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地球深部碳循环和上地幔的高导层成因问题是目前地球科学界的两个热点问题。近年来,地球物理探测发现上地幔广泛存在低速高导层,即较低的地震剪切波速、强的地震波衰减和异常高的电导率。对上地幔低速高导层成因的研究可以帮助我们了解上地幔物质的组成、分布以及地幔动力学过程。目前,地球科学家对上地幔低速高导层提出了两种解释:一是地幔橄榄岩含水导致低速高导层的形成;二是硅酸盐或碳酸盐发生部分熔融导致低速高层的形成。为进一步探讨上地幔高导层的成因,了解碳酸盐对上地幔电性的影响并估算上地幔高导层碳酸盐含量,本文利用阻抗谱分析方法,对不同碳酸盐含量的二辉橄榄岩样品在3Gpa和1000K-1850K的条件下进行了电性实验研究。
通过研究,本文初步得到如下一些结果和认识:
(1)碳酸钙熔体能够非常明显的增强二辉橄榄岩的导电能力。在3Gpa、1650k左右,含1wt.%碳酸钙的二辉橄榄岩样品的电导率达到0.1S/m。
(2)在地幔中,碳酸盐主要成分为CaCO3和MgCO3,可能含有少量的Na2CO3,这几种矿物熔融后的电导率排序为Na2CO3>(Ca90,Mg10)CO3>CaCO3。在相同的碳酸根离子浓度时,Na2CO3的电导率比(Ca90,Mg10)CO3的电导率高半个数量级以上,(Ca90,Mg10)CO3的电导率比CaCO3的电导率高半个数量级以上,由此可推断碳酸盐熔体的电导率不是主要由CO32-控制。阳离子半径大小排序:Ca2+>Na+>Mg2+,碳酸盐熔体电导率排序:Na2CO3>(Ca90,Mg10)CO3>CaCO3,由此我们推断碳酸盐熔体的电导率很可能是由阳离子决定,阳离子半径越小电导率越大。
(3)用来解释上地幔高导成因模型主要有三种:1、含水模型;2、含硅酸盐熔体模型;3、含碳酸盐熔体模型。因为碳酸盐熔体在地幔中的赋存不是很普遍,需要一定的高温高压条件,所以我们认为上地幔大部分地区的高导层(≤0.1S/m)用含水或含硅酸盐熔体模型来解释比较合理;在某些异常高的高导层(>0.1S/m)地区,用含水或含硅酸盐熔体模型解释存在困难,而用含碳酸盐熔体模型参与解释会比较合理。