郭穎星 王多君 李丹陽 陳小斌

1)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2)中國科學(xué)院計算地球動力學(xué)重點實驗室，北京 100049

3)中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京 100049

4)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

0 引言

魯西地區(qū)是華北克拉通保留相對較好的地區(qū)，在長達3 000Ma的地質(zhì)歷史中，前后經(jīng)歷了約3次克拉通化(宋明春等，2001)。王世進等(2012)認為新太古代早、中、晚期巖漿活動分別形成了這一區(qū)域2 700Ma的英云閃長質(zhì)片麻巖、2 660Ma的片麻狀奧長花崗巖和花崗閃長巖以及2 560～2 500Ma的中基性－中酸性侵入巖。這一地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造及巖性結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于該地區(qū)地質(zhì)歷史十分漫長，地質(zhì)活動較為復(fù)雜，因此，對這一地區(qū)的研究已經(jīng)越來越受到地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注。關(guān)于這一地區(qū)地球物理方面的研究，前人做了大量的工作，例如，肖騎彬等(2008)研究了蘇魯造山帶及其鄰區(qū)深部的電性結(jié)構(gòu)，葉高峰等(2009)給出了郯廬斷裂帶附近大地電磁結(jié)果模型。

圖1 魯西泰山地區(qū)地質(zhì)簡圖(改自王世進等，2012)Fig.1 The geological map of Taishan region，Western Shandong(modified from WANG Shi-jin et al.，2012).

高溫高壓下地球深部物質(zhì)的物理性質(zhì)對于制約野外地球物理測量結(jié)果解釋至關(guān)重要(朱茂旭等，2001;Wang et al.，2008，2010，2012)，但是對于這一地區(qū)巖石礦物高溫高壓下電學(xué)性質(zhì)的研究，到目前為止卻鮮有報道，從而在一定程度上制約了對大地電磁資料的解釋。位于本區(qū)新太古代早期泰山巖套英云閃長質(zhì)片麻巖帶的黑云斜長片麻巖，是中下地殼廣泛分布的主要巖石類型，具有典型的片麻狀構(gòu)造和鱗片變晶結(jié)構(gòu)，主要由斜長石、石英和黑云母組成。對于片麻巖，前人做過一定的研究，F(xiàn)uji-ta等(2007)在0.2，0.5，1.0GPa，0.01Hz及 600～1 000K溫度條件下測量了采自Higo變質(zhì)帶地區(qū)的片麻巖平行及垂直面理方向的電導(dǎo)率，認為在測量之前需對樣品進行多次加熱冷卻循環(huán)處理且在實驗的最高溫度下恒定一段較長的時間才能測量到穩(wěn)定的電導(dǎo)率。于英杰等(2011)在1.0GPa壓力、343～962K溫度和10－1～106Hz頻率的條件下，對含角閃石片麻巖從平行和垂直面理2個方向分別進行了電阻抗的測定，分析了片麻巖的微觀導(dǎo)電機制。黃曉葛等(2008)對采自陰山造山帶的太古代黑云斜長片麻巖垂直于樣品片麻理方向進行了電導(dǎo)率的研究，認為天然黑云斜長片麻巖在高壓下的電傳導(dǎo)可能是受到顆粒內(nèi)部和顆粒邊界共同參與的混合傳導(dǎo)機制控制，但顆粒內(nèi)部的傳導(dǎo)對總電導(dǎo)率的貢獻遠遠大于顆粒邊界。本文用傅里葉變換紅外光譜方法測得了實驗前后黑云斜長片麻巖的水含量，并通過復(fù)阻抗譜方法測出了樣品在高溫高壓下10－1～106Hz頻率范圍內(nèi)的電導(dǎo)率值，并充分考慮了樣品電導(dǎo)率的各向異性，將實驗所得的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)與魯西大地電磁數(shù)據(jù)進行了對比。這對研究這一區(qū)域太古界巖石的電學(xué)性質(zhì)，對揭示魯西地區(qū)電性結(jié)構(gòu)乃至華北克拉通晚太古代的地質(zhì)演化具有重要意義。

1 樣品和實驗方法

1.1 樣品準備

樣品為黑云斜長片麻巖，采樣點坐標為:117°09'22″E，36°17'51″N。采樣區(qū)附近的地質(zhì)情況如圖1所示。樣品的主要礦物組成大致為:黑云母21%、石英52%、斜長石25%、鉀長石2%。其中，黑云母呈破碎條帶狀，長度為200～500μm，長石及石英顆粒較大，直徑多為300～600μm，個別礦物直徑可達到1mm以上，樣品所含主要礦物的顯微結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，圖2a和b分別為實驗前、后垂直面理方向樣品的顯微結(jié)構(gòu)，圖2c和d分別為實驗前、后平行面理方向樣品的顯微結(jié)構(gòu)。樣品全巖成分分析及主要礦物電子探針分析結(jié)果分別見表1和表2。

圖2 黑云斜長片麻巖顯微構(gòu)造照片F(xiàn)ig.2 Photomicrograph of the biotite-plagioclase gneiss.

表1 樣品全巖分析結(jié)果(wt%)Table 1 The bulk rock chemical analysis of the starting material

1.2 紅外光譜

為了測量樣品在實驗前后水含量的變化，對樣品各礦物進行了傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜測量。測量視域為50μm×50μm，波數(shù)范圍選取為2 800～4 000cm－1，測量得出的傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜如圖3所示，利用Beer-Lambert公式對樣品進行水含量計算:

式(1)中，Δ為吸收強度，I為吸收系數(shù)，t為樣品厚度，c為樣品水含量，γ為方向因子。吸收強度用OH吸收峰的積分面積表示，斜長石的吸收系數(shù)選(107 000±5 000)L/(molH2O·cm2)(Johnson et al.，2003)，石英的吸收系數(shù)選為(89 000±15 000)L/(molH2O·cm2)(Thomas et al.，2009)。由于紅外光譜測試中，測量區(qū)域位于單個礦物內(nèi)部，且薄片厚度＜1個礦物顆粒粒徑，因此，各測量礦物具有明顯的方向性，在用公式(1)計算過程中，γ選取0.5。經(jīng)計算，得出的斜長石水含量在實驗前為1 228ppm，實驗后垂直面理方向為622ppm，平行面理方向為763ppm。實驗前、后石英水含量變化較小，實驗前為178ppm，實驗后垂直面理方向為152ppm，平行面理方向122ppm。由電子探針分析得出的實驗前黑云母水含量約為4%。樣品的水含量主要由含水礦物黑云母決定。

1.3 電阻率測量方法

在實驗前將樣品切割成直徑8mm、厚度約為5mm的圓柱體，經(jīng)丙酮浸泡及干燥以除去油污及吸附水。實驗樣品組裝圖如圖4所示。承壓介質(zhì)為焙燒過的葉蠟石塊，電極材料為金屬鎳，加熱器為3層不銹鋼片，電極線為鎳鉻絲，熱電偶由鎳鉻－鎳鋁絲制成。樣品及組裝材料的預(yù)處理程序詳見文獻(郭穎星等，2010)，實驗所需溫度及壓力由位于中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所的YJ－3 000t緊裝式六面頂壓機提供，使用復(fù)阻抗測量儀器Solartron 1260阻抗/增益－相位分析儀測量出樣品復(fù)阻抗的實部Z'、虛部Z″、模值|Z|及相角θ等4個參數(shù)。測量壓力為 1.0GPa，測量頻率設(shè)為 10－1～106Hz。樣品準備就緒并恒壓0.5h后開始測量，樣品電導(dǎo)率測量采用恒壓變溫法，對樣品進行3輪升溫、降溫操作，并測定每一輪中樣品的復(fù)阻抗譜。

表2 研究樣品所含主要礦物的電子探針分析結(jié)果(wt%)Table 2 Electron-microprobe analysis of representative minerals in the samples

圖3 樣品所含礦物實驗前后傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectra of representative minerals of the samples.

2 實驗結(jié)果

實驗測量得出的復(fù)阻抗弧如圖5所示。隨著溫度的升高，黑云斜長片麻巖垂直面理方向及平行面理方向復(fù)阻抗弧直徑均不斷變小，反映了樣品等效電阻隨著溫度的升高而逐漸變小的趨勢，圖6為黑云斜長片麻巖電導(dǎo)率隨溫度的變化情況，可以更直觀地反映樣品不同方向電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系。由于實驗第1輪升溫過程中雜質(zhì)參與導(dǎo)電，樣品電導(dǎo)率測量結(jié)果不準確，故在圖6中未列出。在實驗溫度范圍內(nèi)，黑云斜長片麻巖實驗樣品電導(dǎo)率的對數(shù)值為－6.0～0.5S/m，電導(dǎo)率在平行面理方向比垂直面理方向高出約1個數(shù)量級。平行面理方向樣品的電導(dǎo)率分別在第3輪升溫過程中的971～1 040K之間及降溫過程的881～939K之間出現(xiàn)一個明顯的電導(dǎo)率降低現(xiàn)象。

圖4 樣品實驗組裝圖Fig.4 The sample assembly for electrical conductivity measurement at high pressure.

圖5 黑云斜長片麻巖在不同溫度下的阻抗譜Fig.5 Complex impedance arcs of biotite-plagioclase gneiss at different temperatures.

樣品電導(dǎo)率隨溫度變化關(guān)系的擬合結(jié)果如圖7所示。圖中黑色曲線代表實驗測量第3次升溫過程中黑云斜長片麻巖電導(dǎo)率結(jié)果，其中平行面理方向高溫段擬合數(shù)據(jù)去除了電導(dǎo)率突然減小的數(shù)據(jù)點;點線為黃曉葛等(2008)所做的陰山造山帶黑云斜長片麻巖的電導(dǎo)率結(jié)果;正方形及圓形圖標反映了Fuji-ta等(2007)所做的Kyushu地區(qū)片麻巖平行及垂直面理方向的電導(dǎo)率結(jié)果。黃曉葛等(2008)的實驗結(jié)果位于本研究中平行和垂直面理樣品結(jié)果之間，而Fuji-Ta等(2007)在平行及垂直面理方向的結(jié)果均比本實驗結(jié)果高，這可能與樣品的礦物組成及含量不同有關(guān)。從圖7中可以看出，本研究樣品平行及垂直面理方向均可大致分成2條擬合曲線，平行面理方向樣品斜率改變溫度約為820K，垂直面理方向樣品斜率改變溫度約為940K。在不同溫度段內(nèi)電導(dǎo)率的對數(shù)值與溫度的倒數(shù)之間滿足Arrhenians方程:

圖6 黑云斜長片麻巖電導(dǎo)率隨溫度的變化Fig.6 The logarithm of electrical conductivity as a function of the reciprocal of temperature for the samples.

式(2)中:σ為電導(dǎo)率，σ0為獨立于溫度的指前因子，ΔH為活化焓，k為Boltzmann常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。

由Arrhenians方程計算得出的樣品不同溫度段活化焓結(jié)果如表3所示，本研究中黑云斜長片麻巖在垂直及平行面理方向，低溫段活化焓較為接近，分別為0.43及0.49eV，這與黃曉葛等(2008)的實驗低溫段活化焓結(jié)果接近，而在高溫段，本研究中平行面理方向上的活化焓比垂直面理方向低很多，但與黃曉葛等的高溫段結(jié)果接近，同時本研究和黃曉葛等(2008)的活化焓結(jié)果，均比Fuji-ta等(2007)的結(jié)果高。

圖7 黑云斜長片麻巖電導(dǎo)率對比結(jié)果Fig.7 A comparison of laboratory-based conductivities in this study with those of previous studies.

3 討論

樣品中含水礦物黑云母相對于斜長石及石英來說導(dǎo)電性更強，因此，樣品的導(dǎo)電性主要由黑云母決定，相對于垂直面理方向，在平行于面理方向上，黑云母具有更好的形狀優(yōu)選方位而形成連通網(wǎng)絡(luò)，從而使電流更容易通過樣品。同時，值得注意的是，平行面理方向樣品的電導(dǎo)率在第3輪升溫及降溫過程中出現(xiàn)了明顯的電導(dǎo)率突降現(xiàn)象，這可能與黑云母的脫水或者熔融有關(guān)。對于黑云母熔融，從圖8黑云母脫水熔融相圖(Nabelek et al.，1999)中看出，在壓力為1GPa時，黑云母的熔融過程開始于約1 063K，這一過程包括了亞固相脫水熔融、流體遷移、含水熔融及缺水熔融的相互關(guān)聯(lián)過程(楊曉松等，2001)，本實驗最高溫度為1 071K，在此溫度下，由于持續(xù)時間很短(約幾min)，黑云母可能未發(fā)生熔融，同時圖2中也未顯示有熔體存在。而對于黑云母脫水方面，張培萍等(1996)認為，黑云母在加熱過程中發(fā)生了2次脫氫，分別在873K左右及1 123～1 373K。圖3中所示樣品紅外光譜在實驗后比實驗前明顯降低，證實黑云母在實驗后發(fā)生大量脫水。黑云母脫出的水可能進入礦物晶格，在達到連通前，黑云母因失水而使樣品電導(dǎo)率減小，而在脫出的水達到連通后，樣品電導(dǎo)率出現(xiàn)急劇增大。而垂直面理方向樣品電導(dǎo)率并未出現(xiàn)明顯的突變，說明黑云母在連通性較差的情況下對樣品電導(dǎo)率影響較小。在高溫段，垂直面理方向樣品的電導(dǎo)率增加斜率比平行面理方向大，說明垂直面理方向黑云母脫出的水對樣品電導(dǎo)率的影響大于平行面理方向，隨著溫度升高，脫出的水含量不斷增多，平行及垂直面理方向樣品中的水均達到飽和，電導(dǎo)率逐漸接近，表現(xiàn)為樣品電導(dǎo)率在高溫段出現(xiàn)逐漸接近的趨勢。

表3 實驗樣品活化焓及指前因子對比Table 3 A comparison fitting of electrical conductivity and pre-exponential factor in this study with those of previous studies

4 地球物理應(yīng)用

遲清華等(1998)建立了華北地臺地殼不同殼層結(jié)構(gòu)和巖石組成模型，認為華北地臺平均地殼厚度約為38km，上地殼、中地殼和下地殼的平均厚度分別是15、10和13km。Li等(2006)利用地震測深數(shù)據(jù)對中國大陸的地殼厚度及結(jié)構(gòu)組成進行了研究，認為中國東部地殼厚度為30～45km。

為使實驗電導(dǎo)率結(jié)果能與大地電磁電導(dǎo)率結(jié)果進行對比，選取臧紹先等(2002)的華北地區(qū)巖石圈地?zé)峤Y(jié)構(gòu)模型進行溫度與深度之間的轉(zhuǎn)化，并選取離采樣地最近處(116.98°E，36.08°N)的地溫梯度結(jié)果。將本研究電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系轉(zhuǎn)換成電導(dǎo)率隨深度的變化關(guān)系曲線(圖9)。圖9中實線表示本研究電導(dǎo)率隨深度的變化，點劃線為臧紹先等(2002)的溫度隨深度的變化。圖中點線分別為肖騎彬等(2008)蘇魯造山帶地區(qū)華北地塊中下地殼大地電磁電導(dǎo)率最低值以及葉高峰等(2009)泰山附近中下地殼大地電磁電導(dǎo)率最低值。由于此區(qū)域存在多條斷裂，受破裂區(qū)域流體的影響，斷層分布區(qū)域大地電磁電導(dǎo)率較高(高達10S/m)(圖9中未列出)，大地電磁電導(dǎo)率低值更接近研究區(qū)域排除破裂構(gòu)造后巖礦物本身的導(dǎo)電性質(zhì)。從圖9中看出，本研究實驗電導(dǎo)率結(jié)果在中下地殼深度范圍內(nèi)部分位于該區(qū)域大地電磁結(jié)果范圍內(nèi)，說明黑云斜長片麻巖是組成山東西部中下地殼的候選巖石之一，該研究區(qū)域高導(dǎo)部分說明該地區(qū)可能存在著導(dǎo)電性更強的巖石礦物或者高導(dǎo)構(gòu)造。

5 結(jié)論

利用阻抗譜法，在壓力為1GPa、溫度為400～1 073K條件下，測量了采自山東泰山的黑云斜長片麻巖的平行及垂直面理方向的電導(dǎo)率，測出了代表樣品顆粒內(nèi)部導(dǎo)電機制的高頻段的阻抗弧，從而驗證了樣品的電阻對溫度、頻率具有一定的依賴性。隨著溫度的升高，樣品阻抗弧的實部、虛部均變小，反映了電導(dǎo)率隨溫度的增加逐漸變大，lgσ與104/T具有良好的線性關(guān)系，滿足Arrhenius關(guān)系式。在高溫段，黑云斜長片麻巖樣品電導(dǎo)率出現(xiàn)突降現(xiàn)象，這與樣品中含水礦物黑云母的脫水有關(guān)。將實驗所得的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)與魯西大地電磁數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)在中下地殼范圍內(nèi)，實驗測量得到的電導(dǎo)率位于大地電磁結(jié)果范圍內(nèi)，說明黑云斜長片麻巖是組成山東西部中下地殼的候選巖石之一。但實驗結(jié)果不能滿足大地電磁高導(dǎo)部分則說明該研究區(qū)域可能存在著導(dǎo)電性更強的巖石礦物或者高導(dǎo)構(gòu)造。

圖8 黑云母在不同溫、壓下脫水熔融示意圖(修改自 Nabelek et al.，1999)Fig.8 Biotite dehydration-melting reactions at different temperatures and pressures(modified from Nabelek et al.，1999).

圖9 實驗電導(dǎo)率結(jié)果與大地電磁結(jié)果的對比Fig.9 A comparison of laboratory-based conductivities with geophysically inferred electrical conductivity for the middle and lower crust.

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