高温高压下榴辉岩和玄武岩热扩散系数的测量*

陈 刚,李和平,苗社强

(1.中国科学院地球化学研究所,地球内部物质高温高压实验室,贵州贵阳 550002； 2.中国科学院大学，北京 100049； 3.中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

1 引 言

表征材料导热性能的参数包括热导率和热扩散系数，热导率定义为单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的热量，热扩散系数反映温度变化在材料中传递的快慢程度，定义为

(1)

式中：D为热扩散系数(mm2/s)，k为热导率(W/(m·K))，ρ为样品密度(g/cm3)，cp为定压比热容(J/(g·K))。热导率和热扩散系数描述岩石的重要物理性质，是研究地壳和上地幔热结构、地球深部热状态的重要参数[1]。岩石的导热性能随温度、压力等条件变化[2]。在消减带和碰撞带，这种依赖关系决定了消减带和碰撞带的岩石圈热结构，并对消减带动力学和深源地震的形成都有重要的意义[3]。

尽管如此，目前从导热性能出发对消减带和碰撞带动力学的研究还很少。榴辉岩和玄武岩是消减带的重要组成部分，目前对它们的热扩散系数和热导率的研究均局限于常压条件下[4-6],而根据前人的研究结果，压力和温度对岩石导热性能的影响很大[7]，因此，实际测量高温高压下榴辉岩和玄武岩的热扩散系数和热导率很有必要。

本研究在压力为1.0和2.0 GPa、温度为278～973 K的条件下，在YJ-3 000 t型紧装式六面顶大腔体压力机上,采用瞬态平面热源法测量榴辉岩和玄武岩的热扩散系数。

2 实验过程

2.1 样品描述

榴辉岩样品采自苏鲁造山带，最高变质温度为630～810 ℃，最高变质压力为3.0 GPa[8]。玄武岩采自汉诺坝玄武岩高原[9]。岩石中矿物的质量分数通过镜下计点法获得，岩石样品的密度和孔隙度由Micro-ultraPYC 1200e真密度分析仪测量得到[10]。表1为样品特征描述，表2给出了样品的化学成分分析结果。

将样品加工成直径10.00 mm、厚度为2.50 mm的圆片,供高温高压实验使用。测试前,将样品均放入烘干炉中50 ℃烘干，然后在烘箱中200 ℃烘24 h，以去除样品表面的吸附水。

表1 样品描述Table 1 Description of the samples

表2样品的化学成分及其质量分数
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 实验方法

高温高压下样品热扩散系数的测量在中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压实验室的YJ-3 000 t型紧装式六面顶大腔体压力机上完成。关于YJ-3 000 t型紧装式六面顶大腔体压力机的使用和压力标定，前人已有详细报道[11]。

图1 高温高压下热扩散系数测量样品组装图Fig.1 Sample assembly for thermal diffusivity measurement at high pressure

采用瞬态平面热源法测量样品的热扩散系数[12]。样品组装如图1所示。为了避免外界水对实验体系的影响，将用作传压介质的叶蜡石块(32 mm×32 mm×32 mm)在600 ℃下脱水，叶蜡石堵头在800 ℃下脱水。加热器使用直径为0.200 mm的镍铬丝加工而成，温度用直径为0.127 mm的NiCr-NiAl热电偶测定，测量误差为±5 ℃。

实验采用恒压升温方式，选择同一压力(标定误差:±0.1 GPa)下的不同温度点，每个温度点稳定足够长时间，以保证达到温度平衡。通过集成电路和电子开关控制稳压电源，给平面热源通以t0=100 ms的加热脉冲，加热平面热源两侧的样品，热量分别向上、向下方向传递。向上传递的热量被上面布置的热电偶感知，并在通过分压计和直流放大器后，送入示波器显示和采集。

根据采集到的温升曲线可以得到热电偶达到最高温度响应所用的时间，结合样品厚度，可以得到样品的热扩散系数，即

(2)

式中：h为样品厚度，tm为热电偶达到最高温度响应所用的时间，t0为脉冲时间，fD为修正系数(因为实际脉冲时间t0相对于tm不可忽略)

(3)

实验细节及实验方法可靠性的分析详见文献[13]。

3 实验结果

图2 高压下榴辉岩和玄武岩热扩散系数的测量结果Fig.2 Thermal diffusivity of eclogite and basalt under high pressure

图2 为1.0和2.0 GPa、278～973 K条件下，榴辉岩和玄武岩热扩散系数的测量结果及其与前人结果的比较。将热扩散系数与温度的关系以函数D=a+b/T(T为温度)进行拟合[7]，拟合系数a、b的值如表3所示。从图2中可以看出，榴辉岩比玄武岩具有更高的热扩散系数，且随着温度的升高，玄武岩和榴辉岩的热扩散系数均逐渐减小；而随着压力的增大，成分矿物的键长变短，键强增大，榴辉岩的热扩散系数和热导率增大。室温下，对于常见硅酸盐，基于热力学计算的压力系数公式为[1]

式中：klat为晶格热导率，p为压力，KT为体弹模量，K′为KT对压力的导数。

根据实验结果可以得到，榴辉岩在278 K时的压力系数为0.040 GPa-1，符合基于热力学计算的结果。

表3 热扩散系数与温度关系以函数D=a+b/T拟合的拟合系数Table 3 Fitting parameters of thermal diffusivity with D=a+b/T

4 讨 论

在278 K和1.0 GPa下，本研究测得的榴辉岩热扩散系数接近且略高于欧新功等人[14]在常温常压下对新鲜榴辉岩的测量结果。考虑到岩石样品成分的复杂性及压力效应，这种差异是可以接受的。玄武岩的测量结果与Seipold[15]的结果较一致。在278 K和1.0 GPa下,榴辉岩的热扩散系数比玄武岩高约30%;榴辉岩的密度比玄武岩高约20%，不考虑比热容的差别，榴辉岩热导率比玄武岩高约50%。榴辉岩较高的导热能力导致了一系列地热学和动力学结果。

苏鲁造山带的榴辉岩是在冷的大陆板块快速俯冲的过程中、在相当低的古地温梯度环境下形成的。中生代晚期碰撞后，超高压岩石折返，使榴辉岩呈岩片状、不均匀地分布在地壳浅部或出露于地表[16]。相对于地壳岩石，榴辉岩具有较高的导热能力，根据傅里叶传热方程q=k·T(q为热流密度)，在相同温度梯度下，热流密度与岩石的导热能力成正比，这或许是当地地表热流密度(76～80 mW/m2)较周围高的一个原因[17]。

榴辉岩与玄武岩导热能力的差异对洋中脊玄武岩(Mid Ocean Ridge Basalt，MORB)俯冲板块的热结构和稳定性也有重要的意义。MORB俯冲到一定深度后，逐渐相变为榴辉岩。在消减板块的深度剖面上，上部玄武岩的导热能力弱，阻碍了俯冲板块与周围热的地幔之间的能量交流，使俯冲板块保持冷的、坚硬和脆性，这种特性使应变积累，并最终导致破裂和地震的发生。俯冲板块的下半部分，玄武岩-榴辉岩的相变使俯冲板块与周围环境的温差减小，有利于当地的动力学稳定。

5 结 论

(1) 以瞬态平面热源法为基础，利用YJ-3 000 t型紧装式六面顶大腔体压力机，测量了玄武岩和榴辉岩在1.0和2.0 GPa、278～973 K条件下的热扩散系数。

(2) 278 K时，榴辉岩热扩散系数的压力系数为0.040 GPa-1。

(3) 278 K和1.0 GPa条件下，榴辉岩的热扩散系数比玄武岩高约30%，热导率比玄武岩高约50%。榴辉岩与玄武岩导热能力的差异对MORB俯冲板块的热结构和稳定性有重要的意义。

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