黑云斜长片麻岩电导率研究

郭颖星 王多君 李丹阳 陈小斌

1)中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2)中国科学院计算地球动力学重点实验室，北京 100049

3)中国科学院大学地球科学学院，北京 100049

4)中国地震局地质研究所，北京 100029

0 引言

鲁西地区是华北克拉通保留相对较好的地区，在长达3 000Ma的地质历史中，前后经历了约3次克拉通化(宋明春等，2001)。王世进等(2012)认为新太古代早、中、晚期岩浆活动分别形成了这一区域2 700Ma的英云闪长质片麻岩、2 660Ma的片麻状奥长花岗岩和花岗闪长岩以及2 560～2 500Ma的中基性－中酸性侵入岩。这一地区的地质构造及岩性结构如图1所示。由于该地区地质历史十分漫长，地质活动较为复杂，因此，对这一地区的研究已经越来越受到地质学家的关注。关于这一地区地球物理方面的研究，前人做了大量的工作，例如，肖骑彬等(2008)研究了苏鲁造山带及其邻区深部的电性结构，叶高峰等(2009)给出了郯庐断裂带附近大地电磁结果模型。

图1 鲁西泰山地区地质简图(改自王世进等，2012)Fig.1 The geological map of Taishan region，Western Shandong(modified from WANG Shi-jin et al.，2012).

高温高压下地球深部物质的物理性质对于制约野外地球物理测量结果解释至关重要(朱茂旭等，2001;Wang et al.，2008，2010，2012)，但是对于这一地区岩石矿物高温高压下电学性质的研究，到目前为止却鲜有报道，从而在一定程度上制约了对大地电磁资料的解释。位于本区新太古代早期泰山岩套英云闪长质片麻岩带的黑云斜长片麻岩，是中下地壳广泛分布的主要岩石类型，具有典型的片麻状构造和鳞片变晶结构，主要由斜长石、石英和黑云母组成。对于片麻岩，前人做过一定的研究，Fuji-ta等(2007)在0.2，0.5，1.0GPa，0.01Hz及 600～1 000K温度条件下测量了采自Higo变质带地区的片麻岩平行及垂直面理方向的电导率，认为在测量之前需对样品进行多次加热冷却循环处理且在实验的最高温度下恒定一段较长的时间才能测量到稳定的电导率。于英杰等(2011)在1.0GPa压力、343～962K温度和10－1～106Hz频率的条件下，对含角闪石片麻岩从平行和垂直面理2个方向分别进行了电阻抗的测定，分析了片麻岩的微观导电机制。黄晓葛等(2008)对采自阴山造山带的太古代黑云斜长片麻岩垂直于样品片麻理方向进行了电导率的研究，认为天然黑云斜长片麻岩在高压下的电传导可能是受到颗粒内部和颗粒边界共同参与的混合传导机制控制，但颗粒内部的传导对总电导率的贡献远远大于颗粒边界。本文用傅里叶变换红外光谱方法测得了实验前后黑云斜长片麻岩的水含量，并通过复阻抗谱方法测出了样品在高温高压下10－1～106Hz频率范围内的电导率值，并充分考虑了样品电导率的各向异性，将实验所得的电导率数据与鲁西大地电磁数据进行了对比。这对研究这一区域太古界岩石的电学性质，对揭示鲁西地区电性结构乃至华北克拉通晚太古代的地质演化具有重要意义。

1 样品和实验方法

1.1 样品准备

样品为黑云斜长片麻岩，采样点坐标为:117°09'22″E，36°17'51″N。采样区附近的地质情况如图1所示。样品的主要矿物组成大致为:黑云母21%、石英52%、斜长石25%、钾长石2%。其中，黑云母呈破碎条带状，长度为200～500μm，长石及石英颗粒较大，直径多为300～600μm，个别矿物直径可达到1mm以上，样品所含主要矿物的显微结构如图2所示。其中，图2a和b分别为实验前、后垂直面理方向样品的显微结构，图2c和d分别为实验前、后平行面理方向样品的显微结构。样品全岩成分分析及主要矿物电子探针分析结果分别见表1和表2。

图2 黑云斜长片麻岩显微构造照片Fig.2 Photomicrograph of the biotite-plagioclase gneiss.

表1 样品全岩分析结果(wt%)Table 1 The bulk rock chemical analysis of the starting material

1.2 红外光谱

为了测量样品在实验前后水含量的变化，对样品各矿物进行了傅里叶转换红外光谱测量。测量视域为50μm×50μm，波数范围选取为2 800～4 000cm－1，测量得出的傅里叶转换红外光谱如图3所示，利用Beer-Lambert公式对样品进行水含量计算:

式(1)中，Δ为吸收强度，I为吸收系数，t为样品厚度，c为样品水含量，γ为方向因子。吸收强度用OH吸收峰的积分面积表示，斜长石的吸收系数选(107 000±5 000)L/(molH2O·cm2)(Johnson et al.，2003)，石英的吸收系数选为(89 000±15 000)L/(molH2O·cm2)(Thomas et al.，2009)。由于红外光谱测试中，测量区域位于单个矿物内部，且薄片厚度＜1个矿物颗粒粒径，因此，各测量矿物具有明显的方向性，在用公式(1)计算过程中，γ选取0.5。经计算，得出的斜长石水含量在实验前为1 228ppm，实验后垂直面理方向为622ppm，平行面理方向为763ppm。实验前、后石英水含量变化较小，实验前为178ppm，实验后垂直面理方向为152ppm，平行面理方向122ppm。由电子探针分析得出的实验前黑云母水含量约为4%。样品的水含量主要由含水矿物黑云母决定。

1.3 电阻率测量方法

在实验前将样品切割成直径8mm、厚度约为5mm的圆柱体，经丙酮浸泡及干燥以除去油污及吸附水。实验样品组装图如图4所示。承压介质为焙烧过的叶蜡石块，电极材料为金属镍，加热器为3层不锈钢片，电极线为镍铬丝，热电偶由镍铬－镍铝丝制成。样品及组装材料的预处理程序详见文献(郭颖星等，2010)，实验所需温度及压力由位于中国科学院地球化学研究所的YJ－3 000t紧装式六面顶压机提供，使用复阻抗测量仪器Solartron 1260阻抗/增益－相位分析仪测量出样品复阻抗的实部Z'、虚部Z″、模值|Z|及相角θ等4个参数。测量压力为 1.0GPa，测量频率设为 10－1～106Hz。样品准备就绪并恒压0.5h后开始测量，样品电导率测量采用恒压变温法，对样品进行3轮升温、降温操作，并测定每一轮中样品的复阻抗谱。

表2 研究样品所含主要矿物的电子探针分析结果(wt%)Table 2 Electron-microprobe analysis of representative minerals in the samples

图3 样品所含矿物实验前后傅里叶转换红外光谱图Fig.3 FTIR spectra of representative minerals of the samples.

2 实验结果

实验测量得出的复阻抗弧如图5所示。随着温度的升高，黑云斜长片麻岩垂直面理方向及平行面理方向复阻抗弧直径均不断变小，反映了样品等效电阻随着温度的升高而逐渐变小的趋势，图6为黑云斜长片麻岩电导率随温度的变化情况，可以更直观地反映样品不同方向电导率随温度的变化关系。由于实验第1轮升温过程中杂质参与导电，样品电导率测量结果不准确，故在图6中未列出。在实验温度范围内，黑云斜长片麻岩实验样品电导率的对数值为－6.0～0.5S/m，电导率在平行面理方向比垂直面理方向高出约1个数量级。平行面理方向样品的电导率分别在第3轮升温过程中的971～1 040K之间及降温过程的881～939K之间出现一个明显的电导率降低现象。

图4 样品实验组装图Fig.4 The sample assembly for electrical conductivity measurement at high pressure.

图5 黑云斜长片麻岩在不同温度下的阻抗谱Fig.5 Complex impedance arcs of biotite-plagioclase gneiss at different temperatures.

样品电导率随温度变化关系的拟合结果如图7所示。图中黑色曲线代表实验测量第3次升温过程中黑云斜长片麻岩电导率结果，其中平行面理方向高温段拟合数据去除了电导率突然减小的数据点;点线为黄晓葛等(2008)所做的阴山造山带黑云斜长片麻岩的电导率结果;正方形及圆形图标反映了Fuji-ta等(2007)所做的Kyushu地区片麻岩平行及垂直面理方向的电导率结果。黄晓葛等(2008)的实验结果位于本研究中平行和垂直面理样品结果之间，而Fuji-Ta等(2007)在平行及垂直面理方向的结果均比本实验结果高，这可能与样品的矿物组成及含量不同有关。从图7中可以看出，本研究样品平行及垂直面理方向均可大致分成2条拟合曲线，平行面理方向样品斜率改变温度约为820K，垂直面理方向样品斜率改变温度约为940K。在不同温度段内电导率的对数值与温度的倒数之间满足Arrhenians方程:

图6 黑云斜长片麻岩电导率随温度的变化Fig.6 The logarithm of electrical conductivity as a function of the reciprocal of temperature for the samples.

式(2)中:σ为电导率，σ0为独立于温度的指前因子，ΔH为活化焓，k为Boltzmann常数，T为热力学温度。

由Arrhenians方程计算得出的样品不同温度段活化焓结果如表3所示，本研究中黑云斜长片麻岩在垂直及平行面理方向，低温段活化焓较为接近，分别为0.43及0.49eV，这与黄晓葛等(2008)的实验低温段活化焓结果接近，而在高温段，本研究中平行面理方向上的活化焓比垂直面理方向低很多，但与黄晓葛等的高温段结果接近，同时本研究和黄晓葛等(2008)的活化焓结果，均比Fuji-ta等(2007)的结果高。

图7 黑云斜长片麻岩电导率对比结果Fig.7 A comparison of laboratory-based conductivities in this study with those of previous studies.

3 讨论

样品中含水矿物黑云母相对于斜长石及石英来说导电性更强，因此，样品的导电性主要由黑云母决定，相对于垂直面理方向，在平行于面理方向上，黑云母具有更好的形状优选方位而形成连通网络，从而使电流更容易通过样品。同时，值得注意的是，平行面理方向样品的电导率在第3轮升温及降温过程中出现了明显的电导率突降现象，这可能与黑云母的脱水或者熔融有关。对于黑云母熔融，从图8黑云母脱水熔融相图(Nabelek et al.，1999)中看出，在压力为1GPa时，黑云母的熔融过程开始于约1 063K，这一过程包括了亚固相脱水熔融、流体迁移、含水熔融及缺水熔融的相互关联过程(杨晓松等，2001)，本实验最高温度为1 071K，在此温度下，由于持续时间很短(约几min)，黑云母可能未发生熔融，同时图2中也未显示有熔体存在。而对于黑云母脱水方面，张培萍等(1996)认为，黑云母在加热过程中发生了2次脱氢，分别在873K左右及1 123～1 373K。图3中所示样品红外光谱在实验后比实验前明显降低，证实黑云母在实验后发生大量脱水。黑云母脱出的水可能进入矿物晶格，在达到连通前，黑云母因失水而使样品电导率减小，而在脱出的水达到连通后，样品电导率出现急剧增大。而垂直面理方向样品电导率并未出现明显的突变，说明黑云母在连通性较差的情况下对样品电导率影响较小。在高温段，垂直面理方向样品的电导率增加斜率比平行面理方向大，说明垂直面理方向黑云母脱出的水对样品电导率的影响大于平行面理方向，随着温度升高，脱出的水含量不断增多，平行及垂直面理方向样品中的水均达到饱和，电导率逐渐接近，表现为样品电导率在高温段出现逐渐接近的趋势。

表3 实验样品活化焓及指前因子对比Table 3 A comparison fitting of electrical conductivity and pre-exponential factor in this study with those of previous studies

4 地球物理应用

迟清华等(1998)建立了华北地台地壳不同壳层结构和岩石组成模型，认为华北地台平均地壳厚度约为38km，上地壳、中地壳和下地壳的平均厚度分别是15、10和13km。Li等(2006)利用地震测深数据对中国大陆的地壳厚度及结构组成进行了研究，认为中国东部地壳厚度为30～45km。

为使实验电导率结果能与大地电磁电导率结果进行对比，选取臧绍先等(2002)的华北地区岩石圈地热结构模型进行温度与深度之间的转化，并选取离采样地最近处(116.98°E，36.08°N)的地温梯度结果。将本研究电导率随温度的变化关系转换成电导率随深度的变化关系曲线(图9)。图9中实线表示本研究电导率随深度的变化，点划线为臧绍先等(2002)的温度随深度的变化。图中点线分别为肖骑彬等(2008)苏鲁造山带地区华北地块中下地壳大地电磁电导率最低值以及叶高峰等(2009)泰山附近中下地壳大地电磁电导率最低值。由于此区域存在多条断裂，受破裂区域流体的影响，断层分布区域大地电磁电导率较高(高达10S/m)(图9中未列出)，大地电磁电导率低值更接近研究区域排除破裂构造后岩矿物本身的导电性质。从图9中看出，本研究实验电导率结果在中下地壳深度范围内部分位于该区域大地电磁结果范围内，说明黑云斜长片麻岩是组成山东西部中下地壳的候选岩石之一，该研究区域高导部分说明该地区可能存在着导电性更强的岩石矿物或者高导构造。

5 结论

利用阻抗谱法，在压力为1GPa、温度为400～1 073K条件下，测量了采自山东泰山的黑云斜长片麻岩的平行及垂直面理方向的电导率，测出了代表样品颗粒内部导电机制的高频段的阻抗弧，从而验证了样品的电阻对温度、频率具有一定的依赖性。随着温度的升高，样品阻抗弧的实部、虚部均变小，反映了电导率随温度的增加逐渐变大，lgσ与104/T具有良好的线性关系，满足Arrhenius关系式。在高温段，黑云斜长片麻岩样品电导率出现突降现象，这与样品中含水矿物黑云母的脱水有关。将实验所得的电导率数据与鲁西大地电磁数据进行对比，发现在中下地壳范围内，实验测量得到的电导率位于大地电磁结果范围内，说明黑云斜长片麻岩是组成山东西部中下地壳的候选岩石之一。但实验结果不能满足大地电磁高导部分则说明该研究区域可能存在着导电性更强的岩石矿物或者高导构造。

图8 黑云母在不同温、压下脱水熔融示意图(修改自 Nabelek et al.，1999)Fig.8 Biotite dehydration-melting reactions at different temperatures and pressures(modified from Nabelek et al.，1999).

图9 实验电导率结果与大地电磁结果的对比Fig.9 A comparison of laboratory-based conductivities with geophysically inferred electrical conductivity for the middle and lower crust.

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