王欣欣， 黃曉葛， 白武明

1 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100029 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京　100049

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高溫高壓下地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)

王欣欣1, 2， 黃曉葛1*， 白武明1

1 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100029 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京100049

摘要為了探討地幔巖模型和苦橄質(zhì)榴輝巖模型在上地幔存在的合理性，建立上地幔的電性結(jié)構(gòu)，本文利用YJ-3000t緊裝式六面頂壓機(jī)和Solartron IS-1260阻抗/增益-相位分析儀，在1.0～4.0 GPa、700～1150 ℃的條件下，采用交流阻抗譜法(頻率范圍10-1～106 Hz)分別測(cè)量了地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著溫度的升高，地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率大幅增加；隨著壓力的增大，地幔巖的電導(dǎo)率略有增加，活化體積ΔV為-4.73 cm3·mol-1，而苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率幾乎沒(méi)有變化，活化體積ΔV為-0.11 cm3·mol-1；在電性方面，用苦橄質(zhì)榴輝巖來(lái)表示深部的物質(zhì)較為合理，地幔巖解釋淺部可能更恰當(dāng)，但淺部物質(zhì)的分布不均勻，電導(dǎo)率隨深度的變化主要受控于溫度的影響，其次才是成分.

關(guān)鍵詞電導(dǎo)率； 地幔巖； 苦橄質(zhì)榴輝巖； 高溫高壓

1引言

根據(jù)地球內(nèi)部密度、彈性波速度等物理性質(zhì)的變化， Ringwood(1962；1975), Anderson和 Bass(1984；1986)分別提出了地幔巖模型和苦橄質(zhì)榴輝巖模型.之后，Duff 和Anderson(1989)對(duì)苦橄質(zhì)榴輝巖做了進(jìn)一步的研究，提出上地幔由體積分?jǐn)?shù)(如不加說(shuō)明，表示為質(zhì)量分?jǐn)?shù))為40%橄欖石、37%單斜輝石、13%石榴子石和10%斜方輝石組成.Ita 和 Stixrude(1992)研究認(rèn)為：在上地幔和轉(zhuǎn)換帶區(qū)域，地幔巖的密度和波速能更好地符合地震觀測(cè)，而在400～500 km區(qū)域之間，苦橄質(zhì)榴輝巖的密度和波速明顯低估了地球內(nèi)部實(shí)際值.Irifune等(2008)得出：在地幔轉(zhuǎn)換帶上部和中部，與苦橄質(zhì)榴輝巖比較，地幔巖的彈性波速與地球物理模型波速更相符，但在410 km處卻有異常大的速度跳躍；在轉(zhuǎn)換帶下部，地幔巖的橫波速度明顯低于地球物理模型，而苦橄質(zhì)榴輝巖的橫波速度更低.Li和Lieberman(2007)、Liu 等(2009)利用橄欖石彈性波速和密度的測(cè)量結(jié)果得出：橄欖石在上地幔的體積分?jǐn)?shù)為36%～58%才能較好地符合410 km的波速跳躍和波阻抗跳躍.這兩種模型在解釋地球物理資料中存在各自的優(yōu)勢(shì)和不足，因此，高溫高壓下地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖電導(dǎo)率的研究成為必要，可以幫助人們更好地了解上地幔的物質(zhì)組成，檢測(cè)兩種地幔礦物模型存在的合理性.

電導(dǎo)率敏感于水、熔體、鐵含量、溫度和氧逸度等的變化.高溫高壓下巖石和礦物電導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)測(cè)量是解釋電磁測(cè)深觀測(cè)(Lastovickova，1991)和認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部物質(zhì)組成、狀態(tài)、熱結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化等的一種重要方法.目前壓力對(duì)礦物和巖石電導(dǎo)率影響的研究結(jié)果很不一致，人們對(duì)礦物和巖石活化體積的約束還很模糊.本研究的另一目的就是通過(guò)測(cè)量這兩種地幔礦物模型電導(dǎo)率隨壓力的變化特征，獲得它們的活化體積，從而合理構(gòu)建上地幔的一維電導(dǎo)率剖面，為解釋高導(dǎo)層成因等提供參考.

由橄欖石、輝石、石榴子石組成的石榴子石/尖晶石二輝橄欖巖是上地幔的代表性巖石，其與地幔巖、苦橄質(zhì)榴輝巖的成分類(lèi)似，只是各礦物的含量不同，目前直接測(cè)量地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖電導(dǎo)率的研究幾乎沒(méi)有.Duba 和 Constable (1993)利用單頻交流法測(cè)量了二輝橄欖巖的電導(dǎo)率，認(rèn)為橄欖石組分不論單晶還是多晶，其組成巖石電導(dǎo)率相差不明顯；代立東等(2005)測(cè)量了1.0～4.0 GPa壓力下二輝橄欖巖的電導(dǎo)率，認(rèn)為隨著壓力的增大電導(dǎo)率減小，而Wang等(2008)測(cè)量的其含水電導(dǎo)率隨壓力并無(wú)變化.Guo等(2014)測(cè)量了西藏地區(qū)榴輝巖的電導(dǎo)率，得出在45～100 km深度處電導(dǎo)率值為10-4.5～10-1.5S·m-1.Ohta等(2010a)測(cè)量了KLB-1橄欖巖在下地幔溫度壓力條件下的電導(dǎo)率值，構(gòu)建了地幔電導(dǎo)率-深度剖面.Xu(2000a)以60%橄欖石、15%單斜輝石和25%斜方輝石的地幔巖作為研究地幔電導(dǎo)率的巖石，利用串聯(lián)和并聯(lián)方案、Hashin-Shtrikman邊界法、有效介質(zhì)法、幾何平均法以及有效電導(dǎo)率法等地球物理模型來(lái)界定地幔的電導(dǎo)率范圍，將有效介質(zhì)法得到的電導(dǎo)率作為地幔電導(dǎo)率值，很好地吻合了地球物理觀測(cè)結(jié)果.采用測(cè)量頻率為10-1～106Hz的交流阻抗譜法，在1.0～4.0 GPa、700～1150 ℃的條件下，我們首次測(cè)量了地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率，構(gòu)建了其一維電導(dǎo)率剖面，討論了這兩種礦物模型在上地幔存在的合理性.

2實(shí)驗(yàn)

2.1樣品的制備

將粒徑小于63 μm的粉末狀橄欖石、輝石和石榴子石作為初始材料，由57%的橄欖石、29%的輝石和14%的石榴子石組成地幔巖，體積分?jǐn)?shù)為40%的橄欖石、13%的石榴子石和47%的輝石組成苦橄質(zhì)榴輝巖.全巖化學(xué)成分分析見(jiàn)表1.實(shí)驗(yàn)前，先使用精度為0.001 g的電子天平按質(zhì)量百分比稱(chēng)出各礦物，然后放置到瑪瑙研缽中混合研磨，為了使各個(gè)組分混合均勻、顆粒細(xì)膩，研磨時(shí)間都大于6 h.

表1　地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖全巖化學(xué)成分分析(%)

注：FeO*代表全鐵. Fe#=Fe/(Mg+Fe), Fe用FeO*表示.

圖1　實(shí)驗(yàn)樣品組裝圖Fig.1　Schematic of the experimental assembly

2.2樣品的組裝和測(cè)量

高溫高壓實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所地球內(nèi)部物質(zhì)高溫高壓重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的YJ-3000t緊裝式六面頂壓機(jī)裝置上完成的(謝鴻森等，1993).實(shí)驗(yàn)樣品的組裝裝置如圖1，將邊長(zhǎng)為32.5 mm的立方體葉臘石作為樣品的傳壓介質(zhì)，外徑12.5 mm、內(nèi)徑9 mm、高20 mm的圓柱狀氧化鎂管作為外絕緣管，外徑9 mm、內(nèi)徑6 mm、高18 mm的圓柱狀氧化鎂管作為內(nèi)絕緣管.實(shí)驗(yàn)之前，將葉臘石、氧化鎂管和葉臘石堵頭等組件放進(jìn)電阻爐加熱到900 ℃，除去其中的吸附水和結(jié)晶水.本實(shí)驗(yàn)電極采用直徑6 mm、厚度0.3 mm的Mo片，同時(shí)，也作為氧逸度緩沖劑，將樣品的氧逸度控制在Mo-MoO2的水平.用雙層不銹鋼鐵片作為樣品的加熱片，用NiCr-NiAl熱電偶來(lái)測(cè)定樣品的溫度，樣品溫度測(cè)量的誤差介于±5 ℃.

測(cè)量前，先把樣品加壓、加溫到某一預(yù)計(jì)值(通常到973 K以上)，然后保持恒定至少6 h，以便脫去樣品及系統(tǒng)的吸附水，合成粒徑小于45 μm的樣品.電導(dǎo)率測(cè)量采用精度為0.05%的Solartron IS-1260阻抗/增益-相位分析儀.地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率按照升溫—降溫—升溫循環(huán)次序來(lái)測(cè)量，溫度梯度50 ℃、平衡時(shí)間30 min，以便讓樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定.每一個(gè)平衡溫度下樣品的測(cè)量頻率都為10-1～106Hz.

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1數(shù)據(jù)的處理

利用ZView程序繪制測(cè)量樣品的交流阻抗譜，3.0 GPa、800～1000 ℃條件下第一次降溫(實(shí)線(xiàn))與第二次升溫(虛線(xiàn))過(guò)程中苦橄質(zhì)榴輝巖的阻抗譜如圖2所示，相同溫度下樣品第一次降溫與第二次升溫的阻抗譜相差不大，其他不同壓力下苦橄質(zhì)榴輝巖和地幔巖的情況與此類(lèi)似，因此我們選擇第一次降溫曲線(xiàn)處理樣品的電阻.圖中明顯的曲線(xiàn)值跳躍，都發(fā)生在頻率7×104Hz處，這是由儀器造成的，并不影響樣品的電阻擬合值.樣品的電阻從高頻到低頻有所不同，高頻段為一個(gè)近似的半圓弧，而低頻段為線(xiàn)段，而且隨著溫度的不同，高頻段半圓弧的最低頻率有所改變，溫度越高最低頻率越大.對(duì)于多晶礦物，高頻段半圓弧代表樣品顆粒內(nèi)部的傳導(dǎo)機(jī)制，中頻段半圓弧代表顆粒邊界的傳導(dǎo)機(jī)制，低頻段線(xiàn)段代表樣品-電極的傳導(dǎo)機(jī)制(Huebner and Dillenburg，1995；代立東等，2005)，因此，圖2中半圓弧代表顆粒內(nèi)部的傳導(dǎo)，其直徑即為樣品的電阻值，而低頻線(xiàn)段可能代表樣品-電極的傳導(dǎo)(黃曉葛等，2008).

圖2　3.0 GPa壓力、800～1000 ℃溫度下苦橄質(zhì)榴輝巖阻抗譜圖Fig.2　Impedance spectra of piclogite at 3.0 GPa, 800～1000 ℃

在ZView程序中利用一個(gè)電阻并聯(lián)一個(gè)恒相元素(CPE)方法擬合樣品的交流阻抗譜，得到樣品的電阻值，通過(guò)公式(1)計(jì)算樣品的電導(dǎo)率：

(1)

式中，σ代表樣品的電導(dǎo)率，L代表圓柱狀樣品的長(zhǎng)度，r代表圓形電極的半徑，R代表擬合的樣品電阻，其中長(zhǎng)度L、半徑r通過(guò)直接測(cè)量實(shí)驗(yàn)后樣品的尺寸得到.

3.2電導(dǎo)率隨溫度和壓力的變化

圖3　1.0～4.0 GPa壓力和700～1150 ℃溫度下地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖lgσ與1000·T-1關(guān)系Fig.3　Logarithm of electrical conductivity versus reciprocal temperature for pyrolite and piclogite at 1.0～4.0 GPa, 700～1500 ℃

實(shí)驗(yàn)得出了地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖在700～1150 ℃、1.0～4.0 GPa條件下的電導(dǎo)率，圖3列出了不同壓力下電導(dǎo)率隨溫度的變化，地幔巖(黑線(xiàn))的電導(dǎo)率介于10-4S·m-1和10-1S·m-1，而苦橄質(zhì)榴輝巖(紅線(xiàn))的電導(dǎo)率約為10-4～10-2S·m-1.從圖2和圖3已知，隨著溫度的增加，地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率也增加，圖3很好地顯示出電導(dǎo)率的對(duì)數(shù)lgσ與溫度的倒數(shù)1000/T呈線(xiàn)性關(guān)系，符合Arrenhius關(guān)系式：

(2)

其中,σ0為指前因子( S·m-1)，ΔH為物質(zhì)的活化焓(eV)，ΔH=ΔU+PΔV，ΔU為物質(zhì)的活化能(eV)，P為相應(yīng)的壓力(GPa)，ΔV為物質(zhì)的活化體積(cm3·mol-1)，k為玻爾茲曼常數(shù)(8.617×10-5eV·K-1),T為絕對(duì)溫度(K).

表2列出了利用Arrenhius關(guān)系式擬合得到的各參數(shù).隨著壓力的增加，地幔巖的電導(dǎo)率明顯增加，它的活化體積為負(fù)值，為-4.73 cm3·mol-1，而苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率隨壓力的增加幾乎沒(méi)有變化，其活化體積值約為-0.11 cm3·mol-1.

4討論

4.1傳導(dǎo)機(jī)制

在實(shí)驗(yàn)的溫壓范圍內(nèi)，電導(dǎo)率的對(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)呈直線(xiàn)關(guān)系(圖3)，說(shuō)明地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖中主要有一種傳導(dǎo)方式，為Fe2+、Fe3+之間的小極化子傳導(dǎo).Duba 和 Constable(1993)得出，溫度700～1300 ℃范圍內(nèi)，小極化子Fe3+的缺陷在橄欖石電導(dǎo)率中占主導(dǎo)地位，為主要的傳導(dǎo)方式.Yoshino(2010)總結(jié)了離子傳導(dǎo)、小極化子傳導(dǎo)和質(zhì)子傳導(dǎo)這三種傳導(dǎo)方式的顯微機(jī)制，離子傳導(dǎo)的活化能一般大于2 eV，質(zhì)子傳導(dǎo)在含水物質(zhì)中才是主要傳導(dǎo)機(jī)制，而硅酸鹽物質(zhì)的小極化子傳導(dǎo)活化能一般大于1 eV，這也符合我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，地幔巖的活化能為1.14 eV，苦橄質(zhì)榴輝巖的活化能為1.01 eV.對(duì)于小極化子傳導(dǎo)，隨著鐵含量的變化，它的活化焓也會(huì)發(fā)生變化，鐵含量越高，活化焓越低，這與Fe3+、Fe2+之間平均距離的減小有關(guān)(Yoshino，2010)，也與電荷增加導(dǎo)致局部應(yīng)力的減小有關(guān)(Katsura et al.，2009).

表2　地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖電導(dǎo)率Arrenhius關(guān)系式的擬合參數(shù)表

4.2壓力對(duì)電導(dǎo)率的影響

從圖3中可以看出，隨著壓力的增加，地幔巖的電導(dǎo)率增大，而苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率幾乎沒(méi)變化.關(guān)于礦物和巖石電導(dǎo)率隨壓力的變化，前人做過(guò)一些研究，但存在爭(zhēng)議.Duba等(1974)測(cè)量了0.25～0.8 GPa下單晶橄欖石的電導(dǎo)率，得出隨著壓力的增大，橄欖石電導(dǎo)率幾乎沒(méi)有變化；Omura等(1989)在壓力2.9～7.0 GPa、溫度900～1900 K條件下，分別測(cè)得10%、28%、52%、76%和100%鐵含量多晶橄欖石的電導(dǎo)率，即在一定溫度范圍內(nèi)，鐵含量高(>52%)時(shí)，橄欖石電導(dǎo)率隨著壓力的增加而增大；鐵含量低時(shí)，橄欖石電導(dǎo)率隨著壓力的增大而變小.Xu等(2000b)測(cè)量了4.0～10.0 GPa、1000～1400 ℃條件下San Carlos橄欖石的電導(dǎo)率，認(rèn)為其單晶和多晶電導(dǎo)率隨壓力的增加都減小，活化體積為0.6±0.6 cm3·mol-1，壓力對(duì)電導(dǎo)率的影響可忽略.但是，Yoshino等(2012)測(cè)量了不同鐵含量下橄欖石的電導(dǎo)率，得出無(wú)論鐵含量高或低，橄欖石的活化體積都為負(fù)值，鐵含量越高，負(fù)值的絕對(duì)值越大；鈣鈦礦(Goddat et al.，1999；Ohta et al.，2010b)和鎂方鐵礦(Yoshino et al.，2011)電導(dǎo)率也隨著壓力的增大而增加.

關(guān)于巖石電導(dǎo)率隨壓力的變化，Dai等(2008)測(cè)出，1.0～4.0 GPa壓力下二輝橄欖巖的活化體積為正值，為0.04±0.01 cm3·mol-1；Wang等(2008)測(cè)得其0.0126%含水量的電導(dǎo)率隨壓力幾乎沒(méi)有變化；而龔超穎等(2011)測(cè)得其電導(dǎo)率隨壓力增大，但增幅不明顯(圖4).Guo等(2014)在壓力1.5～3.5 GPa條件下測(cè)量了榴輝巖的電導(dǎo)率，得出在溫度低于650 K時(shí)巖石的活化體積為-0.6±0.1 cm3·mol-1，溫度大于650 K時(shí)活化體積為-1.2±0.2 cm3·mol-1.本次實(shí)驗(yàn)得出地幔巖的活化體積為-4.73 cm3·mol-1，而苦橄質(zhì)榴輝巖的活化體積為-0.11 cm3·mol-1，它們的全巖Fe#相差很小，地幔巖為0.13，苦橄質(zhì)榴輝巖是0.12，因此，這兩種模型巖石電導(dǎo)率隨壓力的變化差異可排除鐵含量的影響，但具體原因，需要進(jìn)一步的研究.

4.3對(duì)比前人結(jié)果及其地球物理意義

前人雖然沒(méi)有同時(shí)測(cè)量過(guò)地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率，但對(duì)組成這些巖石的礦物以及類(lèi)似的巖石做過(guò)一些研究，圖4給出了本研究獲得的兩種地幔礦物模型電導(dǎo)率與前人部分工作的比較.

實(shí)驗(yàn)得到苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率和龔超穎等(2011)測(cè)得二輝橄欖巖的電導(dǎo)率相似，在700～1150℃溫度下電導(dǎo)率為10-4～10-2S·m-1；但與代立東等(2005)和Wang等(2008)所測(cè)得電導(dǎo)率相差較大，可達(dá)1.5個(gè)數(shù)量級(jí).地幔巖的電導(dǎo)率與上述測(cè)量的電導(dǎo)率相差較大，并且隨著壓力的增大差值增大，最高可達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí).Wang等(2006)通過(guò)測(cè)得不同含水量橄欖石的電導(dǎo)率，估算了大洋軟流圈(100～200 km)的水含量為0.008%，他們0.01%含水量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與我們?cè)?.0 GPa下地幔巖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合.同時(shí)，本次利用有效介質(zhì)法，計(jì)算了由75%橄欖石(數(shù)據(jù)來(lái)自Wang等(2006))和25%無(wú)水頑火輝石(數(shù)據(jù)來(lái)自Zhang等(2012))組成的地幔巖石電導(dǎo)率，其中，橄欖石和頑火輝石組成的無(wú)水巖石電導(dǎo)率明顯低于我們回歸常壓下的地幔巖電導(dǎo)率，卻與Xu等(2000b)回歸常壓下的電導(dǎo)率基本一致，而0.01%含水量橄欖石和無(wú)水頑火輝石合成的巖石電導(dǎo)率值與2.0GPa壓力下地幔巖的電導(dǎo)率相符，因此，利用各礦物簡(jiǎn)單幾何計(jì)算的巖石電導(dǎo)率可能低于其真實(shí)電導(dǎo)率，即各礦物電導(dǎo)率組合計(jì)算只能粗略的估計(jì)相應(yīng)巖石電導(dǎo)率.由于橄欖石是組成兩種地幔礦物模型中含量最多的礦物，因此，圖4中也列出了部分橄欖石電導(dǎo)率隨溫度的變化.Xu等(2000b)和Wang等(2006)在4GPa下測(cè)得的無(wú)水San Carlos多晶橄欖石電導(dǎo)率相吻合，而Yoshino等(2009)在10GPa下測(cè)得的其電導(dǎo)率值略高，無(wú)水條件下，壓力似乎對(duì)多晶橄欖石的電導(dǎo)率影響很小，這與我們實(shí)驗(yàn)中地幔巖隨壓力變化的情況有很大不同.

圖4　高溫高壓下我們的電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)與前人的對(duì)比黑線(xiàn)是本次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，棕色虛線(xiàn)表示我們的理論計(jì)算值，紅線(xiàn)、紫線(xiàn)和天藍(lán)色是代立東等(2005)、龔超穎等(2011)和Wang等(2008)測(cè)量的二輝橄欖巖電導(dǎo)率的結(jié)果，粉紅線(xiàn)、藍(lán)線(xiàn)和綠線(xiàn)表示Xu等(2000b)、Yoshino等(2009)和Wang等(2006)測(cè)量的橄欖石結(jié)果.Fig.4　Comparison between our results and previous results of electric conductivity at high pressure and high temperatureThe black, brown lines are experimental and theoretical calculation results of this study. Dai et al. (2005) , Gong et al. (2011) and Wang et al. (2008) measure the electrical conductivity of lherolite represent by the red, purple and azure doshed lines. The pink, blue and green lines denote the result of olivine measured by Xu et al.(2000b), Yoshino et al.(2009) and Wang et al. (2006).

我們利用擬合的參數(shù)將地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率外推到240 km.其中在120 km以下，利用地幔巖活化體積外推得到的電導(dǎo)率值遠(yuǎn)高于大多數(shù)地球物理探測(cè)獲得的結(jié)果，如果不考慮壓力影響，得到的外推結(jié)果與電磁測(cè)量的數(shù)據(jù)基本一致，因此，100 km深度后外推忽略了活化體積的影響.本實(shí)驗(yàn)獲得的一維電導(dǎo)率-深度剖面與其他理論計(jì)算模型及太平洋地區(qū)和菲律賓海的電磁測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖5所示.

上地幔頂部(約100 km)地幔巖的電導(dǎo)率(圖5)約10-4～10-1S·m-1，苦橄質(zhì)榴輝巖約10-4～10-2S·m-1；在相同的地?zé)嵯?，隨深度的加深地幔巖電導(dǎo)率大于苦橄質(zhì)榴輝巖電導(dǎo)率，這與地幔巖電導(dǎo)率隨壓力的增大有關(guān)；而且兩種上地幔礦物模型的電導(dǎo)率值基本上位于參考地區(qū)的電導(dǎo)率之間，它們的變化趨勢(shì)與太平洋、菲律賓海以及理論計(jì)算的變化相似，從地表到深部都是先迅速增加然后變緩慢；但是電導(dǎo)率的橫向差異很大，可達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)，這可能與上地幔頂部物質(zhì)較大的橫向異性和構(gòu)造的不均勻性有關(guān).為了更好地解釋地幔礦物模型的合理性，我們將地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率外推到240 km.已知大洋軟流圈電導(dǎo)率值約10-1S·m-1，Wang等(2006)得出了其含水量為0.008%，其電導(dǎo)率-深度曲線(xiàn)(圖5中W-0.01%所示)與大洋地?zé)釋?duì)應(yīng)的苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率接近，但Zhang等(2012)(圖5中Z-0.01%所示)理論計(jì)算結(jié)果與之相比偏小；雖然大洋地?zé)釋?duì)應(yīng)的地幔巖電導(dǎo)率偏大，但在軟流圈內(nèi)它的電導(dǎo)率值也約為10-1S·m-1.再結(jié)合Partzsch等(2000)在前人基礎(chǔ)上得出的部分地區(qū)電導(dǎo)率二維剖面，其中智利北部地區(qū)在80 km深度以?xún)?nèi)的正常電導(dǎo)率為0.005 S·m-1，80～100 km為0.01 S·m-1；在110 km以?xún)?nèi)，比利牛斯山的正常電導(dǎo)率為0.0003 S·m-1，這都與我們測(cè)得的電導(dǎo)率相近.因此，電性方面利用苦橄質(zhì)榴輝巖和地幔巖來(lái)代表上地幔的物質(zhì)也是基本可行的；在深部，用苦橄質(zhì)榴輝巖來(lái)解釋更為合理；在淺部，地幔巖可能更好一些，但淺部物質(zhì)的分布不均勻，電導(dǎo)率隨深度的變化主要受控于溫度的影響，其次才是成分.

圖5　兩種地幔礦物模型與理論計(jì)算和不同地區(qū)電磁測(cè)量結(jié)果的電導(dǎo)率-深度對(duì)比剖面黑線(xiàn)和紅線(xiàn)是根據(jù)Clark等(1964)地盾地?zé)?對(duì)應(yīng)虛線(xiàn))和大洋地?zé)?對(duì)應(yīng)實(shí)線(xiàn))得到的地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率剖面，深藍(lán)色虛線(xiàn)表示利用Wang等(2006)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的電導(dǎo)率值，綠線(xiàn)代表Zhang等(2012)將含鋁頑火輝石和橄欖石利用有效介質(zhì)模型理論計(jì)算的結(jié)果，淺藍(lán)線(xiàn)和紫線(xiàn)是Utada等(2003)在北太平洋、Baba等(2010)在菲律賓海和太平洋電磁測(cè)量的結(jié)果.Fig.5　Laboratory-based conductivity-depth profiles on pyrolite and piclogite compared with the effective medium model and the previously electromagnetic data beneath the different regions in the mantle Black and red lines are conductivity-depth profies of this study based on shield (dashed) and ocean (solid) geotherm calculated by Clark et al.(1964). Dark blue lines denote computed results from the conductivity data of olivine measured by Wang et al.(2006). Zhang et al.(2012) (green lines) calculates the electrical conductivity of upper mantle from the present data for Al-bearing enstatite and olivine using the effective medium model. Light blue and purple lines show the results of electromagnetic measurement in the North Pacific studied by Utada et al.(2003) and in the Philipoine Sea and Pacific studied by Baba et al.(2010).

5結(jié)論

利用YJ-3000t緊裝式六面頂壓機(jī)和Solartron IS-1260阻抗/增益-相位分析儀，在1.0～4.0 GPa、700～1150 ℃的條件下，采用交流阻抗譜法分別測(cè)量了兩種地幔礦物模型所對(duì)應(yīng)的巖石——地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率，結(jié)論如下：

(1) 在700～1150 ℃溫度、1.0～4.0 GPa壓力下，地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率隨著溫度的上升而增加，電導(dǎo)率的對(duì)數(shù)lgσ與溫度的倒數(shù)1000·T-1呈線(xiàn)性關(guān)系，符合Arrenhius關(guān)系式，其中地幔巖的指前因子σ0為68.08～248.09 S·m-1，活化能ΔU為1.14 eV，苦橄質(zhì)榴輝巖的指前因子σ0為17.99～77.46 S·m-1，活化能ΔU為1.01 eV.

后混合式高壓水磨料射流特點(diǎn)是磨料對(duì)高壓水噴嘴的磨損較輕,可連續(xù)作業(yè);但磨料顆粒的速度較低且濃度分布不均勻,明顯降低了水介質(zhì)對(duì)磨料的能量傳輸效率,而且只能使用干磨料[9]。

(2) 隨著壓力的增加，地幔巖的電導(dǎo)率增加，活化體積為-4.73 cm3·mol-1，而苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率幾乎沒(méi)有變化，活化體積為-0.11 cm3·mol-1.

(3) 在溫度1150 ℃、壓力3.0 GPa下，地幔巖的電導(dǎo)率約為10-1S·m-1，大于苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率10-2S·m-1，其原因可能是地幔巖含有較多的鐵和鎂.

(4) 結(jié)合部分地區(qū)的電磁測(cè)量和理論計(jì)算結(jié)果，得出地幔巖、苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率與地球物理探測(cè)的結(jié)果基本一致.因此，電性方面苦橄質(zhì)榴輝巖和地幔巖來(lái)代表上地幔的物質(zhì)基本可行；在深部，用苦橄質(zhì)榴輝巖來(lái)解釋更為合理；在淺部，地幔巖可能更恰當(dāng)，但淺部物質(zhì)的分布不均勻，電導(dǎo)率隨深度的變化主要受控于溫度的影響，其次才是成分.致謝本實(shí)驗(yàn)完成于中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所地球內(nèi)部物質(zhì)高溫高壓重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，期間，得到了周文戈、朱成明研究員的悉心指導(dǎo)和幫助，在此深表謝意.

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(本文編輯汪海英)

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41174074)資助.

作者簡(jiǎn)介王欣欣，女，1990年生，在讀碩士研究生，主要從事高溫高壓礦物巖石電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)研究.E-mail：wangxx1232@163.com *通訊作者黃曉葛，女，副研究員，主要研究方向?yàn)閹r石物理學(xué).E-mail：xghuang@mail.igcas.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160219 中圖分類(lèi)號(hào)P312

收稿日期2015-05-06，2015-12-21收修定稿

Experimental study on electrical conductivity of pyrolite and piclogite at high temperature and high pressure

WANG Xin-Xin1,2，HUANG Xiao-Ge1*，BAI Wu-Ming1

1KeyLaboratoryofEarthandPlanetaryPhysics,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences，Beijing100029,China2UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049,China

AbstractMeasurements of electrical conductivity for rocks and minerals at high temperature and high pressure provide a powerful tool to acquire information about chemical and mineralogical composition of the Earth′s interior. Based on physical properties of minerals and rocks such as density, and elastic-wave velocity, Ringwood and Anderson & Bass proposed two competing mineralogical models of the mantle: pyrolite model and piclogite model. In order to investigate electrical structure of the upper mantle and the rationality of these two models, the electrical conductivities were measured using YJ-3000t multi-anvil apparatus and Solartron-1260 impedance/Gain-Phase analyzer under conditions of 1.0～4.0 GPa, 700～1150 ℃ and 10-1～106 Hz frequency ranges.

The experimental results show that the electrical conductivities significantly increase with temperature. The linear relationship between Lgσand 1/Tindicates that they follow an Arrhenius formula and the small polaron model is the dominant conduction mechanism. The pre-exponential factorσ0and the activation energy ΔUhave been obtained in the setting range. They are respectively 68.08～248.09 S·m-1and 1.14 eV for pyrolite; 17.99～77.46 S·m-1and 1.01 eV for piclogite. With increasing pressure, the electrical conductivities of pyrolite slightly increase, while those of piclogite almost do not change. If pressure effects on conductivity of pyrolite and piclogite are expressed as the activation volume ΔVin the Arrhenius equation, they yield values of order of magnitude -4.73 cm3·mol-1and -0.11 cm3·mol-1, respectively. So far, researchers have not yet formed a unified understanding about the reason of positive and negative ΔV. The conductivity-depth profiles have been established by using our experimental results and geothermal gradients. Comparing our results with the previous electromagnetic data beneath the different regions in the mantle, the reasonability of the pyrolite model and the piclogite model are discussed. In the aspect of conductivity, the piclogite model is more reasonable for explaining deep geophysical field data than the pyrolite model. The conductivities of shallow part of upper mantle are primarily controlled by the temperature,followed by composition.

KeywordsElectrical conductivity; Pyrolite; Piclogite; High temperature and high pressure

王欣欣， 黃曉葛， 白武明. 2016. 高溫高壓下地幔巖和苦橄質(zhì)榴輝巖的電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn).地球物理學(xué)報(bào)，59(2):624-632,doi:10.6038/cjg20160219.

Wang X X, Huang X G, Bai W M. 2016. Experimental study on electrical conductivity of pyrolite and piclogite at high temperature and high pressure.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(2):624-632,doi:10.6038/cjg20160219.