高温高压下碱性橄榄玄武岩的P波速度及其影响因素

<正> 地震波反演是认识地球深部结构的有效手段之一,尽管近年来高温高压波速就位测量的实验技术得到了发展,所能达到的压力已很高,但仍然缺乏作为反演基础的地球深部物质在高温高压条件下的波速及其影响因素的实验数据。笔者选择蛇纹石化碱性橄榄玄武岩,在2.0～5.0GPa和温度达1500℃范围内测量了P波速度,探讨了温度、压力、相变及其蛇纹石脱水对P波速度的影响,发现在熔融前存在声软化效应,并分析了声软化效应产生的机制。     

大别超高压榴辉岩高温高压下地震波速和密度的初步实验研究——对造山带地壳深部组成和莫霍面性质的启示

深部岩石高温高压下物理性质是制约地球物理测深成果解释、建立岩石圈物质组成和结构模式、探讨超高压变质带俯冲和折返机制的先决条件,也是大陆科学钻探先行研究的重要基础性工作.地震各向异性(Seismic anisotropy)和S波分裂(Shear wave splitting)研究已成为揭示岩石圈动力学机制的新方向,但目前有关超高压岩石的实验数据尚十分缺乏例如,目前国际上对榴辉岩地震波速实验研究最详细的成果应属Fountain等1994年对挪威加里东造山带榴辉岩的研究,该研究系统测定了至600MPa不同压力下榴辉岩和有关麻粒岩的P波速度和波速各向异性,但未研究S波以及温度对波速的影响.本文报道了大别超高压榴辉岩及其围岩在高温高压和组构定向条件下精确测定地震P波、S波、波速各向异性、S波分裂、泊松比、密度和体积变化的初步成果,探讨了实验结果在大别超高压带深部结构、组成和莫霍面性质研究中的意义.     

大别超高压榴辉岩高温高压下地震波速和密度的初步实验研究——对造山带地壳深部组成和莫霍面性质的启示

<正>深部岩石高温高压下物理性质是制约地球物理测深成果解释、建立岩石圈物质组成和结构模式、探讨超高压变质带俯冲和折返机制的先决条件,也是大陆科学钻探先行研究的重要基础性工作.地震各向异性(Seismic anisotropy)和S波分裂(Shear wave splitting)研究已成为揭示岩石圈动力学机制的新方向,但目前有关超高压岩石的实验数据尚十分缺乏例如,目前国际上对榴辉岩地震波速实验研究最详细的成果应属Fountain等1994年对挪威加里东造山带榴辉岩的研究,该研究系统测定了至600MPa不同压力下榴辉岩和有关麻粒岩的P波速度和波速各向异性,但未研究S波以及温度对波速的影响.本文报道了大别超高压榴辉岩及其围岩在高温高压和组构定向条件下精确测定地震P波、S波、波速各向异性、S波分裂、泊松比、密度和体积变化的初步成果,探讨了实验结果在大别超高压带深部结构、组成和莫霍面性质研究中的意义.     

1～5GPa压力下蛇纹石脱水反应温度的确定——电导率方法

含水矿物脱水反应的P-T条件对于探讨成岩作用、岩浆成因、变质演化以及俯冲带的地球化学过程具有重要意义.高温高压下含水矿物的脱水温度主要通过平衡实验、高压差热分析(HP-DTA)、分子动力学(MD)计算和热力学计算等确定.蛇纹石是超镁铁质岩中一种重要的含水矿物,广泛存在于大洋板块中.目前对蛇纹石及其相体系在高压下脱水温度的确定主要是基于平衡实验的方法,也已进行过蛇纹石脱水反应的电导率测量,但是均在小于200MPa压力下.高温高压下,通过测量不同压力下蛇纹石的电导随温度的变化,发现脱水反应发生时其电导的变化非常明显,可以通过电导的变化准确地确定其脱水温度.     

照亮地球深部的“明灯”——高温高压实验

地球是人类赖以生存和发展的家园,相对于其表层系统(大气圈、水圈、生物圈),人类对地球深部的认识仍然非常有限。地质学/地球化学方法通过研究地表出露的来自地球深部的岩石矿物和来自外太空宇宙的陨石等样品,来推测地球内部物质的性质。地球物理方法则利用地震波来探测地球内部的结构。半个多世纪以来兴起的高温高压技术,使得科学家能够在实验室中模拟地球内部的极端压力和温度环境,同时结合各种现代化分析测试手段,对岩石和矿物在极端高温高压条件下的性质状态进行原位研究,极大地促进了我们对地球内部的物质组成和结构的认识。因此,高温高压实验技术已经成为人类探索地球深部结构和物质组成的“明灯”。     

高温条件下二云母片麻岩Vp特征: 壳内异常速度层的成因约束

报道了在400 MPa, 20~950℃条件下, 二云母片麻岩弹性波速度的温度响应及时间对测量数据影响的实验结果. 在600~800℃温度区间, 弹性波速度快速降低, 其原因至少与白云母的脱水和α-石英在相变为β-石英前弹性软化有关. 而在875℃之上, V_p快速上升反映出石英进入了相对高速的β-相. 在 950℃, 详细测量了弹性波速度与实验时间的关系. 结果表明, 在30 h之内片麻岩的波速随时间的增加而迅速下降, 下降幅度达到9.9%. 与之对应的是弹性波的振幅也快速衰减, 其幅度达到80%以上. 其后波速和振幅趋于稳定. 950℃时片麻岩弹性波波速和振幅随时间的变化反映出黑云母逐步脱水并最终趋于稳定的过程. 实验结果为认识大陆地壳地震波速度反转现象提供了有益的启示. 对于加厚的中-上地壳和高地温梯度环境(例如, 青藏高原南部), 石英的α-β 相变不可避免, 并且其相变前的弹性软化与白云母的脱水(脱水熔融)的温压区间重叠. 因此, 两者共同造成岩石弹性波速度的显著下降. 在低速层之下, α-β 石英相变有可能形成可被探测的高速薄层. 高速薄层的识别可以为确定地温梯度提供了精确的约束条件.     

高温、高压下粗面玄武岩相变对其纵波速度影响的研究

利用ＹＪ－３０００吨压力机的弹性波速度测量装置,在高温（最高温度为１３５０℃）、高压（２．０ＧＰａ）条件下就位测量了河南伊川粗面玄武岩的纵波速度,并在２．０ＧＰａ及不同温度条件下获取了实验产物,其详细薄片鉴定表明,对应着粗面玄武岩弹性波速度的变化,实验样品已经发生了相变。据此讨论了粗面玄武岩中含水矿物脱水、固固相变、部分熔融与其弹性波速度之间的关系,为了解深部物质过程提供高温、高压实验基础。     

地幔转换带橄榄石高压相变实验研究

橄榄石是上地幔的主要矿物之一,它的相变对于认识地幔不连续面的成因,整个地幔的物质组成和演化、地幔对流、俯冲板片深源地震等地球深部动力学问题具有重要意义.本研究使用中国地质大学地球深部研究实验室多面砧压机进行了2种成分的橄榄石(Fo100和Fo90)在压力为14.1～20GPa,温度为1400℃的相变实验研究.压力为14.8～15.6GPa时,Fo90和Fo100均转变为瓦兹利石(α);而在14.1GPa实验中,Fo90完全转变为瓦兹利石,Fo100则仍为橄榄石(α).瓦兹利石具有2种产状:破碎的粒状结构(粒度大于100μm)和微晶集合体(微晶粒度小于10μm).瓦兹利石拉曼谱图中显示722～723和917～919cm-1特征峰.随着压力升高,实验产物中出现更多的呈微晶集合体结构产出的瓦兹利石,表明实验压力离橄榄石相变边界越远,瓦兹利石成核密度越大,导致体系Gibbs自由能下降,高压相矿物颗粒生长受到抑制.但由于瓦兹利石成核活化能很小,因此实验产物中均有大量呈微晶集合体产出的瓦兹利石.实验产物的显微结构特征对解释陨石中出现瓦兹利石的产状提供高温高压实验启示.压力为19.5和20GPa时实验产物为林伍德石(γ),其中压力为19.5GPa的实验中Fo100中瓦兹利石和林伍德石共存.实验产物林伍德石为自形粒状(颗粒度为10～20μm),三联点结构发育.798和840cmμ1为林伍德石的拉曼特征峰.综合本次研究以及前人地震探测结果表明,中国东部上地幔复杂结构无法用单一的橄榄石体系相变来解释,其他矿物(如辉石-石榴石)的相变及其与橄榄石体系相变的相互影响可能导致了该地区上地幔具有复杂的结构.因此进一步开展复杂体系(如橄榄石+辉石体系)的高温高压相变实验研究,并在已有地球物理探测成果的基础上建立合理的地质-岩石学模型,对探讨中国东部地区上地幔复杂结构形成的物理机理,影响因素及其深部动力学机制具有重要意义.     

与青藏高原东北部地球动力学相关的深部构造问题

青藏高原东北部是探索青藏高原地球动力学的重点地区之一.自20世纪60年代以来实施的一系列深部地球物理探测和相关研究获得了该地区地壳上地幔结构的基本特征.深部地球物理探测揭示高原的地壳增厚,且具有低P波速度、低电阻率和高热流值的特点;体波走时层析成像、面波频散和远震体波接收函数反演共同显示中下地壳的低剪切波速度.回顾青藏高原东北部已有的深部地球物理研究成果,梳理出当前存在一些与地球动力学相关的问题.它们是:(1)中上地壳的低速-高导层;(2)高原地壳的增厚方式;(3)地壳和地幔各向异性;(4)下地壳通道流;(5)向南俯冲的欧亚大陆岩石圈.这些问题尚未达成一致的认识.不同的深部构造模型和观点使得对例如"下地壳通道流"和"俯冲的欧亚大陆岩石圈"有关议题争论持续不断.未能达成共识的重要原因之一可能是现有台网的数据成像分辨率和精度仍不足以识别在地壳和上地幔深处的细节.在国家和区域地震台网的基础上,正在实施的大规模流动地震台阵观测,以及重点地区开展高分辨的深部地球物理探测,将较大幅度地改善目标模型的分辨率和可靠性.这是增进青藏高原东北部深部结构和地球动力学知识的有效途径.     

高温高压实验变形煤流动的宏观与微观力学表现

对沁水煤田不同地区不同煤级的煤岩样品开展了同步升温和升压高温高压实验变形(温度200～500℃；围压200～500 MPa；应变速率0.5×10~(-5)/s；全量应变-10%)．实验结果显示，在不同的温度和压力条件下煤岩的强度有着显著的变化．对于煤岩强度的影响，温度的效应要高于压力的效应．结合显微构造分析可以认为，实验环境条件下煤岩的脆-韧性转变发育于200℃/200 MPa和300℃/300 MPa之间．煤岩的脆性变形产生了宏观破裂带和透入性破裂组合，而大量发育的波状消光、变形纹和动态重结晶颗粒等充分反映了较高温度和压力条件下晶质塑性变形过程的主导地位．     

地球深部科学中的静态超高压实验研究

目前超深钻探的最大深度只有13km,幔源岩石所提供的上地幔物质成分资料一般涉及的深度也仅在200km以内,全球性地球物理测量虽然能提供地球深部从地幔直至地球核心的物理参数,但无法了解地表以下各层圈的物质组成,因而开展超高压下的模拟实验研究对于了解地球深部物质的成分、性质和状态非常重要.超高压实验技术分为两大类型:动态超高压实验技术和静态超高压实验技术.动态超高压实验技术是利用各种爆轰装置产生冲击压力,同时在瞬间产生高温.在地球内部,物质一般处于静高压状态,因而动态超高压实验一般仅用来进行核幔边界区和地核物质状态方程的测定,所获得的实验结果可为静高压实验研究提供基础资料,而其他关于地球深部的模拟实验研究主要是在静态超高压实验装置中进行的.     

高温高压下蛇纹石电导率实验研究

在１．０～３．０ＧＰａ，３００～８７０℃条件下测定了蛇纹石的电导率，用阻抗谱分析了频率对电导率测定的影响，并分析了蛇纹石脱水前后传导机制的变化，实验表明，蛇纹石脱水后电导率急剧增大，通过这一机制在地球内部可形成高导层。     

84.4万巴(844kb)红宝石荧光压力标定

高温高压实验在地球科学、材料科学、物理学领域中具有重要的理论与实际意义。高压测量则是该技术中的关键问题,红宝石荧光压力标定又是一项现代化的测压技术。我们仿改自制了DC-Ⅱ型金刚石高压腔,运用红宝石荧光压力标定测到84.4万巴(844 kb)的静压力水平。目前国际上仅美国卡内奇研究所和通用电器公司可达百万巴(1000 kb)以上的压力。     

《岩石圈物理学》

编著: 中国科学院地质与地球物理研究所出版: 科学出版社 2004年3月定价: 120元本书由中国科学院院士腾吉文等组织编写, 是《中国科学院研究生教学丛书》之一. 全书共分为26章, 作者根据20世纪以来该学科在国际、国内所取得的重大成就, 对理论、反演方法、数据处理、结果分析与解释和系列论点及学术见解, 进行了分析和论述. 地震波场效应在岩石圈物理学研究中占有特殊的地位, 作者对其结构分类, 特别是对壳-幔边界和地幔低速层, 物质组成与地球介质的非弹性等, 地震体波、面波、各类转换波与二维和三维反演壳、幔层、块结构和高温高压实验…     

非晶态Fe_(86)Co_4Zr_(10)因瓦合金的声子谱软化

Endoh等人曾用非弹性中子散射实验方法系统地研究了铁基晶态因互合金的声子色散曲线与温度的关系,结果表明,低频声学模式在磁相变温度以下变软.这种与温度有关的声子软化现象与用超声波法测得的弹性软化是一致的.已知某些铁基非晶态合金也显示出因互效应.这些具有长程无序结构非晶态因瓦合金是否会表现出类似的声子软化现象显然是     

磁化离子声孤立波

本文在计及电荷分离条件下考察了双温低β等离子体中与外磁场成一角度斜向传播的磁化离子声孤立波,得到非线性色散关系,确定了波速和波幅范围。分析表明,电荷分离色散对孤立波性质有重要影响。     

为什么

地壳、地幔和地核是如何发现的? 大家知道,地球分为地壳、地幔、地核3部分。对地球结构的这一基本认识,来源于地震研究 地震时,地震波向四面八方辐射,沿不同路径扫遍全球,就像一盏明灯,照亮了地球内部。 地震波分为纵波(P波)、横波(S波)和面波,它们具有不同的传播方式和传播速度。受地球内部介质和层面的影响,地震波在传播过程中会产生速度变化和折射、反射等现象,因此地震波携带着地球内部其传播     

硬水铝石的超高压差热测量

水在地球演化历史中起着重要作用,地球深部的水主要赋存于矿物和岩浆熔体中.进行超高压下含水矿物的差热测量,研究它们在地球深部的稳定性和脱水去羟机理,将为探讨岩石圈的热演化及水在成岩成矿中的作用提供直接的实验数据,对于研究地球深部物质状态也很     

致密砂岩层系多尺度波耗散规律及双重分形结构模型

了解地层岩石的多尺度非均质性特征对不同频率弹性波响应的影响,对基于地震资料解释与反演地下介质属性至关重要.本文联合采用超声波实验(550 kHz)、声波测井(约10 kHz)和地震勘探(约30 Hz)手段,对鄂尔多斯盆地延长组致密岩石开展观测,估算了不同频率下致密砂岩中的纵波传播速度和衰减.超声波观测结果显示,随着围压增大,孔隙度对衰减的影响有变小的趋势,而黏土含量的影响随围压增大而增大.不同频率范围内,波速和衰减随孔隙度或黏土含量的变化趋势基本一致.测量结果中值及分布特征显示,从超声波到地震频段,纵波速度趋于下降,而衰减却有增大趋势.从超声波到声波频段,速度减小更为显著,中值减小了362 m/s;而测井速度与地震观测结果较为接近.衰减在声波和地震频率之间的差异更为明显.为解释多尺度观测数据,提出了描述孔隙介质中裂隙和黏土尺寸具有自相似分布特征的双重分形结构模型.模型预测与实验结果对比揭示了相关储层黏土包体和裂隙的分形特征.本研究可为进一步解释复杂岩石宽频带波频散和非弹性现象提供理论模型.     

海底地震仪(OBS)广角地震记录中二次震相的识别及应用

在海底地震仪(OBS)记录的广角地震剖面中,经常可识别出能量强,连续性好的多次波震相.在常规OBS数据处理过程中,多次波被作为无效信号剔除,但是作为地下界面的真实反射,多次波同样蕴含着地下构造的重要信息.通过对南海海盆OBS2013-ZN测线地震数据的多次波震相进行处理分析,对多个台站Pg,Pm P和Pn震相的二次震相进行识别.以OBS06和OBS07台站为例,详细阐述了二次震相的辨别和确认过程,准确拾取了二次Pg,Pm P和Pn震相的走时数据.并通过射线追踪模拟,确定其传播路径.最后,在原有P波速度模型基础上,利用走时反演方法将初至震相和二次震相进行联合成像获得新的局部速度结构.结果显示,与初至震相结果相比,浅部沉积层和中深部的壳幔速度结构都有一定程度的变化.该研究有助于充分利用OBS数据,挖掘多次波震相特征,提高地壳结构的成像精细度.