地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (9): 3398-3408   PDF    
高温高压下斜长角闪岩电导率研究及其地球物理启示
申珂玮, 王多君, 刘涛     
中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049
摘要: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.
关键词: 斜长角闪岩      电导率      压力      中下地壳      俯冲带     
Electrical conductivity of amphibolite at high temperature and high pressure and its geophysical implications
SHEN KeWei, WANG DuoJun, LIU Tao     
College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: High electrical conductivity anomalies (0.01~1 S·m-1) at continental middle-lower crust as well as subduction zones at different depths detected by Magnetotelluric (MT) are often associated with certain chemical compositions and their changes. Amphibolite is one of the most important components of the continental lower crust and subduction regions. The study of electrical conductivity of amphibolite at different pressures and temperatures is important to provide reasonable explanation for the high electrical conductivity anomalies in subduction zone. In this study, we measured the complex impedances of natural amphibolite at 0.5, 1.0 and 1.5 GPa and 473~1073 K. Our results indicated that pressure has a very weak effect on the electrical conductivity of amphibolite, while temperature strongly influences conductivity of amphibolite. The electrical conductivity of amphibolite is increased to 10-0.5 S·m-1 at 1073 K. The activation energy derived is 52.21 kJ·mol-1, implying that the conduction mechanism was small polaron conduction (the electron hopping between Fe2+ and Fe3+). By combining our experimental results with geothermal models, we construct the conductivity models and compare the electrical structure profiles of the continental lithosphere from three different tectonic settings and subduction zones. We conclude that the electrical conductivity of amphibolite could be responsible for the anomalous high conductivities of lower crust beneath continental rifts and mobile orogenic belts and the hot subduction zone.
Keywords: Amphibolite    Electrical conductivity    Pressure    Middle-lower crust    Subduction zone    
0 引言

大地电磁探测(MT)结果表明,在大陆裂谷和活动造山带区域的中下地壳附近存在高电导率异常(0.01~0.1 S·m-1)(Jones, 2013; Meju and Sakkas, 2007; Muller et al., 2009);此外,在俯冲带地区的不同深度也普遍存在高电导率异常现象(Evans et al., 2014; McGary et al., 2014; Wannamaker et al., 2009; Worzewski et al., 2010),这些地球深部的高导异常现象通常被认为与部分熔融(Partzsch et al., 2000; Schilling et al., 1997), 含水矿物的脱水(Hu et al., 2017; Wang et al., 2017)以及高导性物质例如石墨、磁铁矿或硫化物(Duba et al., 1994; Glover and Vine, 1994; Kawano et al., 2012)有关.然而,大地电磁测深数据的反解结果具有不唯一性,因此,在实验室条件下研究矿物岩石的电导率特征对约束地球物理观测现象具有重要意义.

角闪石是中下地壳以及俯冲带非常重要的含水矿物之一,其水含量为2.1 wt.%,不同矿物组成比例的斜长角闪岩普遍存在于地壳以及俯冲带区域.斜长角闪岩在地壳15~30 km深度体积分数可以达到35%~40%,是构成中下地壳主要的岩石类型之一(Christensen and Mooney, 1995; Wang et al., 2012).同时,斜长角闪岩也是俯冲带区域重要的岩石类型之一,它的稳定深度可达100 km(Stern, 2002).斜长石广泛分布于地壳和俯冲带, 并且在俯冲带区域的斜长角闪岩中长石的体积分数可以达到36 vol.%(Hacker et al., 2003Hu et al., 2013; Liu and El Gorsey, 2007).Vanyan和Gliko(1999)认为天山地区的高电导率异常现象可能与20~40 km深度含角闪石的岩石的脱水有关;Wang等(2013)认为角闪岩在相变为麻粒岩相的过程中,含水矿物的脱水可能会引起岩石电学性质、渗透性等性质的改变;Wannamaker等(2009)则认为新西兰俯冲带区域的高导层与斜长角闪岩的分解有关.因此,在实验室条件下研究斜长角闪岩的电学性质,具有重要的地球物理意义.

前人对天然斜长角闪岩的电导率性质已有研究,早期的研究是在低压下进行的(Littler and Williams, 1965; Tolland, 1973; Schmidbauer et al., 1996).Zhou等(2011)Wang等(2012)在1 GPa, 523~973 K条件下对不同方向的斜长角闪岩的电导率进行了测量.Zhou等(2011)的研究结果表明,斜长角闪岩的电导率各向异性差异在11.1%~25.2%;Wang等(2012)认为角闪石的脱水与Fe2+的氧化有关,但是对于>600 ℃条件下的导电机制没有明确探讨;Hu等(2018)在不同压力条件下对单晶角闪石的电导率进行了测量,实验结果表明角闪石内部的导电机制为小极化子传导,氧化脱氢作用是导致角闪石电导率较高的原因.这些研究无疑促进了对角闪石(岩)导电性质的认识以及对于高电导率异常的启示.然而,考虑到角闪岩的矿物组成的复杂性, 已有研究中暂时缺少对压力条件影响的探究,并且斜长角闪岩能否引起地球深部的高电导率异常值得进一步深入研究.因此,需要在不同压力条件下,对天然斜长角闪岩的电学性质及导电机制进行更深入的研究.

本研究利用交流法,测定了不同压力(0.5, 1.0, 1.5 GPa), 473~1073 K温度条件下的天然斜长角闪岩样品的复阻抗谱,计算得到其电导率值.基于实验结果我们首先探讨了斜长角闪岩内部的导电机制,并将其与前人研究结果进行对比;结合大陆岩石圈和俯冲带的温度结构计算得到地球深部电性结构剖面,并与三个不同构造背景(元古代克拉通、毛里塔尼斯构造带、格里高利裂谷带)的地壳以及不同地温梯度俯冲带的大地电磁数据进行了对比分析.

1 实验过程 1.1 实验样品

本研究实验样品为天然斜长角闪岩,采自河北阜平,主要成分为角闪石(50%)、斜长石(40%)以及副矿物透辉石(5%)、石英(3%)和磁铁矿(1%).使用电子探针(EPMA)对斜长角闪岩中两种主要矿物(角闪石、斜长石)的成分进行了分析,结果见表 1.样品中副矿物的含量很低,因此忽略它们对斜长角闪岩电导率的影响.实验前后的样品均进行了扫描电子显微镜分析(SEM)(图 1).高温高压条件下电导率实验所用斜长角闪岩样品为直径约8 mm,高度约5 mm的圆柱,样品用无水乙醇浸泡以除去油污,借助超声清洗仪和超纯水清洗后放入烘箱中,以120 ℃进行烘烤,除去样品的吸附水,持续烘烤样品至组装前.组装完成后的样品放置于烘箱中继续烘烤(120 ℃),直至进行高温高压条件下的电导率实验.

表 1 斜长角闪岩电子探针分析(wt.%) Table 1 Electron microprobe analysis of amphibolite
图 1 电导率实验前后斜长角闪岩样品扫描电子显微镜图片 Fig. 1 SEM images of the amphibolite sample before and after conductivity measurements
1.2 实验方法

所有的高温高压实验均在中国科学院大学岩石物理实验室的六面顶压机上进行,六面顶压机的压力标定采用卤化物在不同压力下熔点存在差异的方法进行(Akella et al., 1970).我们采用交流阻抗谱法测量了斜长角闪岩的复阻抗,相关原理见前人的详细介绍(王多君等, 2005; 朱茂旭等, 2001).电导率实验的样品组装见图 2,最外层的传压介质是叶腊石立方块(32.5 mm×32.5 mm×32.5 mm),向内依次是加热器(不锈钢片)和氧化铝绝缘套管(长20.0 mm, 外径12.0 mm, 内径8.0 mm),最内层为斜长角闪岩样品.样品两端使用厚度~0.7 mm的钼片作为电极,电极线为Ni97-Si3合金线,采用K型热电偶测量实验过程中样品的实时温度.样品组装所需材料均在烘箱中放置(120 ℃)以保持干燥.叶腊石与氧化铝管在900 ℃条件下烧结10 h,之后放置在烘箱中(120 ℃)以备电导率实验使用.

图 2 斜长角闪岩电导率实验测量装置图 Fig. 2 Sample assembly for measurements of electrical conductivity of amphibolite

斜长角闪岩样品的电导率实验在473~1073 K,0.5,1.0,1.5 GPa的条件下进行,复阻抗谱测量仪器为Solartron-1260阻抗/增益-相位分析仪与Solartron-1296联用.实验频率设定为106~10-1Hz,信号电压设定为1 V,实验进行中运行Smart软件,实时自动记录不同频率下的相角Φ、模|Z|、实部Z′和虚部Z″值.实验过程中先进行升压,待压力稳定至设定值后开始升温,在升温过程进行交流阻抗谱测量,相邻的数据点之间温度间隔为50 K或25 K.为了确保实验数据的可重复性,整个实验过程进行两轮升温降温循环测量,来降低实验误差.实验仪器自动记录得到每个温度点的样品复阻抗谱图,运用Zview软件,采取电容和电阻并联组成的等效电路,对样品的复阻抗谱图进行拟合,得到样品在该温度压力条件下的阻抗值R(Ω), 样品的电导率值σ(S·m-1)即为σ=L/(SR),其中L(m)和S(m2)分别为样品的长度和电极的横截面积.

2 实验结果

图 3展示了斜长角闪岩在1.0 GPa,473~1073 K条件下的复阻抗谱图.由图 3可以看出,斜长角闪岩样品表现出半导体的导电性质,样品的阻抗谱由高频阶段完整的半圆弧和低频阶段的直线(不完整的半圆弧)组成,其中高频阶段完整的半圆弧代表样品颗粒内部传导机制,低频阶段的直线(不完整的半圆弧)代表样品颗粒边界传导(Roberts and Tyburczy, 1991王多君等,2005Wang et al., 2012).随着温度的不断升高,半圆弧的直径减小,这表明斜长角闪岩的电阻随温度的升高而不断减小.

图 3 压力为1.0 GPa时不同温度条件下的斜长角闪岩样品阻抗谱图 Z′、Z″分别代表复阻抗的实部和虚部,不同颜色和形状的标记代表不同温度下样品的复阻抗谱.其中, 在温度低于673 K时测量间隔为25 K,在698~1073 K温度范围内测量间隔为50 K. Fig. 3 Complex impedance spectra of amphibolite at different temperatures at 1.0 GPa Z′and Z″ are the real and imaginary part of complex impedance, respectively. Different symbols indicate complex impedance spectra of amphibolite at different temperatures. The temperature interval was 25 K at temperatures below 673 K and 50 K in temperature range of 698~1073 K.

根据以上斜长角闪岩的阻抗谱图,我们计算得到了样品的电导率值.电导率实验采用多次升降温循环测量的方式,得到了较好的可重复的数据(图 4),在1.0 GPa, 473~1073 K条件下,斜长角闪岩不同升、降温阶段电导率的对数与温度倒数的关系如图 4a所示.由图 4b可以看出,斜长角闪岩电导率的对数值随着温度的升高而增加,说明电导率对温度的依赖性很大,呈现出半导体的性质;而不同压力条件下斜长角闪岩的电导率值差异不大,且三个不同压力条件下样品电导率的变化规律非常相似,因此压力对斜长角闪岩电导率的影响较小.随着温度由473 K升至1073 K,斜长角闪岩的电导率值由~10-3.5 S·m-1上升到~10-0.6 S·m-1,电导率与温度之间满足阿伦尼乌斯(Arrhenius)关系:

图 4 (a) 1.0 GPa, 473~1073 K条件下,斜长角闪岩样品不同的升降温阶段的log σ-10000/T关系图; (b) 0.5, 1.0, 1.5 GPa, 473~1073 K条件下斜长角闪岩样品log σ-10000/T数据图 Fig. 4 (a) Logarithm of electrical conductivity versus reciprocal temperature for amphibolite at different heating and cooling cycles at pressure of 1.0 GPa and temperature range of 473~1073 K; (b) Logarithm of electrical conductivity versus reciprocal temperature for amphibolite at pressures of 0.5, 1.0, 1.5 GPa and temperature range of 473~1073 K

(1)

其中ΔH(kJ·mol-1)为活化焓,且满足ΔHU+PΔV,ΔU(kJ·mol-1),P(GPa)和ΔV(cm3·mol-1)分别代表活化能、压力和活化体积;σ0(S·m-1)为指前因子, R(8.314 J·mol-1·K-1)是气体体积常数,T(K)为绝对温度.斜长角闪岩电导率与温度之间的关系运用Arrhenius公式拟合,得到的参数值见表 2.

表 2 斜长角闪岩电导率拟合所得参数表 Table 2 The fitting parameters for electrical conductivity of amphibolite

高温高压实验前后样品的背散射电子图像(BSE)表明:实验后,斜长角闪岩中的矿物没有发生明显的相变(图 1),图中的暗色物质为矿片磨制不平所致;傅里叶红外光谱分析结果显示,实验后的角闪石水含量(OH-)降低(图 5),这表明样品内部发生了脱水或者氧化脱氢作用(Wang et al., 2012),经计算,角闪石样品的脱水量大约为30%.

图 5 实验前后斜长角闪岩的傅里叶红外光谱图 Fig. 5 FTIR spectra for amphibolite before and after experiments
3 讨论 3.1 传导机制

在整个实验过程中,电导率的对数值(logσ)与温度的倒数(10000/T)满足线性关系,且斜率在整个过程中不发生改变,因此,我们认为在整个实验过程中,斜长角闪岩内部的导电机制没有发生改变.本研究所用样品中角闪石的铁含量为17.92 wt.%,得到的活化能值为52.21 kJ·mol-1, 与前人得到的活化能值相近(Hu et al., 2018; Tolland, 1973; Wang et al., 2012; Zhou et al., 2011).前人研究认为质子(H)传导是含水矿物的主要导电机制,由于质子具有较小的离子半径和很高的迁移速率,质子传导的活化能值通常较低(< 100 kJ·mol-1)(Guo et al., 2011; Hu et al., 2017).但是质子传导一般是低温条件下的导电机制,Karato和Wang(2012)认为氢与氧离子之间的氢氧键很难断裂,因此我们推测斜长角闪岩内部的传导机制应该不是质子传导.由电子扫描显微镜照片也可以看出,高温高压实验后,斜长角闪岩并未发生分解反应,没有明显的新相生成,我们认为在脱水过程中斜长角闪岩中角闪石和长石的结构并没有发生垮塌.因此含铁角闪石的离子迁移可能是发生在非常有限的范围内,满足这一条件的是Fe3+和Fe2+之间小极化子跃迁所导致,正如之前学者提出的Fe-Mg角闪石中主要的导电机制为小极化子传导,角闪石内部OH-发生脱氢作用并且伴随着Fe2+的氧化(Phillips et al., 1988; Schmidbauer et al., 2000):

(2)

由反应(2)可以看出,角闪石内部发生氧化还原反应时,在M1和M3位置的OH-氧化产生氢气而不是水分子.前人研究指出电子在Fe2+和Fe3+之间转移的活化能值较低(< 100 kJ·mol-1),如Hu等(2018)对角闪石单晶电导率的研究得到的活化焓值为75.84~79.68 kJ·mol-1,认为其导电机制为Fe2+的氧化; Wang等(2012)同时研究了斜长角闪岩与阳起石岩的电导率,在低温下(< 773 K)得到两种岩石的活化能值相近(~67 kJ·mol-1), 认为是小极化子传导占主导地位的导电机制,忽略了斜长石的影响.前人研究认为硅酸盐矿物的导电机制通常由带电物质的迁移(例如离子、缺陷、电子)主导,由于Na+扩散能力强,通常被认为是主导斜长石导电的离子,钠含量越高,Na+之间的距离越小,可能导致其电导率升高,活化能值降低(Yang et al., 2012Hu et al., 2013; Ni et al., 2011).Yang等(2012)对斜长石(Na+含量为4.96 wt.%)电导率研究中得到活化能值为161 kJ·mol-1.本研究所用样品中斜长石具有很高含量的Na+(10.14 wt.%), 我们不排除较高的钠含量可能对斜长角闪岩的电导率有一定的影响.因此,斜长角闪岩内部主要导电机制为小极化子传导(Fe2+的氧化)主导,同时不排除Na+的影响.

3.2 与前人研究的对比

通过与前人研究结果(图 6)对比可以看出,不同实验室的电导率结果存在着较大的差异,主要原因在于各个实验室所使用的样品中的矿物组成以及成分存在着较大差异,特别是角闪石族矿物本身存在着非常广泛的阳离子替位,因此角闪石族矿物自身的化学成分存在着较多的不同.总体而言,角闪石(岩)脱羟基对电导率的影响呈现了两种变化:(1)电导率对数值随温度的倒数值的减小(即温度的增加)呈现线性增加;(2)电导率对数随温度变化而发生非线性变化,电导率对数随温度增加变“陡”,电导率变化变陡可能与样品晶格内的氧逸度环境的变化以及与金属离子的迁移有关.对比前人的实验结果可以看出,Hu等(2018)Wang等(2012)的实验结果在800 K左右角闪石(岩)电导率有跳跃,而Zhou等(2011)Schmidbauer等(2000)以及本研究的实验结果中斜长角闪岩的电导率值没有跳跃的现象,经分析我们认为产生差异的原因可能是:(1)实验样品不同:Hu等(2018)实验样品为角闪石单晶,Wang等(2012)实验样品为存在显著各向异性的斜长角闪岩,角闪石的含量为80%,高于我们的样品中角闪石的含量(50%);(2)角闪石中的铁含量不同以及铁镁的占位也有所不同,铁含量以及铁镁占位不同不仅会导致电导率的变化,也可能会导致其导电机制的变化;(3)实验前后样品脱水量(氧化脱氢量)不同:Wang等(2012)的实验结果显示,角闪石失去羟基量很高,而本研究中角闪石的脱羟基量较低(~30%)(如图 5).本实验的电导率结果低于Schmidbauer等(2000)报道的高铁含量角闪石电导率而高于其他实验结果,这一结果表明,角闪石的电导率与铁含量有比较大的关系.这一结论和Schmidbauer等(2000)的结论相一致.基于以上考虑,我们对本研究以及前人研究中角闪石(岩)电导率和铁含量进行了归纳分析(图 7),并得到了样品电导率与铁含量之间的定量关系式:

图 6 本研究测得的斜长角闪岩电导率与前人研究的对比 Fig. 6 Comparison of electrical conductivity of amphibolite of this study with previous studies
图 7 不同铁含量的角闪岩(石)在673 K的电导率 Fig. 7 Electrical conductivity of amphibolite (amphibole) with various iron content at 673 K

(3)

其中,XFe为样品的总铁含量.在673 K条件下,Schmidbauer等(2000)A2样品中铁含量(25.93 wt.%)最高,其电导率值也最高(~10-1.61 S·m-1);我们的样品铁含量与电导率值均在Schmidbauer等(2000)Wang等(2012)的实验结果之间.因此,随着角闪岩(石)铁含量的增加,其电导率值呈现逐渐增大的趋势.但需要强调的是,上述结果是假定其他金属离子对于电导率没有贡献,但是实际上随着镁离子在角闪石中的比例增加,其电导率会发生变化甚至导电机制可能会发生变化(作者新的结果待发表),此外钠离子也可能对斜长角闪岩的电导率有一定的贡献.

3.3 对中下地壳大地电磁高导异常的解释

大地电磁探测(MT)是认识地下深部物质结构的重要方法,并且已经取得了很多成果(金胜等, 2006闵刚等, 2017魏文博等, 2006Ritz and Robineau, 1986).实验室得到的电导率数据能够为地球物理观测数据提供约束,从而有助于深入研究地球深部的物质组成、结构和热结构等性质.下地壳的电导率范围一般在10-4~10-1 S·m-1 (Shankland and Ander, 1983; Jones, 1992),三种不同构造背景的大陆岩石圈(克拉通和大陆盾底部、大陆裂谷以及活动造山带)电性结构的相关研究表明:在大陆裂谷和活动造山带构造背景下的莫霍面附近存在高电导率异常,其下地壳的电导率高于上地幔电导率(Jones, 2013; Meju and Sakkas, 2007; Muller et al., 2009).这一深度的电导率异常被认为与压力和差应力无关,而对物质组成(水含量、铁含量)、温度以及较少量的导电物质(石墨、硫化物以及金属等)的连通较为敏感(Bagdassarov et al., 2011; Duba et al., 1994; Yoshino, 2010).Yang等(2012)通过实验室手段研究辉石和斜长石的电导率性质,利用Hashin-Shtrikman模型(Hashin and Shtrikman, 1963)计算得到20%的含水单斜辉石(0.04 wt.%)与80%的含水斜长石(0.025 wt.%)混合后的电导率,混合相在1073 K的电导率值< 0.01 S·m-1.因此,加入少量水后的名义无水矿物不能很好地解释地壳的高电导率异常现象;麻粒岩也是地壳中非常重要的岩石类型之一,但是前人研究表明,在773~1273 K温度范围内,麻粒岩的电导率在10-4~10-2 S·m-1 (Fuji-ta et al., 2004; Wang et al., 2013),低于下地壳的高电导率异常值.大陆地区地表热流的平均值为65±1.6 mW·m-2, 在莫霍面附近(平均深度约为35 km)对应的温度约为600 ℃(Turcotte and Schubert, 2014),角闪石脱水分解温度为~1100 ℃(Essene et al., 1970), 因此可以排除角闪石的脱水分解对大陆地壳高电导率异常的贡献.我们基于本研究得到的斜长角闪岩电导率数据,结合不同的地表热流值(50,60,75 mW·m-2)计算得到了地壳的电性结构剖面(图 8a)(Cull, 1989; Stein C A and Stein S, 1992).不同构造背景下的深部电性结构存在差异:在克拉通底部区域,电导率最大值小于0.01 S·m-1, 在莫霍面附近没有明显的高导异常现象;而在大陆裂谷和活动造山带区域,电导率值最高可达~10-0.5 S·m-1(Jones, 2013; Meju and Sakkas, 2007; Muller et al., 2009).我们将得到的不同深度的电导率值与三种不同构造背景下地壳的大地电磁数据进行了对比,结果表明:斜长角闪岩的电导率结果与格里高利裂谷和毛里塔尼斯带的电导率值相吻合.因此,我们认为斜长角闪岩可能是引起大陆裂谷和活动造山带构造背景下莫霍面附近的高电导率异常现象的原因之一.

图 8 (a) 斜长角闪岩电导率的实验室测量值与不同地温梯度结合得到的电磁结构剖面,及其与元古代克拉通,毛里塔尼亚构造带和格里高利裂谷电磁结构剖面对比图;(b)俯冲带区域不同地温梯度条件下,斜长角闪岩的电导率与不同俯冲带地区的大地电磁观测数据对比图 Fig. 8 (a) Comparison of laboratory-based conductivity profiles obtained from this study with Archean craton, Mauritanides belt and Gregorian rift; (b) Comparison of laboratory-based conductivity profiles obtained from this study with subduction regions with different geothermal gradients
3.4 对俯冲带区域高电导率现象的解释

在俯冲带区域的不同深度普遍存在高电导率异常现象,比如智利地区(0.1~1 S·m-1)(Brasse and Eydam, 2008)、卡斯卡迪地区(0.03~1 S·m-1)(Evans et al., 2014)、日本九州地区(~1 S·m-1)(Ichiki et al., 2000)等,这些地球物理观测的电磁异常通常被认为与流体以及部分熔融有关(Evans et al., 2014; Ichiki et al., 2000McGary et al., 2014; Pommier, 2014; Soyer and Unsworth, 2006; Worzewski et al., 2010).然而,只有当温度超过1473 K时,部分熔融才能够解释高电导率异常现象(Ni et al., 2011);虽然实验室研究表明蛇纹石、绿帘石等含水矿物的脱水可能引起俯冲带区域的高电导率异常现象(Hu et al., 2017; Wang et al., 2017),但是Manthilake等(2015)Mibe等(1999)提出的观点为基础,分析认为流体在压力较低时无法连通,因而不能导致俯冲带区域的高电导率.Pommier等(2019)虽然指出在实验室条件下,含水矿物分解产生的流体在逃逸前是连通的,但并未对地球深部的情况进行具体分析,因此含水矿物脱水产生的流体在地球深部的连通情况以及对高导的影响需要进一步深入研究.角闪石虽然也是含水矿物,但是部分学者认为含铁的角闪石内部的导电机制为小极化子导电(Wang et al., 2012; Schmidbauer et al., 2000; Hu et al., 2018).Hu等(2018)认为角闪石单晶内部的氧化脱氢作用能够为俯冲带的高导结构提供解释.岩石学研究表明,在俯冲带区域的角闪岩中,长石的体积分数可达~36% (Hacker et al., 2003), 因此我们认为斜长角闪岩或许可以为俯冲带区域的高导异常现象提供解释.由于电导率对温度依赖性很强,而不同的俯冲板片年龄和俯冲速度决定了俯冲带的地温梯度存在差异,一般认为俯冲板片年龄越大,地温梯度越低,比如日本九州地区的地温梯度为~5 ℃·km-1,较热俯冲带的地温梯度可以达到10~20 ℃·km-1(Penniston-Dorland et al., 2015).在本研究中,我们将实验结果结合不同的地温梯度,计算得到了不同深度的斜长角闪岩的电导率值(图 8b).卡斯卡迪地区在25~50 km的深度电导率值可达~1 S·m-1,其地温梯度值在10~20 ℃·km-1(Penniston-Dorland et al., 2015; Pommier et al., 2019),计算得到的斜长角闪岩电导率值与地球物理观测数据较好的吻合; 根据智利地区温度结构的相关研究可推测其平均地温梯度为~9 ℃·km-1(Syracuse et al., 2010),在100 km深度的温度为~900 ℃,而角闪石的脱水分解温度为~1100 ℃(Essene et al., 1970),因此,卡斯卡迪地区和智利地区的高导区域的温度均低于角闪石脱水分解的温度,可以排除角闪石脱水分解对以上地区高导异常的贡献.日本九州地区(~50 km)的电导率值也高达0.1~1 S·m-1 (Ichiki et al., 2000),其地温梯度较低(~5 ℃·km-1)(Penniston-Dorland et al., 2015; Pommier et al., 2019),此深度对应的温度为~250 ℃,我们的实验结果表明此温度条件下斜长角闪岩电导率很低(~10-3.5 S·m-1),因此斜长角闪岩可能不是导致日本九州地区高导异常现象的原因.故此,我们认为,斜长角闪岩可能是引发较热的俯冲带区域的高电导率异常的原因之一.

4 结论

本实验利用交流阻抗谱法,在0.5~1.5 GPa, 473~1073 K条件下对斜长角闪岩的电导率进行了研究.实验结果表明:斜长角闪岩样品表现出半导体的导电性质,阻抗弧随频率变化呈现出半圆弧和一条直线,半圆弧的直径随温度的增大而逐渐减小;斜长角闪岩电导率的对数值与10000/T表现出较好的线性关系,二者满足Arrhenius关系式,说明随着温度的升高,斜长角闪岩电导率值不断增加;三个不同压力条件下的电导率值差异不大,这表明压力对斜长角闪岩的电导率影响不大.我们认为斜长角闪岩的导电机制由小极化子主导(小极化子在Fe2+和Fe3+之间的转移),并且斜长角闪岩的铁含量与电导率值呈正相关;通过与大地电磁探测数据对比发现,斜长角闪岩的电导率与大陆裂谷和活动造山带构造背景下的20~40 km深度的大地电磁数据相吻合,这说明该两种区域的高电导率异常可能是由斜长角闪岩引起;同时,斜长角闪岩能够为俯冲带尤其是热俯冲带地区的高导异常现象提供解释.

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