地球深部物质电学性质实验研究.pdfVIP

第13卷第5期 地球科学进展 、b1．13No．5 1998年lO月 ADvANCE【NEARTHSCIENCES Oct．。1998 地球深部物质电学性质实验研究 朱茂旭谢鸿森 (中国科学院地球化学研究所贵阳550002) 摘要地球深部物质电学性质的实验研究是了解地幔热结构和地幔动力学特征 的重要手段之一，已越来越受到地球物理学家的重视。介绍了地球深部物质电学 性质实验研究的基本原理、基本方法、电导的影响因素、实验研究的意义和今后的 研究方向。 关键词地球深部物质 电导 实验研究 分类号P319 全球性地球物理测量能提供地球深部从地幔到地核的物理参数，但对这些参数的解释 最终还得依赖于对地球深部各圈层物质组成及其矿物学、地球物理、地球化学性质的了解。 然而，目前受取样深度的限制，对地球深部的大部分物质不可能进行直接研究，但浅部的信 息又没有足够的理由向地球深部外推，因而开展高压超高压条件下的模拟实验研究以了解 地球深部的物质成分、性质和状态显得非常重要。高温高压下测定地球内部物质(岩石、矿 物、流体等)的电学性质是其中最重要的内容之一。高温高压下对地球内部物质电导率的实 验室测定可以获得地球内部物质的许多传导信息，不仅能为野外大地电磁测量结果的解释 提供重要的物质依据，也是我们建立地球内部温度剖面的重要依据之一。又因为它能提供 独立于地震观测的地球深部物质的信息，可与地震观测资料相互补充和限制。此外，电导率 测量还能提供地球内部相态变化、流体和熔体的形成与分布以及氧化状态等信息。地球内 部存在许多高导层(HCL)，根据地球内部物质电导率测定结果及有关地球化学和地球物理 观测资料解释高导层微观物理和化学性质、及产生的机理也是探讨地球内部结构和组成的 重要内容之一。 l 电传导机制及缺陷化学 1．1电传导机制 矿物晶体中电传导方式有本征传导和非本征传导两种，载流子有自由电子、空穴、极化 子(大极化子和小极化子)和离子四种。一般来说，离子传导的活化能要比其它载流子传导 的活化能要大。 第～作者简介：朱茂旭，男，1967年9月出生，博士研究生，主要从事地球深部物质科学研究。 收稿日期：1997．10．10；修改稿：1998-03-23。 第5期 朱茂旭等：地球深部物质电学性质实验研究439 一般来说，硅酸盐矿物的禁带宽度都较大，u等n3估计钙钛矿在地幔条件下的禁带宽度 X10。19 为3．2 J，而实验测得钙钛矿、钙钛矿+镁方铁矿组合的激化能都小于0．64×10—9J， 这表明在这些矿物中主要的传导机制不可能是本征传导，而为非本征传导，如非本征电子传 导或离子传导。实际上绝大多数硅酸盐矿物的传导都以非本征传导为主。Duba[21认为，地 幔硅酸盐，氧化物矿物[如(Mg，Fe)O]的电传导机制几乎都不是本征传导，因为所有的矿物、 岩石中都存在大量的微量元素杂质。 390oC 验研究认为，氧离子传导(％)可能是下地幔的主要传导机制。橄榄石在温度高于l 时，镁离子扩散传导(叱)是一种很重要的机制。 1．2缺陷化学 自然形成的和合成的矿物晶体中都存在点缺陷，这些点缺陷控制着矿物的许多物理性 质(如电导、扩散和流变等)。除热缺陷外，杂质原子可以进入晶格，位于格点问的间隙空间 (填隙式杂质)，或杂质原子取代晶格原子(替代式杂质)形成杂质缺陷。如“等n’认为在有 质能级，从而降低了电子激发所需的活化能。由于热作用，施主杂质电离产生的电子易于进 入导带而起导电作用；电离的受主杂质离子易于接受价带中因热激发产生的电子，在价带中 形成电子洞(空穴)，从而在价带中形成电子一空穴对的运动而导电。间隙杂质原子也可以 扩散方式传导。因此，杂质的存在可大大地提高载流子的浓度，从而导致矿物电导率大大地 增大。 矿物晶格中其他一些点缺陷格与杂质原子相似，这些点缺陷能导致缺陷能级，也可以与 能带(导带和价带)能级发生电子交换，同样可起到提高载流子浓度的作用。 晶体中的缺陷反应能产生各种各样的点缺陷，