上地幔高导物质的连通性和电导率的实验研究进展

发布时间：2021-02-20 14:32所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

摘要矿物/岩石的电学性质是认识地球内部物质与结构的重要依据。高导物质(熔体、流体、石墨、磁铁矿等)能否显著影响上地幔的电性结构，取决于这些物质在上地幔中的连通性、电学性质和体积分数。近年来的研究表明，挥发分(水、二氧化碳)能够有效的降低橄榄岩的

　　摘要矿物/岩石的电学性质是认识地球内部物质与结构的重要依据。高导物质(熔体、流体、石墨、磁铁矿等)能否显著影响上地幔的电性结构，取决于这些物质在上地幔中的连通性、电学性质和体积分数。近年来的研究表明，挥发分(水、二氧化碳)能够有效的降低橄榄岩的固相线，并提高玄武岩熔体的电导率。因此我们可以尝试用少量的熔体去解释上地幔某些区域的高导异常。但目前在高温高压下对这些熔体连通性的研究仍不足，我们并不清楚少量熔体在三维条件下是以何种形式连通的?俯冲带中的水主要储存在孔隙和含水矿物中。在橄榄石蛇纹石化或含水矿物脱水的过程中将产生含高浓度电解质的流体。二面角的观测证明了在高温高压下流体能在橄榄石间保持连通，因此我们可以认为这些高导流体对俯冲带的电性结构有很大程度的影响。石墨在橄榄岩体系中具有很高的二面角，不大可能以连通薄膜的形式在上地幔广泛存在，但石墨能否以网状形式连通?与机械的将蛇纹石和磁铁矿混合实验相比，绿泥石脱水产生的磁铁矿表现更好的连通性。这意味着今后研究固相高导物质的连通性时不能忽略矿物在自然条件下的结构特征。

　　关键词电导率连通性熔体流体上地幔

　　0前言

　　电导率是人类认识地球深部物质与结构的重要参数。为对地球内部电性结构进行解释，矿物/岩石电学性质的研究者对地球各圈层中的主要成岩矿物/岩石、高导物质(熔体，流体，石墨，磁铁矿等)的电导率进行了相关研究。矿物的电导率值取决于矿物所含载流子浓度及其迁移速率(Karato,2019;YoshinoandKatsura,2013)。控制矿物/岩石电导率的载流子主要为质子、小极化子(小极化子导电主要是电子空穴的跃迁)、离子等(YoshinoandKatsura,2013)。

　　因此从成分上看矿物的电导率与其所含的水(DaiandKarato,2014a;Huangetal.,2005)、铁(DaiandKarato,2014b;YoshinoandKatsura,2009)、碱性物质(NaO2，KO2)(Yangetal.,2012)等的量有关。而氧逸度会影响质子、小极化子的浓度(DaiandKarato,2014c;Huetal.,2018)，温度、压力、晶体的结构影响载流子的迁移速率(YoshinoandKatsura,2013)。根据上述特性人们对上地幔的主要矿物：橄榄石(DaiandKarato,2014b;Yoshinoetal.,2012b)、辉石(Yangetal.,2012;Zhangetal.,2012)、石榴石(DaiandKarato,2009)等进行了大量的研究并尝试构建上地幔的电性结构。在这方面前人做了大量总结(黄晓葛等,2017;徐有生,2000;杨晓志,2014;张云霞等,2013)。

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　　如果从数量上去选取矿物来构建上地幔的电性结构，所得的模型并不完美。熔体、流体、石墨、磁铁矿虽然少量存在于上地幔中，但在相同温压下它们与橄榄石、辉石、石榴石的电导率，有1-3个量级上的差异(Reynardetal.,2011;ZhangandYoshino,2017;郭璇等,2016)。因此当岩石中的高导物质连通时，岩石的电导率将由高导物质的连通程度、电导率及其体积分数来决定。根据上述高导物质的连通性、电学性质及其体积分数，本文综述近年来的相关研究，并尝试讨论它们对上地幔电性结构的影响。

　　1高导物质的连通

　　岩石中的高导物质只有在连通时才可能使岩石电导率有显著提升(Waff,1974;黄晓葛等,2005)，因此讨论高导物质能否对上地幔的电性结构产生显著影响的基础在于上地幔环境下高导物质是否连通。

　　2不同高导物质对矿物集合体/岩石电导率的影响

　　2.1熔体

　　部分熔融模型认为岩石的电导率由岩石中连通的熔体决定(ShanklandandWaff,1977;Waff,1974)。由于岩石与熔体的电导率有较大的差异，可以通过Archie定律(Archie,1942)来描述部分熔融岩石的电导率bluk(S/m)：blukmn=C(2)其中m(S/m)是熔体的电导率，(vol%)是熔体的体积分数，C，n是拟合参数。由Archie定律可知，部分熔融岩石的电导率主要由熔体的电学性质与熔体体积分数决定。其中熔体中的挥发分(CO2、HO2)、碱金属元素等的浓度和迁移率控制着熔体的电学性质。而温度、压力控制着熔体的体积分数(Dasguptaetal.,2013)。

　　2.1.1熔体电学性质

　　上地幔中的熔体主要是碳酸盐熔体与硅酸盐熔体(Dasgupta,2018)。由于其良好的导电性熔融碳酸盐在工业上被用作电池的电解质(MinarikandWatson,1995)。但直到2008年，Gaillard等将碳酸盐熔体(<10wtsio2>40wt%CO2)用来解释软流圈的高导现象，它的电学性质才被地学界关注。在1573K、1bar-3.4GPa，熔融碳酸盐(<0.2wt%SiO2)的电导率为102.0-102.5S/m，远远高于硅酸盐熔体。近十年来对硅酸盐熔体电学性质的研究主要集中于挥发分(HO2和CO2)对其的影响之上。由于名义无水矿物中的水更易扩散进入硅酸盐熔体之中(Hirschmannetal.,2009)，若假设地幔水浓度为100ppm，大部分大洋岩石圈-软流圈地幔中熔体中的HO2含量可达1wt%-2wt%(Katsuraetal.,2017)。那么HO2能够影响熔体的电导率么?1573K、1.5-2GPa下(不含水)玄武岩熔体电导率约为100.5-101S/m。而同样压力下，加入4.1wt%的HO2能使玄武岩熔体的电导率增加0.5-0.8个对数单位(Nietal.,2011)。我们可以通过公式(3)来了解含水玄武岩熔体电导率与水浓度之间的关系(Nietal.,2011)。此外CO2对玄武岩的电导率也有一定程度的影响，当碳酸盐化玄武岩熔体中的CO2含量超过6wt%时，其电导率会显著提升(Sifréetal.,2014)。

　　2.1.2挥发分

　　当熔体连通时，部分熔融岩石的电导率由熔体的电学性质及其体积分数决定。确立上地幔的电性结构时，需要对上地幔的熔体体积分数进行约束。当橄榄岩中不存在挥发分时，橄榄岩中的熔体质量分数F(wt%)与相应的温度VfTF(K)之间满足(Hirschmann,2000,2010)：Vf2TPPFPF=++++-5.140132.8991120.661(-45040)+273.15(6)其中，P为压力(GPa)。VfTF(K)是不含挥发分岩石(volatile-free，Vf)熔融产生质量分数为F的熔体时所对应的温度。

　　2.1.3熔体的连通性

　　根据熔体电导率的测量结果，软流圈0.1S/m的高导异常分别可以用1-3vol%的玄武岩熔体(Freitas etal.,2019;Yoshinoetal.,2010)、0.1-0.3vol%的碳酸盐熔体(Gaillardetal.,2008;Yoshinoetal.,2010)、约1vol%的含水硅酸盐熔体(含水量3-6wt%)(Nietal.,2011)进行解释。这将上地幔的熔体分数限定在了一个范围，大部分上地幔地区岩石的熔体分数不会太高。

　　研究表明熔体分数越小，熔体之间形成的网状结构对扩散、蠕变、剪切粘度和非弹性行为的影响越大(Holtzman,2016)。在电学方面Laumonieretal.(2017)通过橄榄石-玄武岩体系的研究表明，存在一临界熔体分数(∼0.5vol%)，在0.5vol%之下样品电导率随熔体分数的变化高于由0.5vol%之上外延的电导率随熔体分数的变化。熔体分数大于0.5vol%的部分用Archie定律拟合C=1，n=0.75而低于0.5vol%的部分C=1，n=1.35。n值的大小反映了熔体的连通程度，一般来说n值越大表示熔体的连通能力越差(Glover,2010)。Laumonieretal.(2017)将n值在0.5vol%上下出现的差异解释为连通熔体形态上的差异：在0.5vol%之下的样品中熔体以连通管道的形式分布，而在0.5vol%之上的样品中熔体以连通薄膜的形式分布。n值越小意味着随着熔体分数下降对其电导率的影响更小，因此电导率对熔体的敏感性比过去认为的更高。

　　C与n的厘定有助于提高我们对上地幔熔体分布的认识，由于上地幔体系的复杂性，用橄榄石-玄武岩体系得到的参数去估算上地幔熔体仍然有很大的不确定性。辉石是地幔岩石重要的组成部分，相比于橄榄石，辉石与硅酸盐熔体间有较大的二面角(Maumusetal.,2005)，辉石的存在会一定程度地阻碍熔体的连通，因此橄榄石-玄武岩体系中的n值可能会比Laumonieretal.(2017)所得的更大。Yoshinoetal.(2009)的结果表明橄榄石-玄武岩体系的二面角将随着熔体的聚合程度降低而减小。而近几年对熔体的研究表明HO2和CO2对熔体的聚合程度有着显著影响，那么挥发分份是否对熔体在橄榄石中的连通性有很大影响?在地幔中熔体中CO2的浓度随着深度有很大的变化，石墨/金刚石氧化熔融形成的熔体是极具富CO2的(Dasguptaetal.,2013)，随后在熔体向上迁移的过程中CO2被不断稀释。因此若将Laumonieretal.(2017)的结果用来估算在富CO2地区的熔体分数，将会造成一定的误差。

　　地球内部力的不均匀性导致很难用静水压力的实验来研究地球上所有区域的电性结构(张宝华,2017)。差应力会显著影响岩石中熔体的形态与分布(KohlstedtandHoltzman,2009)，而显著改变部分熔融岩石的电导率(Caricchietal.,2011;Pommieretal.,2015;ZhangandYoshino,2020;Zhangetal.,2014)。ZhangandYoshino(2020)的简单剪切实验表明：当熔体受剪应力时会向两个受力面的方向富集，并沿着力的方向(x)而伸长。剪应力的作用可能提高了熔体在x方向上的晶界湿润性，促进了熔体薄膜在的x方向上的连通，从而x方向的电导率显著高于垂直于x方向上的电导率。

　　2.2流体

　　流体具有良好的导电性，其电导率随着电解质浓度的增加而增加。在873K、3GPa下，纯水的电导率接近10-0.5S/m(Holzapfel,1969)，而同样的温度、压力条件下，含5wt%NaCl盐水的电导率高达102S/m(GuoandKeppler,2019)。俯冲带是全球水循环的重要场所，水主要是以含水矿物中的结构水(-OH,+H等)，或者是矿物颗粒之间的孔隙水(HO2分子)的形式而存在。含水矿物脱水时，可产生大量的流体，从而影响俯冲带的电性结构(ArayaVargasetal.,2019;Worzewskietal.,2011)。

　　近年来学者们对硬柱石(Manthilakeetal.,2015;Pommieretal.,2019)、叶蛇纹石(Wangetal.,2017)角闪石(Huetal.,2018;Wangetal.,2012)、绿泥石(Manthilakeetal.,2016)、绿帘石(Huetal.,2017)、多硅白云母(Chenetal.,2018)、滑石(WangandKarato,2013)等含水矿物在脱水过程中的电导率进行了测量。滑石、含铁角闪石样品在高温下表现为小极化子导电，因此在高温高压下滑石、含铁角闪石中的水可能以H2的形式流失(Huetal.,2018;Wangetal.,2012;WangandKarato,2013;申珂玮等,2020)。绿泥石、叶蛇纹石、多硅白云母脱水后，含流体样品的电导率随着温度的降低而略有下降，电导率几乎保持在0.1-1.0S/m(Chenetal.,2018;Manthilakeetal.,2016;Wangetal.,2017)。而硬柱石、绿帘石脱水后电导率却大幅度下降，由10-1S/m降至10-3S/m(Huetal.,2017;Manthilakeetal.,2015)。绿泥石脱水后其电导率保持不变是因为样品中产生了连通的磁铁矿(Manthilakeetal.,2016)。

　　2.3石墨和磁铁矿

　　2.3.1石墨

　　在压力<5GPa(Day,2012)，氧逸度2logo(FMQ)f-1至-2以上的区域，C主要以石墨的形式存在于地幔中(Stagnoetal.,2013)。由于石墨具有良好的导电性(~105S/m)，近年来Watsonetal.(2010)、YoshinoandNoritake(2011)、Wangetal.(2013)、ZhangandYoshino(2017)对石墨能否造成高导进行了研究。他们将石墨与橄榄石机械混合，在高温高压观察石墨含量对样品电导率的影响，以研究石墨的连通性(Wangetal.,2013;Watsonetal.,2010;ZhangandYoshino,2017)。

　　在高温高压下长时间观察不同厚度的石墨薄膜在石英(YoshinoandNoritake,2011)、橄榄石ZhangandYoshino(2017)晶面上的电导率，以研究石墨薄膜的稳定性。在连通性上，橄榄石-石墨体系存在连通阈值。Wangetal.(2013)根据渗流理论推测在1673K、3-4GPa下石墨-橄榄石的连通阈值为1.7vol%。ZhangandYoshino(2017)根据二面角推测在1700K、1GPa下石墨-橄榄石的连通阈值约5vol%。

　　1273K下橄榄石-水的二面角在1GPa与5GPa之间存在30°的差异(Mibeetal.,1999)。Wangetal.(2013)、ZhangandYoshino(2017)两组结果的差异可能是由压力的不同而引起的。另一方面，Wangetal.(2013)实验中的石墨由混合在橄榄石中的金刚石中相变而产生，高温下石墨的热膨胀系数比金刚石的大得多，因此也可能是由于金刚石相变为石墨过程中体积膨胀促进石墨薄膜连通(ZhangandYoshino,2017)，Wangetal.(2013)对石墨-橄榄石的连通阈值可能存在一定的低估。目前对在上地幔环境中石墨主要存在120-150km处(Dasgupta,2018;Stagnoetal.,2013)，5%(1GPa)和1.7vol%(3-4GPa)这两个连通阈值或许是上地幔中石墨连通阈值的上限和下限。石墨薄膜的稳定性与其厚度成正相关(YoshinoandNoritake,2011;ZhangandYoshino,2017)。

　　在橄榄石晶面上，140nm的石墨薄膜在1600K、3GPa下能保持25h的高导，随后由于膜的破坏样品电导率急剧下降。而178nm的石墨薄膜能在整个保温过程中(1700K、3GPa、66h)保持连通(ZhangandYoshino,2017)。虽然对178nm的石墨薄膜的破坏时间缺乏约束，ZhangandYoshino(2017)表示从地质时间尺度上看，石墨薄膜很难长时间保持稳定性。

　　3高导物质对上地幔电性结构的影响

　　3.1大洋地区

　　通过大地电磁探测(MT)我们可以了解地球深部的电性结构。在东太平洋隆起(Keyetal.,2013)、JuandeFuca洋脊(Constableetal.,1997)、Reykjanes洋脊(Heinsonetal.,2000)近50km的深度存在超过10-1S/m的高导。在年轻板块50-100km处存在电性各向异性，既平行于板块运动方向的电导率远远高于垂直于板块运动方向(Evansetal.,2005;Katsuraetal.,2017;Naifetal.,2013)。其中Nicaragua海沟各向异性高导层的电导率达到10-0.7S/m(Naifetal.,2013)。

　　大洋地区100-300km的电导率普遍在10-2-10-1S/m之间(Karato,2019;Katsuraetal.,2017)。实验表明在上地幔的温压条件下，干的橄榄石集合体(结构水的含量低于10ppm)的电导率在10-2.5-10-1.5S/m之间(DaiandKarato,2014b)，远远低于MT的观测结果。这意味着在大洋地幔广泛存在着某种特殊的物质，控制者大洋地幔的电性结构。对于这种物质主要存在两种推测。其一为熔体，对橄榄石集合体的测量表明样品的电导率与样品中的熔体分数呈正相关(Laumonieretal.,2017)，因此不同地区电性结构的差异可以解释为熔体分数的差异;当岩石中的熔体受差应力作用时，岩石电导率表现出明显的各向异性(ZhangandYoshino,2020)，岩石圈-软流圈边界(LAB)存在的电性各向异性可以解释为熔体定向分布引起的。

　　其二为含水橄榄石，橄榄石中结构水的含量控制着载流子(质子)的浓度，因此橄榄石的电导率与结构水的含量呈正相关(DaiandKarato,2014b;Wangetal.,2006)。不同地区电性结构的差异可以解释为结构水含量上的差异;当温度超过1000K时，含水橄榄石单晶在[100]方向上的电导率与[010]、[001]方向上的电导率差异巨大(DaiandKarato,2014a)，大洋地区的各项异性可能是含水橄榄石定向分布引起的。由于H在橄榄石与熔体间的分配系数ol/meltDH接近0.002(Hirschmannetal.,2009)，H在橄榄石中将作为不相容元素存在。H在熔体和橄榄石间的分配系数使得熔体和水这两种对大洋地区电性异常的解释存在矛盾，因为当含水橄榄石间存在无水熔体时，将提取橄榄石中的H。

　　对MORB中的挥发分测量表明，大洋地幔中的水含量普遍为(100±50)ppm(Hirschmann,2010)，意味着含水橄榄石对上地幔电性结构的影响是有限的，10-1S/m以上的区域并不适合用含水橄榄石来解释(Karato,2019)。如果用熔融来解释各区域的高导这要求熔体上地幔中是普遍存在的。虽然地幔岩中的结构水能够显著降低熔体的固相线，但水对熔融作用的影响是有限的，即使假设地幔平均水含量高达200ppm，熔体也只能在脊下<85km3dasgupta2018co2150-250kmco2rohrbachandschmidt2011stagnoetal.2013350km3.2mt>10-2S/m的高导，它们多起源于板片顶部(Ichikietal.,2009;McGaryetal.,2014;Tohetal.,2006)。高导起源深度与俯冲带的热结构相关，在热的Cascadia中部地区的高导起源于深部80-120km的板片顶部(McGaryetal.,2014)，而在冷的日本东北地区的高导起源于深部200-250km的板片顶部(Tohetal.,2006)。

　　4小结

　　能否用少量高导物质来解释上地幔的电性异常，需要对高导物质的连通性质、电学性质与体积分数进行研究与认识。在连通性质方面，二面角是判断固-液体系中液体(熔体与流体)是否连通的重要指标。熔体与流体成分上的差异将显著影响固-液体系的二面角，体积分数与差应力将影响连通液体的形态。Manthilakeetal.(2016)的结果表明当相高导物质为固相时，高导物质能否连通与其在形成过程中保留下来的状态有关，这意味着研究固相高导物质的连通性质时应该尽量还原其在自然界的分布状态。熔体与流体的电学性质与其成分密切相关。近年来有关含挥发分(CO2、HO2)的熔融实验，将熔体的电学性质与体积分数联系起来。在实验上根据地幔岩石中挥发分的浓度可以从熔体的角度建立上地幔的电性结构。

　　初步认识到，高导流体的形成可能与海水中NaCl的富集或含水矿物中的脱水有关。熔体是上地幔的电性异常的重要解释，相对于含水矿物模型，熔体能更好的解释洋脊50km，年轻的大洋板块50-100km处的电性异常。但对大洋地区>100km、稳定克拉通40-100km处的解释仍然有争议。这需要我们确立碳氧化还原冻结界面深度和克拉通地区精确的热结构。

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　　作者：代唯琪1,2，黄晓葛1，高春杨1,2，陈祖安1

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