高温高压条件下安山岩系列电导率的实验研究

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矿物岩石电导率作为研究地球内部物理化学性质的重要参数和连接矿物岩石微观结构与宏观性质的重要窗口之一,对地球内部岩石和矿物微观成分的变化(特别是铁、水、钠等含量)以及体系内熔体/流体的存在和分布非常敏感,并对解释地球深部物质组成、结构构造、性质、动力学等方面起着重要作用。基于大地电磁测深和地球内部物质在高温高压下的电导率实验室测量结果进行的地球物理反演,是人们获得地球内部物质组成与空间分布最有效的途径之一。安山岩是地壳中广泛分布、有重要地球动力学意义的中性火山岩,对地壳中安山岩组成与空间分布的约束可为揭示板块活动过程提供关键证据。然而,迄今为止尚未有研究者在高温高压条件下对安山岩系列的电导率开展过系统可靠的实验室原位测量与研究。因此,在有效控制温度、压力、氧逸度等条件下,通过高温高压实验测定安山岩电导率,并把有关结果与大地电磁测深结果相比较具有非常重要的科学意义。  本次工作中,借助于YJ-3000t紧装式六面顶高压设备和Solartron-1260阻抗/增益-相位分析仪,在高温高压条件下原位测量了石英安山岩、辉石安山岩、角闪石安山岩和安粗岩的电导率,获得了温度、压力对样品电导率的影响规律;计算了活化焓和指前因子以及活化体积和活化能等表征岩石电学性质的各种物理参数,据此探讨了高温高压下样品的导电机制。并且,结合世界热点研究地区的大地电磁测深数据,对这些地区的高导层成因进行了合理解释。主要结果包括:  1、在0.5-2.0GPa、723-973K和10-1-106Hz条件下获得了石英安山岩颗粒内部、颗粒边界和总电导率,及与之对应的各物理参数。石英安山岩样品颗粒内部的活化焓和活化体积分别为0.81-1.05eV和4.96±0.52cm3/mole,其导电机制为小极化子导电。颗粒边界的活化焓为0.87-0.92eV,活化体积为0.56±0.52cm3/mole,其导电过程为碱性离子导电。颗粒边界电导率随压力的变化关系受颗粒边界厚度的影响,且随着温度和压力的升高,颗粒边界电导率对总电导率的贡献呈降低趋势。  2、在1.0-2.0GPa、673-1073K和10-1-4×106Hz条件下,辉石安山岩的电导率随着压力增加,样品电导率逐渐减小。当P=1.0GPa和T=873-923K时,样品开始发生脱水反应,电导率和活化焓均突然增大。通过计算氧逸度,确定了样品的脱水反应方程式。脱水后样品的活化能和活化体积分别为0.48±0.04eV和-1.83±0.78cm3/mole。脱水前后样品具有相似的活化焓,因而导电机制均为小极化子导电,且脱水后载流子浓度比值的显著升高是导致辉石安山岩电导率提高的最主要原因。  3、在0.5-2.0GPa、823-1323K和100-3×106Hz条件下,获得的角闪安山岩随着温度升高而降低,而随着压力增大而减小。样品的导电机制为钠离子导电,且钠离子的扩散速率为2.00×10-13-3.80×10-10m2/s。利用不同模型建立了0.5-2.0GPa条件下角闪安山岩样品电导率与熔体分数之间的定量关系。  4、在0.5-2.0GPa、773-1323K和10-1-106Hz条件下,安粗岩的电导率与温度、压力和频率存在一定的函数关系。脱水后样品活化能和活化体积分别为0.64±0.04eV和0.96±1.92cm3/mole,导电机制为小极化子导电。当P=2.0GPa和T=923K时,样品开始发生脱水反应,电导率和活化焓均突然增大,且磁铁矿是导致辉石安山岩电导率提高脱水后样品电导率提高了近2-3个数量级的最主要原因。  5、结合地球物理学观测数据,认为菲律宾海地区高导层的成因可能与角闪安山岩的部分熔融有关,而安粗岩的脱水反应则可能是造成智利南部中心地区出现高导层的重要原因。
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