a t o r y b a s e d c o n d u c t i v i t ys t r u c t u r em o d e lw a sc o n s t r u c t e di nt h ee a r t h sm a n t l e c o m p a r i s o no f o u rm o d e lw i t ht h ec u r r e n t l ya v a i l a b l ec o n d u c t i v i t y - d e p t hp r o f i l e sd e r i v e df r o mt h e g e o p h y s i c a lo b s e r v a t i o n sb e n e a t ht h ep a c i f i cs h o w st h a th y d r o u so r t h o p y r o x e n e c a n n o ta c c o u n tf o rt h eh i g hc o n d u c t i v i t ya n o m a l yi nt h eu p p e rm a n t l e ，w h i c hm i g h t b ea t t r i b u t e dt ot h ep r e s e n c eo fp a r t i a lm e l ta tt h ec o r r e s p o n d i n gr e g i o n k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y , h i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e ，s m a l l p o l a r o n ，i l m e n i t e ，p e r i c l a s e ，e n s t a t i t e ，o r t h o p y r o x e n e ，p r o t o n v 插图 2 1 2 2 2 3 3 1 3 2 3 3 3 4 插图 电导率测量的组装剖面示意图j 1 8 多晶样品的等效电路图及复阻抗谱图1 9 k a w a i - 5 0 0 0 型( u s s a 5 0 0 0 ) 多面顶砧压机示意图2 0 合成样品的x 射线衍射图2 3 高温高压下电导率测量的样品组装示意图2 4 钛铁矿电导率测量的等效电路图2 4 在3 0 0 6 0 0k 和8 1 6g p a 下f e t i 0 3 钛铁矿的l o g o 与l 联系2 5 4 1 方镁石电导率测量中样品的组装剖面示意图3 l 4 2 多f i 晶m g o 方镁石的电导率作为温度倒数的函数，插入的图表示拟合高温电 导率数据用l o g ( 仃丁2 ) w 1 联系3 l 4 3 比较具有不i n f e 含量( m 9 1 x ，f e 。) o 方镁铁矿的电导率3 2 4 4 比较以前( s e m p o l i n s k ia n dk i n g e r y , 1 9 8 0 ) 币u 目前估算的v 五迁移率3 4 5 1 顽火辉石电导率测量中样品的组装剖面图3 9 5 2 在7 5 0 - 1 6 0 0k 和1 0 2 0g p a 下( m g o 9 f e 0 i ) s i 0 3 顽火辉石的l o g o 与1 t 关 系4 0 5 3 比较已有林伍德石的电导率4 2 6 1 斜方辉石电导率测量的样品组装示意图4 7 6 2 典型的含a l 斜方辉石( 6 3 0w t a 1 2 0 3 ) 的复阻抗谱图4 9 6 3 含a l 斜方辉石的电导率l o g t r w i t 关系4 9 6 4 有代表性的含a l 斜方辉石的穆斯堡尔谱( r u nn o 1 k 11 0 3 ) 5 0 6 5 含a l 斜方辉石的f e ”和a 1 3 + 之问的关系5 2 6 6 活化焓( 肋和指前因- 子( 1 0 9 a o ) - 与f e ”浓度之间的关系5 3 6 7 比较地球物理观测模型和基于实验室数据建立的电导率一深度剖面5 4 7 1 含水斜方辉石的非极化红外光谱：( a ) 电导率测量之前；( b ) 比较含水斜方辉 石电导率测量前后红外光谱的变化6 0 7 2 含水斜方辉石电导率测量的样品组装示意图6 l x i 插图 7 3 斜方辉石的复阻抗谱图：( a ) 不含水样品( r u n5 k 1 4 7 0 ) ；( b ) 含水样品( r u n 5 k 1 5 0 2 ) 6 ：1 7 4 典型含水辉石的电导率测量：( a ) 样品没脱水( r u n5 k 1 4 7 6 ) ；( b ) 样品脱水( r u n 5 k 1 4 8 6 ) 6 ：1 7 5 斜方辉石的电导率作为水含量和温度倒数的函数6 4 7 6 斜方辉石中活化焓和水含量之间的关系，虚线表示用方程( 7 6 ) 拟合的最好 结果6 6 7 7 斜方辉石的电导率作为温度和水含量的函数，粗实线代表方程( 7 8 ) 理论预 测结果。6 7 7 8 比较含水辉石与橄榄石的电导率，数字代表水含量( 单位：p p mw t ) 6 8 7 9 基于实验室数据建立的地幔电导率深度剖面和地球物理模型对比7 0 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作 华即 弛瑚 名 年 签吁一呼 第1 章绪论 第1 章绪论 本章摘要：本章首先介绍了我们的研究背景与意义，总结了近几十年以来地幔 矿物岩石电导率的国内外研究进展。最后阐述了本论文的目的和内容。 1 1 研究背景与意义 电导率是研究地球深部物质组成、状态、性质最重要的物理量之一，它对地 球内部的流体和温度变化非常敏感，例如地球深部流体、局部熔融的存在将极大 地影响电导率的分布。矿物电导率的测量可以帮助地球物理学家约束电磁观测 数据的解释结果，以获取更加可靠的地球内部物质组成、分层结构和物理性质 等。同时矿物电导率还可以用来研究矿物的结构、电子和离子的迁移过程、缺 陷化学及其它的物理化学性质。因此，矿物电导率对研究地球的起源演化和地球 内部的物理学及动力学过程都具有重要的意义。 目前地球物理学家能够获得地球深内部电导率的方法主要有两种：( 1 ) 电磁 测深( 包括大地电磁测深m t 和磁测深g d s ) ，通过对观测的地球物理场( 电磁场) 进行反演得到地球内部的电导率分布( b a n k s ，1 9 6 9 ；l i z z a r r a l d ee ta 1 ，1 9 9 5 ；c h e n e ta 1 ，19 9 6 ；o l s e n ，19 9 9 ；s e m e n o v , 19 9 9 ；w e ie ta 1 ，2 0 01 ；u t a d ae ta 1 ，2 0 0 3 ；e v a n s e ta 1 ，2 0 0 5 ) 。( 2 ) 高温高压矿物电导率实验( s h a n k l a n d ，1 9 9 0 ；c o n s t a b l e ，1 9 9 2 ； k a t s u r a ，19 9 8 ；x u ，19 9 8 a ，19 9 8 b ，2 0 0 0 a ，2 0 0 2 ；谢鸿森，19 9 5 ；n o v e r ，2 0 0 5 ；代立 东，2 0 0 5 a ，2 0 0 5 b ，2 0 0 5 c ，2 0 0 5 d ，2 0 0 6 a ，2 0 0 6 b ，2 0 0 6 c ) 。需要指出的是，地球物理 反演方法本身固有的非唯一性使得电磁测深获得的电导率结构存在不确定性； 另一方面，在高温高压下测量岩石矿物的电导率也受很多因素的影响，导致不 同实验室测得的同一矿物电导率可能存在很大差异。例如橄榄石是上地幔的重 要组成矿物，由于不同实验中样品成分、测量技术、温压条件等有所不同，电 导率数据有较大差别，有的甚至可达1 2 个数量级。因此我们很难用这两种方 法当中的任何一个单独地建立可靠的地幔电导率模型，如何结合电磁测深和矿 物电导率实验结果，建立更加合理的地球深部电导率模型一直是非常重要的研 究课题。 第1 章绪论 1 2 国内外研究进展 1 2 1 国内研究进展 近二十年来，高温高压设备和测量技术的不断改进，实验室里能够获得深 达下地幔甚至地核的高温、高压实验条件。同国外的实验室相比，尽管国内的 实验设备和测量技术还相对落后，但是也取得一批很好的成果，主要研究对象 是地壳和上地幔矿物。目前，国内矿物、岩石的高温高压电导率实验研究大多 在中国科学院贵阳地球化学研究所完成。这套高压设备( y j 3 0 0 0 t ) 是由原中国科 学院贵阳地球化学研究所的谢洪森等人在上世纪7 0 年代自主设计建造的，谢洪 森等( 1 9 8 5 ) 首先在3 0g p a 下采用直流法在y j 3 0 0 0 t 高压设备上测量了铁橄榄石 的电导率。国家地震局的郭才华等( 1 9 8 7 ) 、。顾芷娟等( 1 9 9 3 ，1 9 9 5 ) 和高平等( 1 9 9 4 ， 1 9 9 8 ) 使用直流法和单频交流法在活塞圆筒高压设备上对碳酸盐、花岗岩以及长 石的电导率进行了实验测量，并结合地球物理场的观测给出了地壳低速层的可 能成因。随着电导率测量方法的改进，该实验室的郑海飞、宋茂双、徐有生等 人利用自制交流电桥和l c r 仪在y j 一3 0 0 0 t 高压设备上采用单频交流和多频交 流法测量了蛇纹石、n a c l 溶液、纯水等的电导率( s o n ge ta 1 ，1 9 9 6 ；x ue ta 1 ，1 9 9 7 ； z h e n g e ta 1 1 9 9 7 a ，1 9 9 7 b ) 。后来李和平将交流阻抗谱技术引入高温高压下地球 物质的电学性质测量。利用这套测量系统，该实验室朱茂旭( z h ue ta 1 ，1 9 9 9 ， 2 0 0 1 ) 、王多君( w a n ge ta 1 ，2 0 0 1 ，2 0 0 2 a ，2 0 0 2 b ，2 0 0 2 c ，2 0 0 4 a ，2 0 0 4 b ，2 0 0 8 ；y ie ta 1 ， 2 0 0 5 ) 、代立东( d a ie ta 1 ，2 0 0 3 ，2 0 0 5 a ，2 0 0 5 b ，2 0 0 5 c ，2 0 0 5 d ，2 0 0 6 a ，2 0 0 6 b ，2 0 0 6 c ， 2 0 0 8 a ，2 0 0 8 b ) 、谢洪森( x i ee ta 1 ，2 0 0 2 ) ，以及中科院地质与地球物理所的白武明、 黄晓葛等在该实验室的y j 3 0 0 0 t 高压设备上对多种“干 和“湿”的矿物、岩 石在高温高压条件下系统地就位测量了它们的电导率，如橄榄石、辉石、蛇纹 石等，并将测量结果广泛应用于流体固体相互作用、地幔热结构、壳幔物质组 成、岩石的部分熔融和地壳低速高导层等研究中。目前该实验室最大的特色在 于能够精确地控制电导率测量过程中的氧逸度变化( l ie ta 1 ，1 9 9 8 a ，1 9 9 8 b ， 1 9 9 8 c ，1 9 9 9 ；d a ie ta 1 ，2 0 0 6 a ，2 0 0 6 c ，2 0 0 8 a ，2 0 0 8 b ，2 0 0 9 ) ，应用该项技术的高温 高压电导率实验研究成果已获得相当的国际影响。 1 2 2 国外研究进展 1 2 2 1 地壳矿物岩石电导率研究进展 近年来大地电磁( m t ) 测量研究显示，大陆下地壳可能具有异常高的电导率 ( 1 0 r 4 1 0 。2s m ) ( s h a n k l a n da n da n d e r 1 9 8 3 ；h a a ka n dh u a o n ，1 9 8 6 ；n j e l t ，1 9 8 8 ； 2 第l 章绪论 j o n e s ，1 9 9 2 ) ，而且这种电导率异常在分布上可能具有全球性的特点。正确认识 地壳高电导率的起源，对于我们获取地球内部矿物和岩石的物理化学性质、解 释地球物理测量结果、认识下地壳的成分和流变学性质、了解变质作用过程及 矿物间流体的传输、确定下地壳内流体存在与否及其赋存形式都具有重要的科 学意义。目前，有多种机制试图对大陆下地壳高电导率现象的起因进行解释， 其中最具代表性的模型是：( 1 ) 颗粒边界石墨膜模型( d u b aa n ds h a n k l a n d ，1 9 8 2 ； f r o s te ta 1 ，1 9 8 9 ；g l o v e ra n dv i n e ，1 9 9 2 ，1 9 9 4 ；k a t s u b ea n dm a r e s c h a l ，1 9 9 3 ) ，该模 型认为大陆下地壳较高的电导率是由分布于矿物颗粒边界极薄的互相连通的石 墨膜造成的。d u b a 和s h a n k l a n d ( 1 9 8 2 ) 的实验表明石墨能够增强岩石的电导率， 即使极少量的石墨( 几个p p m ) 就可以使岩石的电导率提高到o 1s m 。s h a n k l a n d e ta 1 ( 1 9 9 7 ) 在研究k t b 钻孔中的实验样品电导率时发现，石墨对样品电导率的 压力依赖性有重要影响，当压力增大使得样品中的裂隙闭合，从而存在于裂隙 中的石墨相互连通，样品导电性增强。但是，碳在下地壳中能否以石墨的形式 存在以及能否形成连续的薄膜还是极富争议的问题。d u n n 和v a l l e y ( 1 9 9 2 ) 认为 “石墨化”的过程会导致碳发生重结晶形成不连续、粗糙的石墨薄片而不可能 产生相互连接的石墨膜。y a r d l e y 和v a l l e y ( 1 9 9 7 ) 认为如果下地壳的异常高电导层 是由石墨膜