高温高压实验弹性波速研究及其地球动力学意义

本文在收集，整理国内外有关高温高压实验岩石，矿物弹性波速研究资料的基础上，对高温高压实验弹性波速研究的目的，内容进行了概述，并对国内外这一领域研究的历史，现状及有关实验技术方法进行了综述，其中重点介绍了我国在高温高压岩石波速研究方面的进展及所取得的成就，并对高温高压弹性波速研究的地球动力学意义进行了讨论。     

绿泥石片岩和斜长角闪岩在高温高压下的物理力学性质及其应用

在高温高压下绿泥石片岩和斜长角闪岩中含水矿物的脱水作用可以引起岩石物理力学性质的异常变化。在半封闭条件下，含水矿物的脱水温度有随压力增加而降低的趋势。脱水作用可能是华北地区壳内低速高导层（体）的形成原因之一。这一低速高导层（体）同时也是低强度的软弱层（体），有利于地震在其上覆脆性岩层中的孕育与发生     

大陆岩石圈流变研究进展与高温高压流变实验现状

大陆岩石圈类似于“三明治”的多层流变结构已经被广泛接受,并用于大陆动力学研究的各方面．然而近年来地震资料和高温高压流变实验结果表明,大陆岩石圈流变可能不是单一模式,流变结构具有多样性,而下地壳流变特性是其中最复杂的层次,这不仅受下地壳成分和结构本身的非均匀控制,而且与其含水程度相关．高温高压流变实验已经积累了大量的数据,但基性岩流变实验目前仍然处于数据积累阶段,缺乏系统性,特别是缺少含水基性岩的流变实验结果,因此,加强干的和含水的基性岩流变实验研究是深入认识下地壳岩石流变必不可少的手段和方法之一．     

高温高压下蛇纹岩脱水的弹性特征其及意义

为了了解蛇纹石在脱水过程中的弹性性质。在１．０ＧＰａ和同时加热条件下,利用脉冲透射法对采自云南双沟街的蛇纹岩进行了超声测量。实验发现,当温度升高至６４０℃时,蛇纹岩的超声波纵波速度随温度的升高而急剧下降。温度继续升高（７００℃以上）,样品在高压腔中爆炸。通过对超声波速下降时的样品发生爆炸前的超声波波形的比较发现,随温度升高超声波振幅有了明显的增大。实验产物的鉴定并与前人相关实验结果比较表明,蛇纹岩     

高压下岩石弹性波速度几种测量方法的比较实验研究

在高压高温条件下测量岩石弹性波速是获得岩石在地球内部的各种力学和热力学数据的主要途径, 也是研究地球内部物质结构和组成的重要手段. 近年来, 用固体作为传压介质的高压高温岩石弹性波速测量方法发展较快, 然而目前各个实验室在高温高压条件下所测量出的岩石弹性波数据, 还没有进行过严格的对比. 为了对比各实验室的实验测量结果, 对3种测量方法进行了比较实验研究, 并与流体传压介质透射法的测量结果进行了对比. 实验表明, 3种测量方法在其适用压力范围内的测量结果都能相互对比. 其中Kern所使用的六面体样品脉冲透射法适用于压力温度较低的地壳类岩石样品的测量. 柱状样品脉冲反射-透射法在适用压力范围、加热温度和测量精度方面均有一定优势. 柱状样品脉冲透射法虽然在压力较低时测量精度较低, 但样品长度大, 组装简便, 适用于样品量大, 要求压力较高的实验. 因此在实际应用中, 后两种方法可进行相互校正和相互补充.     

超深碳酸盐岩油气储层岩石弹性性质高温高压超声实验研究

面向超深碳酸盐岩油气勘探开发中储层精细地震刻画问题,研发了高温（200℃）、高压（200 MPa）岩石弹性性质超声测量系统.收集塔里木盆地9块奥陶系超深碳酸岩储层岩石样品,通过高温高压条件下超声纵、横波速度测量发现,在围压保持69.0 MPa不变的情况下,当温度从25℃上升到200℃时,干岩石样品的纵、横波速度以及体积模量与剪切模量随着温度的升高而下降,纵波速度与体积模量最大降幅分别达到3.54%和7.54%,横波速度与剪切模量最大降幅分别达到4.57%和8.93%;在温度保持200℃不变情况下,当围压从69.0 MPa上升到137.9 MPa时,干岩石样品的纵、横波速度以及体积模量与剪切模量随着围压的升高而升高,纵波速度与体积模量最大升幅分别达到1.78%和3.39%,横波速度与剪切模量最大升幅分别达到1.95%和5.26%.在超深碳酸盐岩油气储层环境下,温度对碳酸盐岩岩石骨架弹性性质的影响可能超过围压对岩石骨架弹性性质的影响.岩石样品温度与围压循环实验表明,干岩石弹性性质与温度以及围压的变化关系不具可逆性,碳酸盐岩岩石样品弹性模量与温度之间总体上存在线性关系,其截距与斜率由碳酸盐岩岩石中方解石的含量控制.

     

俯冲带主要含水矿物弹性波性质研究现状及展望

俯冲带中的含水矿物对物质循环和水迁移等有着极其重要的作用,同时也是俯冲带中的地震波速异常的主要原因．本文总结了近20年来,国内外对俯冲带三种主要含水硅酸盐矿物（蛇纹石、绿泥石和角闪石）弹性波速研究取得的重要成果：含水矿物普遍具有低波速、高各向异性的特点;压力增加波速增加,但波速各向异性降低．富含水矿物的岩石,波速各向异性随着含水矿物含量的增加而增大,同时受到含水矿物晶格择优取向（LPO）类型以及岩体中裂隙的影响．含水矿物LPO引起的地震波速各向异性特征与俯冲的角度有关,在低角度的俯冲带中会引起垂直于海沟方向的快速传播,而在高角度的俯冲带中引起平行于海沟方向的快速传播．文章最后针对目前俯冲带中含水矿物弹性波速研究中存在的问题,提出了未来需要在三个方面加强研究．     

高温高压下斜长岩纵波速度与电导率实验研究

在1.0 Pa、室温到880℃分别采用超声波透射法和阻抗谱法测量了斜长岩的纵波速度和电导率，并对实验产物进行了鉴定分析．结果表明，在680℃，由于斜长岩中的含水矿物绢云母和黝帘石发生脱水反应，岩石的纵波速度开始大幅度下降．在410℃～750℃、12～105 Hz的频率范围内，斜长岩只出现颗粒内部传导．由于脱水产生的自由水主要分布于矿物的三联点或颗粒拐角处，没有形成连通的高导性网络，因此，脱水作用不会导致斜长岩电导率显著增加，也不会改变其电传导机制．地球内部低速层和高导层的形成与演化可能具有非同步性，通过含水矿物脱水可以形成地球内部的低速层，但不一定同时形成高导层．      

秦岭和华北地区地壳低速层的成因探讨──岩石高温高压波速实验证据

对秦岭和华北地区地壳主要岩类１３８个样品进行高温高压实验,测量其纵波速度的结果表明,其中５４个样品出现了纵波低速现象．对出现该现象的样品的实验产物所做的肉眼和镜下观察、电子探针分析以及综合对比显示,微裂隙不是产生低速现象的决定因素,而主要是含水矿物（角闪石、黑云母等）的脱水相交和由之引发的岩石部分熔融导致岩石出现纵波低速现象．通过实验条件与中、下地壳的温度和压力等条件的类比揭示,秦岭和华北地区中、下地壳存在的低速（高导）层也可能是由含水矿物的脱水相变或岩石部分熔融引起的．     

大洋深俯冲带流变性质及其地球动力学意义——来自地幔岩高温高压实验的启示

在压力3GPa,温度1450～1600K,应变速率10-4～10-5s-1条件下,对深俯冲带和上地幔中两种重要岩石（榴辉岩和方辉橄榄岩）的流变性质进行了实验研究,获得了榴辉岩在超高压条件下的流变参数,应力指数为3.4,活化能为480kJ/mol,活化体积为12cm3/mol.实验结果表明具有中等石榴石含量榴辉岩的流变强度与方辉橄榄岩的流变强度在上地幔浅部条件下基本相当,是多晶绿辉石岩强度的2～3倍和多晶石榴石岩强度的一半.随榴辉岩中石榴石含量的逐步增加,岩石的整体流变强度也不断增大.在实验研究基础上,计算了不同板块汇聚速率条件下深俯冲大洋岩石圈在不同深度层次上的流变强度,以及橄榄岩和榴辉岩上地幔流变强度随深度的变化.研究表明,俯冲洋壳从下覆的上地幔拆离出来最有可能发生在缓慢俯冲的热俯冲带中;而快速俯冲的冷俯冲带,俯冲地壳与上地幔之间在强度上是耦合的,发生拆离的可能性不大.过渡带是上地幔中除岩石圈地幔外的高强度和高黏度层.     

10.6～1.5GPa、室温～1 200℃条件下青藏高原地壳岩石弹性波速特征

通过对采自青藏高原的六种地壳岩石，包括花岗闪长岩、混合岩、片麻岩、玄武岩、辉橄岩及斜长角闪岩等，进行高温高压纵波速度测量，发现绝大多数地壳岩石其纵波速度在压力高于0.2-0.3GPa时基本上随压力线性增加。在固定压力下随温度升高而降低，但在温度较低时这一现象并不明显，随温度的程式高波速出现明显降低。通过对实验后的样品进行显微薄片分析，发现含水矿物的脱水和部分熔融是造成岩石波迅速降低的主要原因。在实验过程中还发现高压下温度较高时，接收到的超声波振幅会增大。对实验中发现的这些现象本文进行了初步的分析和讨论。     

秦岭和华北地区地壳低速层的成因探讨──岩石高温高压波速实验证据

对秦岭和华北地区地壳主要岩类１３８个样品进行高温高压实验，测量其纵波速度的结果表明，其中５４个样品出现了纵波低速现象．对出现该现象的样品的实验产物所做的肉眼和镜下观察、电子探针分析以及综合对比显示，微裂隙不是产生低速现象的决定因素，而主要是含水矿物（角闪石、黑云母等）的脱水相交和由之引发的岩石部分熔融导致岩石出现纵波低速现象．通过实验条件与中、下地壳的温度和压力等条件的类比揭示，秦岭和华北地区中、下地壳存在的低速（高导）层也可能是由含水矿物的脱水相变或岩石部分熔融引起的．     

冀东陆壳岩石在高温高压下波速的实验研究

实验选取了冀东陆壳的上、中、下地壳主要岩石类型在高温高压条件下进行了波速测定.实验的最高温度约为600℃,压力达到700MPa.在压力600MPa 条件下测定的上地壳黑云母变粒岩的V_p 为6.00—6.06km/s;中地壳黑云母片麻岩的V_p 为6.75为km/s,斜长角闪岩的V_p 为6.92km/s(?)下地壳麻粒岩的V_p 增加到7.28km/s.波速的变化主要依赖于陆壳的化学组成和变质程度.冀东的上、中地壳化学组成比较接近,相当于中酸性,但变质相分属于绿片岩相和角闪岩相,它们在V_p 上的差异主要与岩石的变质程度有关.下地壳为中性(?)基性成分属麻粒岩相,V_p 的增大,特别是其下部的高V_p(7.5—7.6km/s),既依赖于变质程度,又依赖于化学组成.波速测定的实验支持了我们1988年提出的该区陆壳结构的岩石学模型.     

组构对花岗质岩石流变影响的实验研究

正华北克拉通减薄是近年来地学界的热点问题,拆离断层形成与地壳伸展减薄是华北克拉通岩石圈减薄的浅部响应,而拆离断层内岩石的流动及变形机制直接受控于岩石流变学状态。对于华北克拉通地壳流变研究,流变实验和天然样品流变分析多数集中在下地壳,对于与拆离断层对应的中上地壳流变实验研究比较少。目前为止,有关于地壳伸展和拆离断层形     

浅层断裂韧滑流变的实验分析

选取湘中浅层花岗岩和不同颗粒度的岩石进行高温高压糜棱岩成岩实验,获得其形成的温压条件和微观变形.再同断裂带中所产生的天然韧滑流变糜棱岩一起做TEM观察测试,计算出人工糜棱岩位错密度、流变应力和应变速率分别为3.20×109/cm2,139.32MPa和6.39×10-10S.这与天然糜棱岩的有关数据基本处于同一数量级.以此成岩模拟实验为基础,通过干湿样品实验比较、原岩化学分析以及同法国中央地块、江苏连云港等中深层次糜棱岩的综合分析对比,初步确定浅层岩石流变变化的有关参数,也说明了岩石圈垂向深度流变的多重性和总趋向性.     

2.0 GPa块状斜长角闪岩部分熔融

利用多顶砧压机, 以青藏高原北喜马拉雅构造带的天然斜长角闪岩为样品, 在2.0 GPa, 800~1000℃条件下进行了两个系列的块状样品脱水部分熔融实验: (1) 保持压力p = 2.0 GPa, 加热时间t = 12 h不变, 改变温度(800℃~1000℃)的实验; (2) 保持压力p = 2.0 GPa, 温度T = 850℃不变, 改变加热时间(12~200 h)的实验. 结果表明, 2.0 GPa, 加热12 h的条件下, 随温度升高, 斜长角闪岩中依次生成了石榴石、 熔体和单斜辉石, 熔体的成分呈英云闪长质-花岗闪长质-英云闪长质的演化趋势. 2.0 GPa, 850℃条件下, 随加热时间增加, 斜长角闪岩中依次生成了石榴石、熔体和单斜辉石, 熔体的成分由英云闪长质向花岗闪长质演化.当块状岩石样品中熔体体积百分比的含量达到5%时, 熔体已经相互连通.温度大于850℃的条件下生成的熔体其粘度在104 Pas量级, 已经满足了在地质时间尺度上熔体分凝形成岩浆的粘度要求. 因此, 可以认为在增厚地壳的下 部, 斜长角闪岩的脱水部分熔融可以形成英云闪长质-花岗质岩浆.     

组构对花岗片麻岩高温流变影响的实验研究

深部岩石先存的变形组构对流变特性影响的实验研究是新的研究热点之一,然而目前相关的实验研究非常有限.本文利用3 GPa固体介质熔融盐三轴高温高压容器,选择华北克拉通北部辽东拆离断层带中具有变形组构的花岗片麻岩样品,在温度600~840℃、围压800~1200 MPa、应变速率1×10-4~2.5×10-6/S条件下,对不同组构方向的样品(实验压缩方向分别垂直和平行花岗片麻岩的面理)开展高温高压流变实验.实验结果表明,在相同的应变速率和温度条件下,垂直面理的岩石强度比平行面理的岩石强度要高.两组实验样品在600~700℃时,应力指数平均值为6.5,为半脆性流变;在800~840℃时,应力指数平均值为2,垂直面理样品的激活能为Q=380 kJ/mol,平行面理样品的激活能为Q=246.4 kJ/mol,以塑性变形为主,局部存在黑云母和角闪石的脱水熔融.微观结构研究表明,垂直面理的样品,在变形过程中形成了新的变形条带,把原有的面理破坏改造;而平行面理的样品,在实验变形过程中新的变形带主体继承了原有组构.EBSD分析显示花岗片麻岩原岩中石英轴极密区位于Z轴附近,为底面滑移;压缩方向垂直面理的样品,石英组构轴极密区位于X轴附近,为柱面滑移;压缩方向平行面理的样品,石英组构轴极密区位于Z轴附近,伴有少量的Y轴极密,底面滑移和柱面滑移.这表明垂直面理的样品中石英变形改造比平行面理的样品更彻底,这与微观结构分析结果一致.显然实验样品的非均匀组构对样品强度和石英轴定向等具有显著影响,但对样品的脆塑性转化和塑性变形机制没有实质影响,这对理解地壳深部普遍存在的形态各向异性岩石流变具有重要参考价值.     

高温高压下斜长角闪岩电导率研究及其地球物理启示

中下地壳和俯冲带区域的高电导率异常（0.01~1 S·m^-1）可能与地球内部的特定物质及其变化有关.斜长角闪岩是中下地壳以及俯冲带区域的重要组成之一,高温高压下斜长角闪岩的电导率研究对认识电导率异常具有重要意义.本研究采用交流阻抗谱法,在0.5,1.0,1.5 GPa和473~1073 K条件下测量了天然斜长角闪岩样品的复阻抗,实验结果表明压力对斜长角闪岩的电导率影响非常小,而温度对于电导率影响非常显著,其电导率在1073 K可以达到10^-0.5 S·m^-1;实验获得的活化能值为52.21 kJ·mol^-1,推断其导电机制可能为小极化子传导（Fe²⁺的氧化）主导.结合本实验获得的结果与大陆岩石圈和俯冲带的温度结构,我们计算得到相应的电性结构剖面,并与三种不同构造背景下的大陆岩石圈（克拉通、大陆裂谷和活动造山带）和俯冲带区域的电磁剖面结构进行了对比研究,结果发现斜长角闪岩可以解释大陆裂谷和活动造山带构造背景下的莫霍面附近的高电导率异常现象,同时可能是导致较热的俯冲带区域（例如卡斯卡迪地区）高电导率异常现象的原因.     

高温高压下斜长角闪岩电导率研究及其地球物理启示

中下地壳和俯冲带区域的高电导率异常（0.01~1 S·m^-1）可能与地球内部的特定物质及其变化有关.斜长角闪岩是中下地壳以及俯冲带区域的重要组成之一,高温高压下斜长角闪岩的电导率研究对认识电导率异常具有重要意义.本研究采用交流阻抗谱法,在0.5,1.0,1.5 GPa和473~1073 K条件下测量了天然斜长角闪岩样品的复阻抗,实验结果表明压力对斜长角闪岩的电导率影响非常小,而温度对于电导率影响非常显著,其电导率在1073 K可以达到10^-0.5 S·m^-1;实验获得的活化能值为52.21 kJ·mol^-1,推断其导电机制可能为小极化子传导（Fe²⁺的氧化）主导.结合本实验获得的结果与大陆岩石圈和俯冲带的温度结构,我们计算得到相应的电性结构剖面,并与三种不同构造背景下的大陆岩石圈（克拉通、大陆裂谷和活动造山带）和俯冲带区域的电磁剖面结构进行了对比研究,结果发现斜长角闪岩可以解释大陆裂谷和活动造山带构造背景下的莫霍面附近的高电导率异常现象,同时可能是导致较热的俯冲带区域（例如卡斯卡迪地区）高电导率异常现象的原因.

     

高温高压下岩石波速与地壳深部的物质组成

通过对高温高压下岩石波速实验资料的综合研究得出：岩石波速及速度各向异性可用于确定地壳深部各层的组成和界面性质;岩石波速随构造环境而变化;同一波速层由成分和成因上不同的岩石组合而成利用统计分析后的高温高压波速数据,建立了42组ρ-Vp（密度-速度）关系式及深部岩石判别图解