陕西商南松树沟地区含角闪石岩石的电性研究与应用

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:quzg2008
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含水矿物对于地表和地球深部的水循环起着重要的作用,进而影响地球的动力学过程和地球的演化。含水矿物中含有大量的水,角闪石被认为是大陆地壳和俯冲带中最重要的含水矿物之一。开展高温高压下角闪石的电导率研究不仅可以获得下地壳物质的电导率分布,而且可能为大地电磁数据的解释提供基本的实验证据。商丹构造带是秦岭造山带的主缝合带,该带的研究对于理解华北板块和扬子板块之间的关系有重要意义。本文模拟地壳环境,利用高温高压实验技术对陕西商南松树沟地区的岩石进行电导率研究。通过与前人研究结果的对比,我们给出了角闪石中控制电导率传输过程的一个模型。并根据前人给出的地电模型,进一步建立了陕西商南地区的电性结构模型。  本文在1.0 GPa、10-1-106 Hz和412-1023 K的条件下,采用交流阻抗谱方法对平行和垂直线理方向的斜长角闪片岩和闪长岩进行了阻抗谱分析。实验结果显示岩石的复阻抗对温度和频率表现出明显的依赖性。温度恒定,复阻抗的模值随着频率的增大而减小,相角随着频率的增大先减小后变大;频率恒定,复阻抗的模值随着温度的升高而减小,相角随着温度的升高而增大。在阻抗谱的测量结果中,基本只有一个出现在高频部分代表颗粒内部导电机制的半圆弧,而在低频部分代表颗粒边界导电机制的半圆弧没有出现,这可能与测量的频率范围有关。随着温度的增加,半圆弧的直径变小,样品的电导率增大,因此岩石样品均表现出半导体性质。岩石的电导率和温度之间满足Arrhenius关系式。斜长角闪片岩平行于线理方向的电导率比垂直于线理方向的电导率高0.5个数量级。样品脱水前的激化焓值是46-53 kJ·mol-1,脱水后的激化焓值是106-277 kJ·mol-1。角闪石的导电机制主要是小极化子移动,即FexMg→Fe(*)Mg+e。实验后电导率增大可能是由于Fe3+含量的增多导致。通过与前人研究结果的对比,我们发现角闪石的电导率主要由铁含量控制,并且Fe#(Fe#=100*Fe/(Fe+ Mg))越高,电导率越大,而Na+对于角闪石的电导率贡献很小。因此铁含量对于电导率是一个非常重要的参数,我们将本文和前人的数据进行拟合,得到电导率与铁含量和温度的一个定量模型。这个模型可以用来解释地球内部含角闪石岩石占主导的电导率。  本文同样对陕西商南地区的榴闪岩样品进行了高温高压实验研究,实验条件是1.0-3.0GPa、10-1-106 Hz和365-959K。实验结果表明:榴闪岩的复阻抗同样对温度和频率表现出明显的依赖性。榴闪岩电导率值的范围在10-6 S·m-1与1 S·m-1之间,并且log10σ与104/T之间满足Arrhenius关系式。但是他们之间形成的并不是一条完整的直线,而是在某个温度点,斜率发生变化。在实验过程中,角闪石和石榴石发生了脱水。不同的岩石组成,其电导率也会不同。在相同的温度和压力条件下,榴闪岩的电导率比蚀变榴闪岩的电导率高。实验过程中榴闪岩内石榴石和角闪石发生了脱水,并且在低温段榴闪岩的电导率因为石榴石的加入而产生变化。  本文根据前人给出的地温梯度,得到了电导率随深度的变化曲线,初步建立了陕西商南地区较为合理的电性结构模型。将实验室建立的电性结构模型与野外大地电磁数据对比发现,中下地壳的电导率实验数据与大地电磁数据吻合,而中上地壳和上地幔差别较大。  
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