高温高压下碳酸盐熔体对橄榄岩流变性质的影响

The rheology of rock is defined to research the relationship between mechanical properties and microscopic characteristics of deformed minerals and rocks of Earth's interior under different conditons.The formation，migration and evolution of melt is the important geological processes governing the differentiation of composition and the formation of layered structure in Earth's interior.Partial melting has the most influence on the physical properties of materials such as viscosity,seismic wave velocity ,electrical conductivity and so on.Laboratory investigation of the rheological behavior of partially molten upper mantle rocks is important to the understanding of a variety of geodynamic processes including mechanical couping between the crust and lithospheric mantle,mantle convection,plate tectonics,channel folw of lower crust. The experimental results can directly provide the required data(viscosity,rheological strength,strain rate ) of geodynamic model.A number of experimental studies have been carried out to measure the effect of silicate melt MORB on the rheological properties of partially molten olivine-rich aggregates.Significant progress have been made during the last three decades. In this proposal, the effect of carbonatitic melt on the rheological properties of peridotite and olivine aggregates will be carried out because melt composition has large effect on mechanical behavior of mantle rocks,which has the important innovative significance in discipline study.This project will fill the research gap.The experimental results will help to understand the cause of the weak layer of strength and the operation of carbon cycle in the mantle.

岩石流变学是研究地球内部物质在不同条件下的力学性质与微观特征之间的关系。熔体的形成、运移和演化是地球内部成分分异、层圈结构形成的重要地质过程，其对地壳、上地幔内物质的物理性质（粘性、地震波、电导率等）有重大影响。部分熔融岩石流变性质的实验研究对于深刻理解地壳和岩石圈地幔之间的力学耦合、地幔对流，板块构造、下地壳通道流等各种地球动力学过程十分重要，研究结果可直接为地球动力学模拟（地幔对流、岩浆运移等）提供所需的粘度、强度、应变速率等方面的原始数据。过去三十多年，人们进行了大量的大洋中脊玄武岩熔体对橄榄岩流变性质影响方面的实验研究，取得了长足的进步，加深了人们对部分熔融岩石流变学性质的理解。尽管熔体成分与橄榄岩流变性质之间亦有较大的关系，但人们几乎还没有开展碳酸盐熔体对橄榄岩流变性质影响的研究，本项目将填补这一研究空白。研究结果对我们理解地球内部的碳循环以及异常高导区的力学弱层成因有重要意义。

地球动力学过程与其内部物质的流变变形有关，因此，研究地球内部物质的流变本构方程，构建地幔的流变模型，对我们探索地球内部的物质组成，深入认识地球动力学问题有极大的意义。地幔的流变性是由其组成岩石和矿物的性质决定的，橄榄石在上地幔中占60%左右，其流变强度比上地幔的其他矿物如石榴子石、斜辉石的要低，所以，上地幔的流变性质可用橄榄石的流变性质来表述。对橄榄石矿物的流变性质已进行过大量研究，实验证明：水极大地增强了橄榄石的变形速率，降低了橄榄石的强度。另外，当熔体成分较多时，橄榄石的应变速率也增加，因为硅酸盐熔体容易在橄榄石中形成连通网格，促进橄榄石的流变。在上地幔中，不但存在硅酸盐，还存在碳酸盐。与硅酸盐相比，碳酸盐熔体具有高渗透率，低二面角，极低的粘滞性，与周围物质有强烈交代作用的特性。本项目主要进行了碳酸盐熔体对橄榄石集合体流变性质的影响方面的研究。..项目按计划进行，主要进行了两类实验：1.压缩变形实验，目的是研究碳酸盐熔体对橄榄石集合体流变性质的影响；2.简单剪切实验，目的是研究二氧化碳气体对橄榄石流变性质的影响。对这两类实验后的样品都进行了显微观测，确定变形机制为颗粒边界的滑移。. .通过实验结果，得到的结论如下：.（1）.纯橄榄石在大于800ºC时，变形机制由弹性转变为蠕变变形，差异应力在300 MPa左右。.（2）.橄榄石中加入碳酸盐会使其流变强度降低，加入2.5 vol%的碳酸盐时，橄榄石的差应力为240 MPa左右。加入5 vol%的碳酸盐时，差应力为60 MPa。当碳酸盐较少时，熔体存在于橄榄石颗粒的三连点处，对样品的弱化能力较小，当碳酸盐较多时，熔体在橄榄石颗粒之间形成薄膜连通，对橄榄石的弱化作用成倍增加。.（3）.橄榄石中加入二氧化碳后，剪切变形后的橄榄石，颗粒形态上有明显的变化。另外，二氧化碳有应变局域化现象，成条带状，使橄榄石的流变强度明显降低。整体的主要变形机制为颗粒边界滑移。