二氧化碳和水对霞石岩熔体电导率的影响：实验测定和应用

Electrical conductivity measurements of silicate melts are essential for interpreting magnetotelluric data and constraining the physicochemical conditions of partially molten zones in the crust and in the mantle, as well as understanding the structure of silicate melts. For CO2 and H2O, the two major volatile components in silicate melts, previous studies have found a pronounced elevating effect of water on melt conductivity, but the effect of CO2 is still not clear. This project proposes to investigate the CO2 effect and the combined effects of CO2 and H2O on the electrical conductivity of silicate melts, by focusing on a peralkaline melt compositionally similar to a nephelinite from the Lengai volcano, Tanzania. Electrical conductivity measurements will be performed on nephelinite melts with different CO2 and H2O contents using an impedance analyzer, at 0.5-2.0 GPa and up to 1300 degree Celsius in a piston cylinder apparatus. Experimental results will be applied to constrain the volatile contents in the magma chamber beneath the Lengai volcano, and to examine the speciation of CO2 and H2O and their role in modifying melt structure.

硅酸盐熔体电导率测量可以为定量解释大地电磁测深资料、制约地壳和地幔部分熔融区域的物理化学状态提供实验依据，也有助于对熔体微观结构的认识。二氧化碳(CO2)和水是熔体中最主要的两种挥发性组分。前人研究发现水会对熔体电导率产生显著的提升效果，但CO2对熔体电导率的影响尚不清楚。本项目选取CO2溶解度高的一种碱性硅酸盐熔体(成分接近坦桑尼亚Lengai火山产出的霞石岩)为主要研究对象，研究CO2对熔体电导率的影响以及CO2和H2O的综合效应。计划在活塞圆筒压机中采用同心圆柱状测量回路和电磁屏蔽装置，压力为0.5-2.0 GPa和温度上至1300 摄氏度条件下，使用阻抗分析仪对具有不同H2O和CO2含量(上至6 wt%)的霞石岩熔体电导率开展系统测定。实验结果将应用于约束Lengai火山岩浆房的挥发性组分含量，并分析CO2和H2O在熔体中的赋存方式和对熔体结构改变所起的作用。

本项目在高温高压条件下测量了不含挥发分的霞石岩熔体以及含二氧化碳的霞石岩熔体在不同温度、压力和挥发分含量时的电导率。研究结果发现，无挥发分霞石岩熔体电导率比其它硅酸盐熔体电导率明显要高，但压力对霞石岩熔体电导率的作用比对其它硅酸盐熔体要小；当CO2含量不高时(< 2 wt%)，CO2对霞石岩熔体电导率的提升具有一定的作用，但提升效果不如水的作用显著；并且当CO2含量进一步增加时，霞石岩熔体的电导率反而下降，可能反映了CO2对熔体聚合度的增强作用，从而导致导电离子活动性的降低。通过对所有霞石岩熔体电导率数据总结，拟合得到霞石岩熔体电导率随温度、压力和二氧化碳含量变化的定量模型，这一模型可以应用于计算Ol Doinyo Lengai火山岩浆房中含不同的熔体分数时总电导率值。