陳 剛,李和平,苗社強

(1.中國科學院地球化學研究所,地球內部物質高溫高壓實驗室,貴州貴陽 550002； 2.中國科學院大學，北京 100049； 3.中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029)

1 引 言

表征材料導熱性能的參數(shù)包括熱導率和熱擴散系數(shù)，熱導率定義為單位截面、長度的材料在單位溫差下和單位時間內直接傳導的熱量，熱擴散系數(shù)反映溫度變化在材料中傳遞的快慢程度，定義為

(1)

式中：D為熱擴散系數(shù)(mm2/s)，k為熱導率(W/(m·K))，ρ為樣品密度(g/cm3)，cp為定壓比熱容(J/(g·K))。熱導率和熱擴散系數(shù)描述巖石的重要物理性質，是研究地殼和上地幔熱結構、地球深部熱狀態(tài)的重要參數(shù)[1]。巖石的導熱性能隨溫度、壓力等條件變化[2]。在消減帶和碰撞帶，這種依賴關系決定了消減帶和碰撞帶的巖石圈熱結構，并對消減帶動力學和深源地震的形成都有重要的意義[3]。

盡管如此，目前從導熱性能出發(fā)對消減帶和碰撞帶動力學的研究還很少。榴輝巖和玄武巖是消減帶的重要組成部分，目前對它們的熱擴散系數(shù)和熱導率的研究均局限于常壓條件下[4-6],而根據(jù)前人的研究結果，壓力和溫度對巖石導熱性能的影響很大[7]，因此，實際測量高溫高壓下榴輝巖和玄武巖的熱擴散系數(shù)和熱導率很有必要。

本研究在壓力為1.0和2.0 GPa、溫度為278～973 K的條件下，在YJ-3 000 t型緊裝式六面頂大腔體壓力機上,采用瞬態(tài)平面熱源法測量榴輝巖和玄武巖的熱擴散系數(shù)。

2 實驗過程

2.1 樣品描述

榴輝巖樣品采自蘇魯造山帶，最高變質溫度為630～810 ℃，最高變質壓力為3.0 GPa[8]。玄武巖采自漢諾壩玄武巖高原[9]。巖石中礦物的質量分數(shù)通過鏡下計點法獲得，巖石樣品的密度和孔隙度由Micro-ultraPYC 1200e真密度分析儀測量得到[10]。表1為樣品特征描述，表2給出了樣品的化學成分分析結果。

將樣品加工成直徑10.00 mm、厚度為2.50 mm的圓片,供高溫高壓實驗使用。測試前,將樣品均放入烘干爐中50 ℃烘干，然后在烘箱中200 ℃烘24 h，以去除樣品表面的吸附水。

表1 樣品描述Table 1 Description of the samples

表2樣品的化學成分及其質量分數(shù)
Table2Chemicalcompositionsandtheirmassfractionofthesamples(%)

SampleSiO2Al2O3FeO?MgOCaONa2OK2OMnOP2O5TiO2L．O．ITotalBasalt4488137813578998933700970170762471789999Eclogite45961616146678790732106002205819307810082

Note：(1) FeO*and L.O.I refer to the total iron content and the burning loss,respectively;

(2) The analysis method is XRF (X-Ray Fluorescence).

2.2 實驗方法

高溫高壓下樣品熱擴散系數(shù)的測量在中國科學院地球化學研究所地球內部物質高溫高壓實驗室的YJ-3 000 t型緊裝式六面頂大腔體壓力機上完成。關于YJ-3 000 t型緊裝式六面頂大腔體壓力機的使用和壓力標定，前人已有詳細報道[11]。

圖1 高溫高壓下熱擴散系數(shù)測量樣品組裝圖Fig.1 Sample assembly for thermal diffusivity measurement at high pressure

采用瞬態(tài)平面熱源法測量樣品的熱擴散系數(shù)[12]。樣品組裝如圖1所示。為了避免外界水對實驗體系的影響，將用作傳壓介質的葉蠟石塊(32 mm×32 mm×32 mm)在600 ℃下脫水，葉蠟石堵頭在800 ℃下脫水。加熱器使用直徑為0.200 mm的鎳鉻絲加工而成，溫度用直徑為0.127 mm的NiCr-NiAl熱電偶測定，測量誤差為±5 ℃。

實驗采用恒壓升溫方式，選擇同一壓力(標定誤差:±0.1 GPa)下的不同溫度點，每個溫度點穩(wěn)定足夠長時間，以保證達到溫度平衡。通過集成電路和電子開關控制穩(wěn)壓電源，給平面熱源通以t0=100 ms的加熱脈沖，加熱平面熱源兩側的樣品，熱量分別向上、向下方向傳遞。向上傳遞的熱量被上面布置的熱電偶感知，并在通過分壓計和直流放大器后，送入示波器顯示和采集。

根據(jù)采集到的溫升曲線可以得到熱電偶達到最高溫度響應所用的時間，結合樣品厚度，可以得到樣品的熱擴散系數(shù)，即

(2)

式中：h為樣品厚度，tm為熱電偶達到最高溫度響應所用的時間，t0為脈沖時間，fD為修正系數(shù)(因為實際脈沖時間t0相對于tm不可忽略)

(3)

實驗細節(jié)及實驗方法可靠性的分析詳見文獻[13]。

3 實驗結果

圖2 高壓下榴輝巖和玄武巖熱擴散系數(shù)的測量結果Fig.2 Thermal diffusivity of eclogite and basalt under high pressure

圖2 為1.0和2.0 GPa、278～973 K條件下，榴輝巖和玄武巖熱擴散系數(shù)的測量結果及其與前人結果的比較。將熱擴散系數(shù)與溫度的關系以函數(shù)D=a+b/T(T為溫度)進行擬合[7]，擬合系數(shù)a、b的值如表3所示。從圖2中可以看出，榴輝巖比玄武巖具有更高的熱擴散系數(shù)，且隨著溫度的升高，玄武巖和榴輝巖的熱擴散系數(shù)均逐漸減??；而隨著壓力的增大，成分礦物的鍵長變短，鍵強增大，榴輝巖的熱擴散系數(shù)和熱導率增大。室溫下，對于常見硅酸鹽，基于熱力學計算的壓力系數(shù)公式為[1]

式中：klat為晶格熱導率，p為壓力，KT為體彈模量，K′為KT對壓力的導數(shù)。

根據(jù)實驗結果可以得到，榴輝巖在278 K時的壓力系數(shù)為0.040 GPa-1，符合基于熱力學計算的結果。

表3 熱擴散系數(shù)與溫度關系以函數(shù)D=a+b/T擬合的擬合系數(shù)Table 3 Fitting parameters of thermal diffusivity with D=a+b/T

4 討 論

在278 K和1.0 GPa下，本研究測得的榴輝巖熱擴散系數(shù)接近且略高于歐新功等人[14]在常溫常壓下對新鮮榴輝巖的測量結果?？紤]到巖石樣品成分的復雜性及壓力效應，這種差異是可以接受的。玄武巖的測量結果與Seipold[15]的結果較一致。在278 K和1.0 GPa下,榴輝巖的熱擴散系數(shù)比玄武巖高約30%;榴輝巖的密度比玄武巖高約20%，不考慮比熱容的差別，榴輝巖熱導率比玄武巖高約50%。榴輝巖較高的導熱能力導致了一系列地熱學和動力學結果。

蘇魯造山帶的榴輝巖是在冷的大陸板塊快速俯沖的過程中、在相當?shù)偷墓诺販靥荻拳h(huán)境下形成的。中生代晚期碰撞后，超高壓巖石折返，使榴輝巖呈巖片狀、不均勻地分布在地殼淺部或出露于地表[16]。相對于地殼巖石，榴輝巖具有較高的導熱能力，根據(jù)傅里葉傳熱方程q=k·T(q為熱流密度)，在相同溫度梯度下，熱流密度與巖石的導熱能力成正比，這或許是當?shù)氐乇頍崃髅芏?76～80 mW/m2)較周圍高的一個原因[17]。

榴輝巖與玄武巖導熱能力的差異對洋中脊玄武巖(Mid Ocean Ridge Basalt，MORB)俯沖板塊的熱結構和穩(wěn)定性也有重要的意義。MORB俯沖到一定深度后，逐漸相變?yōu)榱褫x巖。在消減板塊的深度剖面上，上部玄武巖的導熱能力弱，阻礙了俯沖板塊與周圍熱的地幔之間的能量交流，使俯沖板塊保持冷的、堅硬和脆性，這種特性使應變積累，并最終導致破裂和地震的發(fā)生。俯沖板塊的下半部分，玄武巖-榴輝巖的相變使俯沖板塊與周圍環(huán)境的溫差減小，有利于當?shù)氐膭恿W穩(wěn)定。

5 結 論

(1) 以瞬態(tài)平面熱源法為基礎，利用YJ-3 000 t型緊裝式六面頂大腔體壓力機，測量了玄武巖和榴輝巖在1.0和2.0 GPa、278～973 K條件下的熱擴散系數(shù)。

(2) 278 K時，榴輝巖熱擴散系數(shù)的壓力系數(shù)為0.040 GPa-1。

(3) 278 K和1.0 GPa條件下，榴輝巖的熱擴散系數(shù)比玄武巖高約30%，熱導率比玄武巖高約50%。榴輝巖與玄武巖導熱能力的差異對MORB俯沖板塊的熱結構和穩(wěn)定性有重要的意義。

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