地球物理学报  2013, Vol. 56 Issue (10): 3434-3444   PDF    
西藏南部蛇绿岩套电导率研究
郭颖星1 , 王多君1 , 李丹阳1 , 周永胜2 , 于英杰1     
1. 中国科学院计算地球动力学重点实验室, 北京 100049;
2. 中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
摘要: 大地电磁(MT)资料显示, 青藏高原地壳及地幔中普遍存在着高导层.作为大陆造山带中古洋盆岩石圈残片, 蛇绿岩套的电导率测量可为了解古洋盆地区地壳及地幔的电性结构提供极其有用的信息.本研究中, 我们在压力为1 GPa或3 GPa下, 用交流阻抗谱法测量了采自西藏南部地区的蚀变辉长岩、玄武岩、角闪橄榄岩及方辉橄榄岩四个样品的阻抗谱, 并进一步得出样品的电导率, 不同样品电导率与温度之间的关系满足Arrhenius关系式.在实验温度范围内, 蛇绿岩套电导率的对数logσ位于-6.0~-0.5 S/m之间, 且随着温度的增高, 不同样品电导率增大约4~5.5个量级.样品在未脱水的情况下, 低温段的活化焓变化范围在0.4~0.6 eV之间, 高温段的活化焓变化范围为1.7~2.6 eV之间.同时, 我们研究了样品中结构水含量及铁含量对实验电导率的影响, 验证了样品电导率与铁含量之间呈正比关系.当对样品结构水含量进行归一化后, 相同温度下各样品的电导率随铁含量的增加而增大, 而对样品铁含量归一化后, 相同温度下各样品的电导率随样品中水含量的增加而增大.将实验电导率与藏南地区大地电磁结果进行了对比, 发现本研究中各样品高温段实验电导率结果均落在大地电磁结果范围内.
关键词: 高温高压      蛇绿岩套      电导率     
The electrical conductivity of ophiolite in Southern Tibet
GUO Ying-Xing1, WANG Duo-Jun1, LI Dan-Yang1, ZHOU Yong-Sheng2, YU Ying-Jie1     
1. Key Laboratory of Computational Geodynamics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
2. The State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract: Recent magnetotelluric (MT) field measurements indicate the existence of high conductivity zones (HCZ) in the crust and upper mantle of Tibetan Plateau. As ocean basin lithosphere fragments in continental orogenic belts, the electrical conductivity of ophiolites may provide useful information to understand the electrical structure of the crust and the mantle. Using the samples of altered gabbro, basalt, hornblende peridotite and harzburgite collected from Yarlung Zangbo ophiolite zone in south Tibet, we detected the electrical conductivities of ophiolites by using the impedance spectrum method at 1 or 3 GPa and different temperatures respectively. The results show that the logarithm of electrical conductivity of ophiolites varies from -6 to -0.5 S/m, the conductivity increases by 4~5.5 orders of magnitude with the increase of experimental temperature. Before dehydration, the activation enthalpies are 0.4~0.6 eV for different samples at low temperature and 1.7~2.6 eV at high temperature. Meanwhile, we studied the effect of the water content and the iron content on the experimental conductivity, our result verified the positive correlation between the conductivity of the samples and the water content or iron content. While we normalized the water content or iron content of samples, the relationship of conductivity was consistent with the iron content or water content of the samples. The results were applied to Earth's interior and compared with the magnetotelluric observations, our model is consistent with the electrical conductivity structures derived from geophysical observations..
Key words: High temperature and high pressure      Ophiolite      Electrical conductivity     
1 引言

青藏高原地处印度洋板块和欧亚板块的交汇、碰撞区,在这两个板块的相互作用下形成了不同的构造单元.由于青藏高原地质构造非常复杂,对青藏高原的研究已经越来越多的引起国内外学者的关注[1-2].蛇绿岩是大陆造山带中古洋盆岩石圈残片,对于古洋盆重建、研究大陆岩石圈构造和演化过程都具有重要意义[3],青藏高原蛇绿岩套[4]主要集中位置见图 1,其中,雅鲁藏布蛇绿岩带是青藏高原地区分布范围最广、面积最大的蛇绿岩地层,雅鲁藏布蛇绿岩带标志着特提斯洋的最终消亡场所[5],多年来一直受到地学界的广泛关注,例如,Nicolas等[6]探讨了雅鲁藏布Xigaze蛇绿岩的起源,Yamamoto等[7]研究了藏南罗布莎蛇绿岩及其围岩的叠瓦状构造,Wang等[8]研究了雅鲁藏布古蛇绿岩,认为其在早期的消减阶段发生肢解和侵蚀.Malpas等[9]则测定了雅鲁藏布蛇绿岩带中段地区蛇绿岩的锆石SHRIMPU-Pb年龄.然而以往的研究多限于岩石构造环境及成因等方面的讨论,而对于蛇绿岩电学性质等其他物理属性则很少研究.MT观测资料显示,青藏高原南部地区下地壳及上地幔中普遍存在着高导层(图 2显示了这一蛇绿岩带地壳及部分上地幔地区的电导率特征),普遍的看法是这种高导现象是由于岩矿物发生部分熔融造成的.到目前为止,关于该地区高导层与岩石本身电导率之间的关系鲜有报道,因此,研究这一地区的代表性岩石-蛇绿岩套的电学性质具有十分重要的意义.

图 1 青藏高原蛇绿岩带及实验样品采样点示意图 图中红色阴影部分为青藏高原蛇绿岩套分布范围[4],蓝色五角星代表本研究样品采集地点,蓝色实线代表选取的大地电磁剖面[10]位置. Fig. 1 Location of ophiolite and samples points Red shadows indicate ophiolit zones[4]; Blue stars indicate the location of samples; Blue solid line indicates the location of magnetotelluric profile collected from Wei et al.[10].
图 2 雅鲁藏布电导率剖面结果 剖面截选自Wei等[10]MT2000号测线. Fig. 2 The electrical conductivity profile in Yarlung Zangbo The profile is from Wei et el.[10].
2 实验样品分析 2.1 实验样品成分

为了研究雅鲁藏布-象泉河蛇绿岩带的电性结构特征,我们选取了西藏南部地区岩石样品4个,分别为蚀变辉长岩、角闪橄榄岩、玄武岩及方辉橄榄岩,样品采样地点如表 1所示.

表 1 样品采样点坐标 Table 1 Location of sampling points

各实验样品岩性特征分别为:蚀变辉长岩,中细粒等粒粒状结构、间粒结构,块状构造.样品发生蚀变,其原岩成分为单斜辉石及斜长石,含量约各占50%,蚀变后单斜辉石保持良好,而斜长石则发生钠黝帘石化,次生矿物为约25%的绿泥石以及少量的帘石、钠长石等矿物;角闪橄榄岩,全晶质粒状结构,不等粒粒状结构,块状构造,约含25%~30%的橄榄石,20%~25%的斜方辉石,10%~15%的单斜辉石及30%~35%的角闪石;玄武岩,斑状结构,基质微晶结构,间粒和拉斑玄武结构,块状构造.斑晶约占全岩25%~30%,主要由单斜辉石及少量强烈蚀变的斜长石构成,基质中斜长石约占60%~70%,辉石约占30%,斜长石发生强黝帘石化,样品中含有约3%的磁铁矿及钛铁矿;方辉橄榄岩,全晶质粒状结构,不等粒粒状结构,块状构造,约含60%~65%的橄榄石,35%~40%的斜方辉石及<1%的尖晶石.各样品显微照片如图 3所示,各样品全岩分析结果及电子探针结果如表 2表 3所示.

图 3 实验样品显微照片 (a),(b),(c),(d)分别为蚀变辉长岩、角闪橄榄岩、玄武岩及方辉橄榄岩. Fig. 3 Photomicrograph of the starting material (a), (b), (c), (d) are altered gabbro, basalt, hornblende peridotite and harzburgite, respectively.
表 2 样品全岩分析结果 Table 2 Result of whole rock analysis of samples
表 3 实验样品电子探针结果 Table 3 Electron microprobe analysis of representative minerals
2.2 样品红外光谱分析

名义无水矿物几乎都含有微量的“结构水”[11],结构水的存在对电导率有着很大的影响.本研究中,我们对样品进行了傅里叶转换红外光谱分析.样品薄片厚度为102~214 μm,两面剖光,这样的厚度约为一个矿物颗粒厚度,从而既可以使样品红外谱获得较强的信号而又能反映单矿物的特性.分析视域为50 μm×50 μm,红外光谱测量范围选为3000~4000 cm-1之间.在此波数范围内,各样品红外光谱均出现1~3个吸收峰.图 4中(a),(b),(c),(d)分别代表各样品的主要矿物红外吸收谱.我们使用Beer-Lambert公式对样品进行水含量计算:

图 4 样品在波数3000~4000 cm-1范围内的傅里叶红外吸收谱 (a)玄武岩;(b)蚀变辉长岩;(c)角闪橄榄岩;(d)方辉橄榄岩. Fig. 4 FTIR spectra of representative minerals of samples for the wave-number range of 3000~4000 cm-1 (a) Basalt; (b) Alteredgabbro; (c) Hornblende peridotite; (d) Harzburgite.

(1)

其中,Δ为吸收强度,c为样品水含量,I为吸收系数,t为样品厚度,γ为方向因子.吸收强度用OH吸收峰的积分面积表示,各样品中矿物积分范围均取为3000~4000 cm-1.吸收系数单斜辉石为7.09 ppm-1 · cm-2 [12],斜方辉石为14.84 ppm-1 · cm-2 [12],斜长石为15.3 ppm-1· cm-2 [13],橄榄石为8.72 ppm-1· cm-2 [14].由于红外光谱测试中,测量区域位于单个矿物内部,且薄片厚度接近一个矿物颗粒粒径,因此,本研究各测量矿物具有明显的方向性,γ选取0.5进行计算.

表 4为样品的结构水含量计算结果,其中蚀变辉长岩及玄武岩中水含量分别为7079 ppm及5253 ppm,对于角闪橄榄岩,由于角闪石中的水对电导率影响不大[15],计算角闪橄榄岩的水含量时,未考虑角闪石的情况,根据斜方辉石及橄榄石计算出来的角闪橄榄岩水含量为657 ppm.由于方辉橄榄岩中橄榄石发生蛇纹石化,无法测出橄榄岩的红外光谱,因此我们用样品中斜方辉石的水含量代替整个样品的水含量,同时我们也承认这种代替不可避免地存在不确定性.由此水含量关系,我们定性地得出各研究样品水含量之间的关系为蚀变辉长岩>玄武岩>方辉橄榄岩>角闪橄榄岩.

表 4 蛇绿岩样品水含量计算结果 Table 4 The water content of different minerals in the ophiolite samples
3 实验过程及结果

样品在实验前均切割成直径8.0 mm、厚度约为5.0 mm的圆柱体,经丙酮浸泡及干燥以除去油污及吸附水.实验样品组装图如图 5所示.承压介质为焙烧过的叶腊石快,电极材料使用金属镍,加热器使用三层不锈钢片,电极线为镍铬丝,热电偶由镍铬-镍铝丝制成.样品及组装材料的预处理同文献[16],实验所需温度和压力由位于中国科学院地球化学研究所的YJ-3000t紧装式六面顶压机提供,使用复阻抗测量仪器Solartron 1260阻抗/增益-相位分析仪测量出样品复阻抗的实部Z′、虚部Z″、模值|Z|及相角θ四个参数.测量压力除方辉橄榄岩为3.0 GPa以外,其余均为1.0 GPa,测量频率均设为10-1~106 Hz.待样品准备就绪,恒压0.5 h并开始测量,样品电导率测量方法采用恒压变温法,对每个样品进行三轮升温降温操作并测定每一轮中样品的复阻抗谱.

图 5 实验装置图 1.叶腊石块,2.电极线,3.加热器,4.叶腊石堵头,5.三氧化二铝堵头,6.三氧化二铝管,7.样品,8.热电偶,9.镍电极. Fig. 5 Sample assembly for electrical conductivity measurements at high pressure 1.Pyrophllite; 2.Electrode wire; 3.Heating element; 4.Pyrophllite space; 5.Al2O3 space; 6.Al2O3 sleeve; 7.Sample; 8.Thermocouple; 9.Ni-electrode.

根据复阻抗原理,在样品测量中,依次会出现3个阻抗弧,分别代表样品颗粒内部、颗粒之间及样品与电极之间的导电机制.本研究过程中,在频率测量范围内,各样品均出现了第一个阻抗弧,从图 6中可以看出,随着温度的增加,各样品阻抗弧均逐渐减小,由此拟合出的电阻也随之减小.图 7为实验样品电导率结果图,从图中可以看出,随着温度升高,各样品在脱水前电导率增加约4~5.5个量级,其中蚀变辉长岩logσ从-6.0增加到-0.5 S/m,角闪橄榄岩logσ从-5.0增加到-1.0 S/m,玄武岩logσ从-6.0增加到-0.5 S/m,方辉橄榄岩logσ从-6.0到-1.5 S/m.随着测量温度升高,蚀变辉长岩、玄武岩及方辉橄榄岩电导率拟合直线斜率发生突变,突变温度蚀变辉长岩为568~596 ℃,玄武岩为541~575 ℃,方辉橄榄岩为554~575 ℃.斜率变化说明样品导电机制发生了改变,对于含水及铁的硅酸盐矿物,电导率可表达为

图 6 实验样品阻抗谱图 (a)、(b)、(c)、(d)依次为样品蚀变辉长岩、角闪橄榄岩、玄武岩、方辉橄榄岩. Fig. 6 The complex impedance arcs of samples (a), (b), (c) and (d) are altered gabbro, hornblende peridotite, basalt and harzburgite, respectively.
图 7 样品实验电导率测量结果 (a),(b),(c),(d)依次为蚀变辉长岩、角闪橄榄岩、玄武岩及方辉橄榄岩. Fig. 7 The logarithm of electrical conductivity as a function of reciprocal temperatures for samples (a), (b), (c) and (d) are altered gabbro, hornblende peridotite, basalt and harzburgite, respectively.

(2)

其中i,h,p分别代表离子、小激化子和质子导电.其中质子导电通常发生在较低温度,小激化子导电则被认为是地幔含铁矿物中主要的导电机制,而离子导电通常发生在高温阶段[17],由于本实验各样品均含有一定量的铁,我们认为在实验高温段各样品的导电机制可能均为小激化子导电.本实验三种样品电导率突变的原因为样品在高温下发生部分脱水,脱水后样品电导率结果如图 7中方形图标所示,脱水后各样品电导率均发生明显增加,增加量级约在1~3.5之间,这说明样品水含量对电导率影响明显.

在不同温度段上,logσ与104/T具有良好的线性关系,即符合Arrhenius公式:

(3)

式中σ0为独立于温度的指前因子,ΔH为活化焓,k为Boltzmann常数,T为热力学温度.

图 7中黑色实线及虚线为样品脱水前后电导率按Arrhenius公式拟合的结果,其斜率可以反映出样品活化焓大小,表 5为计算得出的实验样品在不同温度段脱水前后的电导率拟合参数,从表中可以看出,脱水前四个样品在低温段的活化焓均较低,位于0.4~0.6 eV之间,而在高温段,样品的活化焓均较高,蚀变辉长岩、玄武岩及方辉橄榄岩高温段活化焓位于1.7~2.6 eV之间.

表 5 实验样品脱水前后的电导率拟合参数 Table 5 Parameter values for the electrical conductivity of different samples

前人研究结果显示,名义无水矿物中铁含量及水含量对电导率有很大的影响[18-19],矿物中结构水对电导率σ的影响满足以下关系[19]

(4)

其中Ar为常数,r取值在0.5~1.0之间,CW为水含量(wt%).对于同一种矿物,样品电导率与水含量CW成正比关系.前人研究铁对橄榄石[20]、林伍德石[21]等矿物电导率影响时,得出随着铁含量增加,样品电导率逐渐增大的结论. Karato等[22]研究发现电导率与样品中的铁含量之间一般满足以下关系式:

(5)

其中,,对于大多数矿物而言,β为9.本实验样品中,由于Mn的性质与Fe接近,我们推测,Mn2+在样品中的导电机制与Fe2+类似,且样品中其他金属阳离子对样品导电性影响较小,因此,我们选取作为铁含量的标志.

表 6为根据各实验样品的全岩分析结果计算得出的铁含量、金属阳离子含量及Fe#结果,各样品中Fe的质量百分比最低为6.13%,最高为7.34%;金属阳离子含量最低为27.11%,最高为32.20%,Fe#按方辉橄榄岩、玄武岩、蚀变辉长岩、角闪橄榄岩的顺序依次增大,最低为9.29%,最高值为16.38%.

表 6 样品中铁及金属阳离子含量 Table 6 Iron content and metal cation content of samples

图 8为各实验样品进行水含量归一化(均归一化为7079 ppm)后的电导率对比结果.从图 8a8b可以看出,当r=0.5及r=1.0时,相同温度下,随着铁含量的增加,电导率呈增加的趋势,且r=0.5比r=1.0时的趋势更加明显.图 9为按公式(5)对各样品中铁含量进行归一化(均归一化为16.38%)得到的各样品电导率随温度变化的对比结果,其中,令β=9.从图中看出,相同温度下,电导率由低到高大致符合:角闪橄榄岩<方辉橄榄岩<玄武岩<蚀变辉长岩,这与各实验样品中水含量大小关系一致. 图 8图 9计算结果验证了样品中水含量及铁离子浓度对样品电导率均有影响,当样品中铁离子浓度一致时,样品电导率主要由样品中的结构水含量决定,水含量越高,样品的电导率越大.同时,我们也注意到,图 8图 9中对样品进行水含量或者铁含量归一化后,样品电导率并不与铁含量及水含量的大小关系完全一致,可能原因为:样品电导率除了受水含量及铁含量影响外,还受到其他因素影响,例如样品中氧逸度及压力等的影响.另外,样品全岩分析结果的误差及对水含量的计算及假设存在的不精确性也对归一化后的电导率计算结果存在影响.

图 8 样品水含量归一化为7079 ppm时样品电导率与铁含量之间的变化关系 (a)r=0.5;(b)r=1. Fig. 8 The relationship between logarithm of electrical conductivity and different Fe contents when the water content is normalized
图 9 样品铁含量归一化后电导率与温度关系 Fig. 9 The relationship between logarithm of electrical conductivity and temperature with same Fe contents
4 实验电导率的地球物理应用

大地电磁资料显示,青藏高原地区普遍存在着高导层,对于这一高导层的形成,不少学者认为是由部分熔融或者流体造成,例如Zhao等[23]认为用熔融机制可以很好地解释青藏高原南部喜马拉雅地区15~20 km深度的低阻体,叶高峰等[24]认为藏南中、下地壳具有良导电性可以证明西藏巨厚的地壳中存在部分熔融体和热流体.但与其他地区相比,由于青藏高原存在巨厚的地壳,其下地壳和上地幔会处于一个高压的状态,岩矿物熔融需要更为高温的环境.图 10为蛇绿岩样品实验电导率与雅鲁藏布谷地下地壳及部分上地幔深度内大地电磁电导率的对比情况,由前人[25]得出的西藏南部地区地热结果可知,在本研究中大地电磁选取深度范围内温度约为450~650 ℃,与本研究中各样品开始脱水的温度一致.因为本研究采样点与大地电磁剖面接近,因此可以较准确地反映剖面附近地壳及地幔中岩石的电导率情况.从图中可以看出,该地区大地电磁电导率logσ位于-0.6~-3.4 S/m范围内,实验样品电导率在低温段低于大地电磁结果,但随着温度增高,实验电导率增大,在高温段,实验电导率位于大地电磁电导率范围内.在本实验中,温度增高时,样品发生脱水,同时脱出的水使样品部分熔融得以比较容易发生,脱水及可能导致的部分熔融使得样品电导率发生急剧增大,反映在图中即为电导率随温度变化的斜率发生突变.

图 10 蛇绿岩电导率与大地电磁对比结果 Fig. 10 The comparison of laboratory-based conductivity-depth with geophysically inferred electrical conductivity for the lower crust and upper mantal
5 结论

本实验利用阻抗谱法,在压力1 GPa或3 GPa下测量了采自西藏南部地区蚀变辉长岩、玄武岩、角闪橄榄岩及方辉橄榄岩四块样品的电导率随温度的倒数之间的关系,验证了蛇绿岩样品的电阻对温度、频率具有一定的依赖性,用Arrhenius公式对logσ与104/T变化结果进行了分段线性拟合.我们认为,在斜率突变处,样品的导电机制发生变化,电导率斜率突变的原因主要为样品发生了脱水.我们探讨了铁含量及水含量对实验样品电导率的影响情况,并对样品水含量及铁含量归一化后的电导率进行了对比研究.将实验所得的电导率数据与雅鲁藏布谷地的大地电磁数据进行了对比,发现在实验高温段,实验电导率位于大地电磁电导率范围内,说明了西藏南部雅鲁藏布地区地壳及地幔的高导层与蛇绿岩有一定关系,同时也验证了岩石脱水甚至部分熔融对地壳及地幔高导层的形成有一定的作用.

致谢

本实验样品电导率在中国科学院地球化学研究所YJ-3000t紧装式六面顶压机上进行测量,傅里叶红外光谱测量在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室进行,作者对中国科学院地球化学研究所李和平研究员和代立东副研究员在实验测量过程中给与的指导表示感谢.

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