研究生知识库

高温高压下矿物岩石的热物理性质是了解地球内部物质热物理过程、热结构和地球热演化历史最基本的参数。例如，在地球内部，地幔物质所处高温高压环境下的热导率和粘度共同决定其对应深度的传热方式；在克拉通岩石圈和消减带，热导率随温度、压力的变化关系决定了岩石圈的地热模型和消减带岩石圈的热结构模型；在地球的热演化历史中，热导率对温度的负反馈会减慢地幔的冷却速度，从而影响到核幔边界的热-机械演化。因此，研究矿物和岩石在高温高压下的热物理性质对认识地球内部的各种热物理过程、热结构和热演化从而对认识地球内部的物质的结构、性状与演化具有极为重要的意义。然而，目前国内外对矿物岩石在高温/高压下的热物理性质的研究实例迄今仍相当有限，测量方法大多缺少可靠性验证，尤其对华北克拉通各种类型岩石在高温高压下的热物理性质的研究目前尚为空白。为此，本博士论文工作以华北克拉通为研究实例，对该区主要类型岩石在常压高温和高温高压条件下的热物理性质进行了研究，并对其地球科学意义作了探索性的分析与讨论，获得了如下主要进展： 1、利用LFA427导热仪、STA449C综合热分析仪和DIL402PC热膨胀仪，首次系统地获得了华北克拉通主要类型岩石在常压高温下的热扩散系数、比热容、热膨胀系数和热导率，并基于本工作中二辉橄榄岩的热导率研究结果，结合地表热流密度和岩石放射性生热率，计算获得了现存华北克拉通各次级板块的岩石圈厚度和深度-温度剖面。具体结果如下： （1）室温下，各类型岩石样品的热扩散系数、比热容、热导率、热膨胀系数分别在0.8-1.3 mm2s-1、0.6-0.75 Jg-1K-1、1.6-3.4 Wm-1K-1和0.5-0.8×10-5 K-1之间。其中，二辉橄榄岩具有最大的热扩散系数、比热容和热导率，各类型岩石热扩散系数由高到低依次为二辉橄榄岩、花岗岩、辉长岩、石榴斜长角闪岩岩、花岗闪长岩和玄武岩；其它岩石的比热容接近，且密度越大，比热容值越大。 （2）随着温度升高，各类型岩石的比热容均增大；辉长岩，玄武岩，二辉橄榄岩的热膨胀系数随温度近线性增加，但仍在10-5 K-1量级，其它几种岩石因样品的均一性较差出现了热膨胀系数的突变点；各类型岩石热扩散系数和热导率均减小，在较高温度时两者分别渐近于0.4-0.6 mm2s-1、1.3-2.0 Wm-1K-1之间，但因岩石的比热容随温度升高而增大，对热导率的减小起到补偿作用，所以各类型岩石热导率的减小速率均较热扩散系数要慢，其中花岗岩和二辉橄榄岩的热导率减小速度最快。 （3）华北克拉通的环渤海盆地、太行山、陕西-山西断裂和鄂尔多斯等各主要次级板块的岩石圈厚度分别为72-79、116-140、69和110-198 km。 2、基于平面热源法和六面顶大腔体压力机，在国内首次建立了岩石高温高压热扩散系数的原位测量系统，并以均质细粒的玄武岩为可行性试验样品，将高温高压下的测量结果外推至常压同温度条件后与常压同温度条件下使用LFA427导热仪获得的测量结果进行对比，结果表明，两者相差最大不高于6.6%，证明该原位测量系统可用于测量高温高压下岩石的热扩散系数。 3、使用本工作建立的上述原位测量系统，在国内外首次获得了华北克拉通各主要类型岩石在高温高压下的热扩散系数，并对测量结果的地球科学意义进行了分析与讨论。具体结果如下： （1）对应285-973 K、0.5-2.0 GPa，274-973 K、1.0-2.0 GPa，278-973 K、1.0-2.0 GPa，278-973 K、0.5-1.0 GPa，278-973 K、0.5-2.0 GPa，280-973 K、0.5-1.0 GPa，278-973 K、1.0-2.0 GPa，278-1073 K、1.0-4.0 GPa，以及278-973 K、1.0 GPa的温度、压力范围，钠长石、花岗岩、花岗闪长岩、辉长岩、玄武岩、石榴石斜长角闪岩、榴辉岩、二辉橄榄岩以及辉石岩的热扩散系数分别在0.8-1.35、1.02-1.94、1.00-1.84、0.92-1.45、0.78-1.28、0.77-1.41、0.95-1.64、0.99-3.15以及0.92-1.96 mm2s-1范围内变化，其中热扩散系数无一例外地随温度升高而降低，随压力升高而升高。 （2）对应285-973 K、280-973 K 、274 K，钠长石、石榴石斜长角闪岩、花岗岩的压力系数分别为0.05-0.09 GPa-1、0.17-0.1 GPa-1、0.09-0.04 GPa-1；在278 K，花岗闪长岩和榴辉岩的压力系数分别为0.08 GPa-1、0.04 GPa-1；在278-973 K，辉长岩、玄武岩、二辉橄榄岩的压力系数分别为0.13-0.08 GPa-1、0.08 GPa-1、0.12-0.09 GPa-1。其中，各种类型岩石其压力系数随温度呈单调增加或单调减小。 （3）前人认为，岩石的SiO2含量与其热扩散系数存在一定的正相关性，但本工作的研究结果表明，若采用SiO2+MgO含量与岩石的热扩散系数相关，则两者会具有更好的正相关性。 （4）本工作的热扩散系数实验测量结果还表明，①对于花岗岩，石英含量越高，热扩散系数愈大，且随温度升高热扩散系数减小的速率愈快，这一规律，为花岗岩在造山带、构造剪切带以及高放射性生热区易发生部分熔融和高温变质提供很好的解释。②在大洋板块的深度剖面上，上部的玄武岩比下部的榴辉岩有低得多的热扩散系数，这可能是板块上部硬脆从而易发生地震而下部通常处于动力学稳定的重要原因之一。③本工作获得的二辉橄榄岩在高温时的压力系数是前人同温度结果的约2.5倍，在对华北克拉通岩石圈厚度计算时若采用前人的压力系数，会造成岩石圈地幔厚度低估6%的结果。④本工作所涉及的各种类型岩石按其热扩散系数从大到小的顺序可分为三组：第一组为二辉橄榄岩，第二组为辉石岩、花闪长岩和花岗岩，第三组为辉长岩、石榴石斜长角闪岩、榴辉岩、钠长石和玄武岩。此结果在岩石圈组成剖面上的热扩散系数填图显示，岩石圈内的化学间断面，导热能力也出现了间断；在地壳内部，随深度增加，热扩散系数逐渐降低；在莫霍面处，热扩散系数出现突增；下地壳相对岩石圈地幔来说是个良好的保温层，对岩石圈地幔具有“盖毯效应”。所有这些结果为现今人们对岩石圈热结构的认识提供了坚实的高温高压实验支撑。