高溫高壓下榴輝巖和玄武巖熱擴(kuò)散系數(shù)的測量*

陳 剛,李和平,苗社強(qiáng)

(1.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所,地球內(nèi)部物質(zhì)高溫高壓實(shí)驗(yàn)室,貴州貴陽 550002； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.中國地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

1 引 言

表征材料導(dǎo)熱性能的參數(shù)包括熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)，熱導(dǎo)率定義為單位截面、長度的材料在單位溫差下和單位時(shí)間內(nèi)直接傳導(dǎo)的熱量，熱擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)(mm2/s)，k為熱導(dǎo)率(W/(m·K))，ρ為樣品密度(g/cm3)，cp為定壓比熱容(J/(g·K))。熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)描述巖石的重要物理性質(zhì)，是研究地殼和上地幔熱結(jié)構(gòu)、地球深部熱狀態(tài)的重要參數(shù)[1]。巖石的導(dǎo)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(guān)系決定了消減帶和碰撞帶的巖石圈熱結(jié)構(gòu)，并對消減帶動(dòng)力學(xué)和深源地震的形成都有重要的意義[3]。

盡管如此，目前從導(dǎo)熱性能出發(fā)對消減帶和碰撞帶動(dòng)力學(xué)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(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)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(jié)果，壓力和溫度對巖石導(dǎo)熱性能的影響很大[7]，因此，實(shí)際測量高溫高壓下榴輝巖和玄武巖的熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)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(jī)上,采用瞬態(tài)平面熱源法測量榴輝巖和玄武巖的熱擴(kuò)散系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 樣品描述

榴輝巖樣品采自蘇魯造山帶，最高變質(zhì)溫度為630～810 ℃，最高變質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)通過鏡下計(jì)點(diǎn)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(xué)成分分析結(jié)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(shí)驗(yàn)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(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)方法

高溫高壓下樣品熱擴(kuò)散系數(shù)的測量在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所地球內(nèi)部物質(zhì)高溫高壓實(shí)驗(yàn)室的YJ-3 000 t型緊裝式六面頂大腔體壓力機(jī)上完成。關(guān)于YJ-3 000 t型緊裝式六面頂大腔體壓力機(jī)的使用和壓力標(biāo)定，前人已有詳細(xì)報(bào)道[11]。

圖1 高溫高壓下熱擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)[12]。樣品組裝如圖1所示。為了避免外界水對實(shí)驗(yàn)體系的影響，將用作傳壓介質(zhì)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(shí)驗(yàn)采用恒壓升溫方式，選擇同一壓力(標(biāo)定誤差:±0.1 GPa)下的不同溫度點(diǎn)，每個(gè)溫度點(diǎn)穩(wěn)定足夠長時(shí)間，以保證達(dá)到溫度平衡。通過集成電路和電子開關(guān)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(cè)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(jì)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(dá)到最高溫度響應(yīng)所用的時(shí)間，結(jié)合樣品厚度，可以得到樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)，即

(2)

式中：h為樣品厚度，tm為熱電偶達(dá)到最高溫度響應(yīng)所用的時(shí)間，t0為脈沖時(shí)間，fD為修正系數(shù)(因?yàn)閷?shí)際脈沖時(shí)間t0相對于tm不可忽略)

(3)

實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)及實(shí)驗(yàn)方法可靠性的分析詳見文獻(xiàn)[13]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 高壓下榴輝巖和玄武巖熱擴(kuò)散系數(shù)的測量結(jié)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(kuò)散系數(shù)的測量結(jié)果及其與前人結(jié)果的比較。將熱擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系以函數(shù)D=a+b/T(T為溫度)進(jìn)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(kuò)散系數(shù)，且隨著溫度的升高，玄武巖和榴輝巖的熱擴(kuò)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(qiáng)增大，榴輝巖的熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率增大。室溫下，對于常見硅酸鹽，基于熱力學(xué)計(jì)算的壓力系數(shù)公式為[1]

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

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，榴輝巖在278 K時(shí)的壓力系數(shù)為0.040 GPa-1，符合基于熱力學(xué)計(jì)算的結(jié)果。

表3 熱擴(kuò)散系數(shù)與溫度關(guān)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(kuò)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(jié)果?？紤]到巖石樣品成分的復(fù)雜性及壓力效應(yīng)，這種差異是可以接受的。玄武巖的測量結(jié)果與Seipold[15]的結(jié)果較一致。在278 K和1.0 GPa下,榴輝巖的熱擴(kuò)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(dǎo)率比玄武巖高約50%。榴輝巖較高的導(dǎo)熱能力導(dǎo)致了一系列地?zé)釋W(xué)和動(dòng)力學(xué)結(jié)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(dāng)?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(dǎo)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(dǎo)熱能力成正比，這或許是當(dāng)?shù)氐乇頍崃髅芏?76～80 mW/m2)較周圍高的一個(gè)原因[17]。

榴輝巖與玄武巖導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jiān)硬和脆性，這種特性使應(yīng)變積累，并最終導(dǎo)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(dāng)?shù)氐膭?dòng)力學(xué)穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

(1) 以瞬態(tài)平面熱源法為基礎(chǔ)，利用YJ-3 000 t型緊裝式六面頂大腔體壓力機(jī)，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(kuò)散系數(shù)。

(2) 278 K時(shí)，榴輝巖熱擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)比玄武巖高約30%，熱導(dǎo)率比玄武巖高約50%。榴輝巖與玄武巖導(dǎo)熱能力的差異對MORB俯沖板塊的熱結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性有重要的意義。

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