地幔矿物电导率的高温高压实验研究

摘要

电导率是非常重要的地球物理参数，测量矿物岩石的电导率是我们获得有关地球内部的温度、化学成分、矿物相、氧逸度、水含量等信息的有效手段，同时还可以帮助电磁学家约束对野外大地电磁测量数据的解释。本文以FeTiO3钛铁矿、方镁石、顽火辉石、斜方辉石这几种地幔矿物为研究对象，从高温高压电导率实验出发，对地幔矿物岩石电导率的影响因素、Arrhenius参数、导电机制以及基于实验室电导率数据建立的地幔电导率模型进行了研究。主要工作包括：
　　 1.借助于Kawai型的六面顶高压设备，首次在高温高压(300-600 K，8-16 GPa)和氧逸度Fe-FeO条件下测量了FeTiO3钛铁矿的电导率。结果表明其电导率随温度增加而明显增大，随着压力升高轻微增加；小的活化能0.21eV、小且负的活化体积-0.22 cm3/mol、弱的压力效应以及极化子半径的计算都支持小极化子传导，即共价电子转移(Fe2++Ti4+→Fe3++Ti3+)作为FeTiO3钛铁矿的主要传导机制。在此基础上，合理解释了与其结构类似的硅酸盐钛铁矿(Mg0.93，Fe0.07)SiO3电导率高温高压实验结果的异常现象。
　　 2.在高温300-1700 K、高压20 GPa和氧逸度Fe-FeO条件下，就位测量了烧结多晶方镁石的电导率。结果表明方镁石的电导率在低温区和高温区的传导机制明显不同：在低温区(＜700 K)，小的活化能0.2 eV与小极化子机制一致；在高温区(＞700 K)，大的活化能1.18 eV和载流子迁移率的理论计算表明其导电机制为镁空位产生的大极化子导电，并给出了新的大极化子导电的点缺陷模型。同时，通过与不同铁含量的方镁铁石电导率实验结果比较，讨论了方镁铁矿电导率对矿物成分的依赖性。
　　 3.在750-1600 K、10-20 GPa和氧逸度Fe-FeO条件下，首次测量了(Mg0.9Fe0.1)SiO3顽火辉石的高温高压电导率，表明压力对顽火辉石电导率的影响比较小，高温区以小极化子机制为主，然而小的活化能和水含量的测定表明低温区以质子导电为主。实验结果还显示压力(20 GPa)诱发了顽火辉石向林伍德石的相变，同时含水林伍德石的电导率与已有的结果非常一致。4.在上地幔压力3 GPa、温度760-1800 K、频率106-10-1Hz和控制氧逸度Mo-MoO2条件下，使用复阻抗谱方法第一次系统研究了Al2O3含量对斜方辉石(Mg,Fe,Al)(Si,Al)O3电导率的影响。同时，在电导率测量前后，用穆斯堡尔谱测量样品中的Fe3+含量。实验结果表明，斜方辉石样品中的Fe3+含量随Al含量的增加而线性增加，含Al斜方辉石的电导率本质上主要由Fe3+浓度决定。在低温区(＜1350 K)，随Fe3+含量增加活化焓从1.65 eV减小到1.26 eV，指前因子的变化与此相反，这些特征与小极化子机制一致；在高温区(＞1350 K)，高的活化焓(2.26-2.74 eV)表明其导电机制为离子电导率。外推目前的实验结果并联合已有干的橄榄石电导率数据建立了上地幔电导率-深度剖面，估算出上地幔可能的Al2O3含量和Fe3+/ΣFe比值，发现含Al斜方辉石的电导率不能解释上地幔软流圈顶部的高电导率异常。
　　 5.在温度500-1000 K、压力3 GPa、频率106-10-1 Hz和控制氧逸度Mo-MoO2条件下，使用复阻抗谱方法首次系统地研究了水含量对斜方辉石电导率的影响。实验结果显示含水斜方辉石的电导率主要由水含量决定，水含量从0.005增加到0.641wt.％，电导率呈现出系统性的增加，相应的活化焓从0.95 eV减小到0.59 eV。小的活化焓以及电导率随水含量的变化趋势，意味着含水斜方辉石在1000 K以下以质子(H+)导电为主。结合已有含水橄榄石和瓦兹利石的电导率数据，外推本文的实验结果到软流圈顶部和地幔过渡带，建立了一个地幔的电导率深度结构模型。同地球物理场观测得到的模型对比发现：含水斜方辉石的电导率不能解释太平洋地区软流圈顶部的高导异常，可能的解释是在这个区域存在部分熔融。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 国内研究进展

1.2.2国外研究进展

1.3 本文目的和内容

第2章 理论基础和实验技术

2.1 电导率的理论

2.1.1 温度和压力的影响

2.1.2铁的影响

2.1.3氧逸度的影响

2.1.4水含量的影响

2.1.5点缺陷和导电机制

2.2实验技术

2.2.1交流阻抗谱技术

2.2.2高温高压实验设备—Multianvil apparatus

第3章高温高压下钛铁矿电导率实验研究

3.1引言

3.2实验方法

3.2.1样品合成和表征

3.2.2电导率测量

3.3实验结果

3.4讨论

3.5本章小结

第4章 高温高压下方镁石电导率实验研究

4.1引言

4.2实验程序

4.3结果及讨论

4.4本章小结

第5章 高温高压下顽火辉石电导率实验研究

5.1引言

5.2实验方法

5.3实验结果

5.4讨论

5.5本章小结

第6章A12O3含量对斜方辉石电导率影响的实验研究

6.1引言

6.2实验程序

6.2.1样品制备

6.2.2电导率测量

6.2.3穆斯堡尔谱测量

6.3实验结果

6.4讨论

6.4.1 Fe3+和Al含量之间的关系

6.4.2导电机制

6.5地球物理学应用

6.6本章小结

第7章 水含量对斜方辉石电导率影响的实验研究

7.1引言

7.2实验方法

7.2.1样品制备

7.2.2样品表征

7.2.3电导率测量

7.3实验结果

7.4讨论

7.4.1含水辉石的导电机制

7.4.2比较已有实验数据

7.5地球物理学应用

7.6本章小结

第8章 结论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果