CN110853472B - 一种板内火山作用的模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种板内火山作用的模拟方法。其技术方案是：将47～60wt％的氧化钙粉体、35wt％的氧化铝粉体和5～18wt％的氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体。将混合粉体装入刚玉坩埚，再将坩埚置于装配有观察窗的高温炉内，观察窗外装有工业摄像机，工业摄像机的俯角为30～45°；在空气气氛和常压条件下，以1～30℃/分钟的速率升温至1500～1900℃，保温0.5～5小时。在保温过程中，工业摄像机记录混合粉体熔融后的熔体沿坩埚内壁上涌形成的板内火山作用，得到板内火山作用的模拟过程。本发明具有成本低和效率高的特点，能较为准确地实现对板内火山作用的模拟，为板内火山作用的研究提供依据和能满足板内火山作用的科普需求奠。
Description
技术领域
本发明属于模拟地质火山作用的技术领域。具体涉及一种板内火山作用的模拟方法。
背景技术
板内火山作用指的是板块内部的火山作用，其成因机制一直是地质学家研究和讨论的热点之一。板内火山不同于板块边界处的火山，它们位于地质条件相对稳定的区域，这与洋中脊处的火山完全不同。火山物质是上地幔岩石部分熔融的产物，这是已经得到普遍认可的结论；但是这些熔融作用与上地幔(软流圈)剪切作用的关系尚缺乏直接的证据研究。
地球上的大多数火山作用位于板块边界，同时伴随着俯冲或者裂谷作用。在板块边界和板内均观测到了一些较大的火山区，物质来源于深部地幔内地幔柱上涌。仍然有火山作用远离板块边界，通常是玄武质的、溢流的和小体积的，位于大陆内部或者在海洋底部产生火山。板内火山作用通常被归因于各种局部的作用过程，如岩石圈的破坏，岩石圈下小规模的地幔对流作用，或者嵌于岩石圈底部的软流圈地幔低粘度体的剪切熔融作用。板内的小体积溢流火山作用是不可能由板块边界作用或者上涌的地幔柱引起，因此很难用已有的理论来解释这一现象。区域化的扩散伸展作用引起的软流圈上涌和熔融是先有的一个构造解释，但是最近的研究表明岩石圈伸展可能实际上或阻碍地幔熔融作用。板内火山作用也被认为与一些局部的地下活动有关，如较小的上涌地幔柱、下降流和岩石圈下或者边界驱动的对流作用，这会产生局部的密度不均一性使热地幔物质上升而减压熔融。
但是，一些机制可以将全球地幔流动和板块运动与板内的岩石圈下的熔融作用联系起来。例如，快速剪切的软流圈可以扩大构造板块底部的牵引力，导致破裂和其他的火山作用引起的变形作用。由此，如果其流变学性质是非牛顿性质的，快速的软流圈变形可以软化上部岩石圈，导致对流失稳而引起地表火山作用。最后，与岩石圈或者软流圈粘度不均一体的相互作用，软流圈剪切作用能够直接引起上涌作用，也就是火山作用。比如，逐渐流向减薄岩石圈的软流圈会遇到引起熔融的上涌物质。因此，由于软流圈剪切会倾向于集中在嵌入其中的低粘度体内，那么在粘度上不均一的软流圈的剪切作用能够促进引起火山作用的剪切上涌。这些机制预测了快速剪切的软流圈地区之上更多的火山作用。
然而，目前板内火山作用的作用机制、作用过程和理论模型基本上都是根据自然界实际的板内火山作用发生后的情况进行研究和分析的，由于实际条件或者自然环境的限制，无法直观地观测板内火山作用时的作用过程，并且无法验证所提出的理论模型或机制的正确性。所以关于这些模型或者机制的讨论的争议一直存在。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，的目的是提供一种成本低、效率高的板内火山作用的模拟方法，该方法能较为准确地实现对板内火山作用的模拟，为板内火山作用的研究提供依据和能满足板内火山作用的科普需求奠。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
将47～60wt％的氧化钙粉体、35wt％的氧化铝粉体和5～18wt％的氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体。
然后将所述混合粉体装入刚玉坩埚，再将所述坩埚置于装配有观察窗的高温炉内，所述观察窗外装有工业摄像机，所述工业摄像机的俯角为30～45°；然后在空气气氛和常压条件下，以1～30℃/分钟的速率升温至1500～1900℃，保温0.5～5小时。
在保温过程中，所述工业摄像机记录所述混合粉体熔融后的熔体沿坩埚内壁上涌形成的板内火山作用，得到板内火山作用的模拟过程。
所述氧化钙粉体的CaO≥98wt％，粒径≤45μm。
所述氧化铝粉体的Al2O3≥99wt％，粒径≤45μm。
所述氧化硅粉体的SiO2≥98wt％，粒径≤45μm。
所述刚玉坩埚的材质：Al2O3≥90wt％，平均孔径≤5μm；所述刚玉坩埚为圆筒状。
所述刚玉坩埚的内壁高度∶所述混合粉体的层高的比为1∶0.2～0.6。
由于采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：
(1)将氧化钙粉体、氧化铝粉体和氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体。将装有混合粉体的刚玉坩埚置于装配有观察窗的高温炉内，在1500～1900℃保温0.5～5小时。保温过程中，工业摄像机记录熔体沿坩埚内壁上涌形成的板内火山作用，得到板内火山作用的模拟过程。成本低、效率高和模拟方法较为准确。
(2)合适配比的氧化钙、氧化硅、氧化铝三种氧化物的混合粉体在高温下形成一定粘度的熔体，所述熔体与刚玉坩埚内壁和空气在三相界面处会产生Marangoni对流，从而模拟出软流圈，模拟方法较为准确。
(3)由于所述熔体与刚玉坩埚壁及空气三相界面处对坩埚壁的侵蚀作用，致使刚玉坩埚内壁产生凹坑，所述熔体能够进入到凹坑，则对流流动熔体的上方的刚玉坩埚内壁则模拟出岩石圈，模拟方法较为准确。
(4)对流流动的熔体会进一步与对流熔体上方的刚玉坩埚内壁发生反应，刚玉坩埚中的氧化铝不断溶解进入熔体，并基于过饱和沉淀理论生成大量的六铝酸钙进入熔体，导致靠近所述对流熔体上方刚玉坩埚内壁的熔体粘度进一步增大、密度增加，所述三相界面上部的熔体与三相界面下部的熔体的黏度与密度的差异造成对流熔体沿刚玉坩埚内壁有规律地剪切上涌现象，产生均匀规则的上涌峰，较为客观地模拟了板内火山作用。
(5)本发明可通过改变混合粉体的组分来模拟不同地质条件下板内火山作用的过程，而高温下熔融的混合粉体形成熔体，熔体的上涌高度与熔体的组成紧密相关，同时保温时间也直接影响上涌熔体对刚玉坩埚内壁的侵蚀深度，因此通过改变混合粉体成分及保温时间，能够模拟不同条件下板内火山的作用。并通过分析所拍摄的上涌峰影像来分析板内火山作用的作用过程。具体而言：根据上涌峰的形成过程来分析板内火山作用的形成机理，根据上涌峰的高度来分析板内火山作用的强烈程度的影响因素。同时可以预测不同地质条件下板内火山作用的剧烈程度、作用范围等。为地质学家们研究板内火山作用提供重要的依据，亦能满足板内火山作用的科普需求。
因此，本发明具有成本低、效率高的特点，能较为准确地实现对板内火山作用的模拟，为板内火山作用的研究提供依据和能满足板内火山作用的科普需求奠。
附图说明
图1是本发明第一种模拟结束后的刚玉坩埚截面图；
图2是本发明第二种模拟结束后的刚玉坩埚截面图；
图3是本发明第三种模拟结束后的刚玉坩埚截面图；
图4是本发明第四种模拟结束后的刚玉坩埚截面图；
图5是本发明第五种模拟结束后的刚玉坩埚截面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对保护范围的限制：
一种板内火山作用的模拟方法。所述模拟方法是：
将47～60wt％的氧化钙粉体、35wt％的氧化铝粉体和5～18wt％的氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体。
然后将所述混合粉体装入刚玉坩埚，再将所述坩埚置于装配有观察窗的高温炉内，所述观察窗外装有工业摄像机，所述工业摄像机的俯角为30～45°；然后在空气气氛和常压条件下，以1～30℃/分钟的速率升温至1500～1900℃，保温0.5～5小时。
在保温过程中，所述工业摄像机记录所述混合粉体熔融后的熔体沿坩埚内壁上涌形成的板内火山作用，得到板内火山作用的模拟过程。
本具体实施方式所涉及的技术参数统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述氧化钙粉体的CaO≥98wt％，粒径≤45μm。
所述氧化铝粉体的Al2O3≥99wt％，粒径≤45μm。
所述氧化硅粉体的SiO2≥98wt％，粒径≤45μm。
所述刚玉坩埚的材质：Al2O3≥90wt％，平均孔径≤5μm；所述刚玉坩埚为圆筒状。
实施例1
一种板内火山作用的模拟方法。本实施例采用的技术方案是：
将47wt％的氧化钙粉体、35wt％的氧化铝粉体和18wt％的氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体。
然后将所述混合粉体装入刚玉坩埚，再将所述坩埚置于装配有观察窗的高温炉内，所述观察窗外装有工业摄像机，所述工业摄像机的俯角为30～45°；然后在空气气氛和常压条件下，以5℃/分钟的速率升温至1500℃，保温0.5小时。
在保温过程中，所述工业摄像机记录所述混合粉体熔融后的熔体沿坩埚内壁上涌形成的板内火山作用，得到板内火山作用的模拟过程。
所述刚玉坩埚的内壁高度∶所述混合粉体的层高的比为1∶0.2。
在本实施例中，板内火山作用模拟结束后的刚玉坩埚的截面图如图1所示，从图1可以观察到：混合粉体在高温下形成的熔体与刚玉坩埚内壁和空气的三相界面处产生了凹坑，同时熔体沿刚玉坩埚内壁上涌，形成了均匀规则的上涌峰，经过测量，上涌峰顶部与底部之间的高度差为2.1mm。
实施例2
一种板内火山作用的模拟方法。本实施例采用的技术方案是：
将51.5wt％的氧化钙粉体、35wt％的氧化铝粉体和13.5wt％的氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体。
然后将所述混合粉体装入刚玉坩埚，再将所述坩埚置于装配有观察窗的高温炉内，所述观察窗外装有工业摄像机，所述工业摄像机的俯角为30～45°；然后在空气气氛和常压条件下，以12℃/分钟的速率升温至1600℃，保温1.5小时。
在保温过程中，所述工业摄像机记录所述混合粉体熔融后的熔体沿坩埚内壁上涌形成的板内火山作用，得到板内火山作用的模拟过程。
所述刚玉坩埚的内壁高度∶所述混合粉体的层高的比为1∶0.3。
在本实施例中，板内火山作用模拟结束后的刚玉坩埚的截面图如图2所示，从图2可以观察到：混合粉体在高温下形成的熔体与刚玉坩埚内壁和空气的三相界面处产生了凹坑，同时熔体沿刚玉坩埚内壁上涌，形成了均匀规则的上涌峰，经过测量，上涌峰顶部与底部之间的高度差为2.6mm。
实施例3
一种板内火山作用的模拟方法。本实施例采用的技术方案是：
将54.5wt％的氧化钙粉体、35wt％的氧化铝粉体和10.5wt％的氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体。
然后将所述混合粉体装入刚玉坩埚，再将所述坩埚置于装配有观察窗的高温炉内，所述观察窗外装有工业摄像机，所述工业摄像机的俯角为30～45°；然后在空气气氛和常压条件下，以18℃/分钟的速率升温至1700℃，保温2.7小时。
在保温过程中，所述工业摄像机记录所述混合粉体熔融后的熔体沿坩埚内壁上涌形成的板内火山作用，得到板内火山作用的模拟过程。
所述刚玉坩埚的内壁高度∶所述混合粉体的层高的比为1∶0.4。
在本实施例中，板内火山作用模拟结束后的刚玉坩埚的截面图如图3所示，从图3可以观察到：混合粉体在高温下形成的熔体与刚玉坩埚内壁和空气的三相界面处产生了凹坑，同时熔体沿刚玉坩埚内壁上涌，形成了均匀规则的上涌峰，经过测量，上涌峰顶部与底部之间的高度差为2.7mm。
实施例4
一种板内火山作用的模拟方法。本实施例采用的技术方案是：
将57wt％的氧化钙粉体、35wt％的氧化铝粉体和8wt％的氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体。
然后将所述混合粉体装入刚玉坩埚，再将所述坩埚置于装配有观察窗的高温炉内，所述观察窗外装有工业摄像机，所述工业摄像机的俯角为30～45°；然后在空气气氛和常压条件下，以24℃/分钟的速率升温至1800℃，保温3.9小时。
在保温过程中，所述工业摄像机记录所述混合粉体熔融后的熔体沿坩埚内壁上涌形成的板内火山作用，得到板内火山作用的模拟过程。
所述刚玉坩埚的内壁高度∶所述混合粉体的层高的比为1∶0.5。
在本实施例中，板内火山作用模拟结束后的刚玉坩埚的截面图如图4所示，从图4可以观察到：混合粉体在高温下形成的熔体与刚玉坩埚内壁和空气的三相界面处产生了凹坑，同时熔体沿刚玉坩埚内壁上涌，形成了均匀规则的上涌峰，经过测量，上涌峰顶部与底部之间的高度差为2.9mm。
实施例5
一种板内火山作用的模拟方法。本实施例采用的技术方案是：
将60wt％的氧化钙粉体、35wt％的氧化铝粉体和5wt％的氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体。
然后将所述混合粉体装入刚玉坩埚，再将所述坩埚置于装配有观察窗的高温炉内，所述观察窗外装有工业摄像机，所述工业摄像机的俯角为30～45°；然后在空气气氛和常压条件下，以30℃/分钟的速率升温至1900℃，保温5小时。
在保温过程中，所述工业摄像机记录所述混合粉体熔融后的熔体沿坩埚内壁上涌形成的板内火山作用，得到板内火山作用的模拟过程。
所述刚玉坩埚的内壁高度∶所述混合粉体的层高的比为1∶0.6。
在本实施例中，板内火山作用模拟结束后的刚玉坩埚的截面图如图5所示，从图5可以观察到：混合粉体在高温下形成的熔体与刚玉坩埚内壁和空气的三相界面处产生了凹坑，同时熔体沿刚玉坩埚内壁上涌，形成了均匀规则的上涌峰，经过测量，上涌峰顶部与底部之间的高度差为3.1mm。
本具体实施方式与现有技术相比的有益效果在于：
(1)将氧化钙粉体、氧化铝粉体和氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体。将装有混合粉体的刚玉坩埚置于装配有观察窗的高温炉内，在1500～1900℃保温0.5～5小时。保温过程中，工业摄像机记录熔体沿坩埚内壁上涌形成的板内火山作用，得到板内火山作用的模拟过程。本具体实施方式成本低和效率高。
(2)合适配比的氧化钙、氧化硅、氧化铝三种氧化物的混合粉体在高温下形成一定粘度的熔体，所述熔体与刚玉坩埚内壁和空气在三相界面处会产生Marangoni对流，从而模拟出软流圈，模拟方法较为准确。
(3)由于所述熔体与刚玉坩埚壁及空气三相界面处对坩埚壁的侵蚀作用，致使刚玉坩埚内壁产生凹坑，所述熔体能够进入到凹坑，则对流流动熔体的上方的刚玉坩埚内壁则模拟出岩石圈，模拟方法较为准确。
(4)对流流动的熔体会进一步与对流熔体上方的刚玉坩埚内壁发生反应，刚玉坩埚中的氧化铝不断溶解进入熔体，并基于过饱和沉淀理论生成大量的六铝酸钙进入熔体，导致靠近所述对流熔体上方刚玉坩埚内壁的熔体粘度进一步增大、密度增加，所述三相界面上部的熔体与三相界面下部的熔体的黏度与密度的差异造成对流熔体沿刚玉坩埚内壁有规律地剪切上涌现象，产生均匀规则的上涌峰，较为客观地模拟了板内火山作用。
(5)本具体实施方式可通过改变混合粉体的组分来模拟不同地质条件下板内火山作用的过程，而高温下熔融的混合粉体形成熔体，熔体的上涌高度与熔体的组成紧密相关，同时保温时间也直接影响上涌熔体对刚玉坩埚内壁的侵蚀深度，因此通过改变混合粉体成分及保温时间，能够模拟不同条件下板内火山的作用。并通过分析所拍摄的上涌峰影像来分析板内火山作用的作用过程。具体而言：根据上涌峰的形成过程来分析板内火山作用的形成机理，根据上涌峰的高度来分析板内火山作用的强烈程度的影响因素。同时可以预测不同地质条件下板内火山作用的剧烈程度、作用范围等。为地质学家们研究板内火山作用提供重要的依据，亦能满足板内火山作用的科普需求。
因此，本具体实施方式具有成本低、效率高的特点，能较为准确地实现对板内火山作用的模拟，为板内火山作用的研究提供依据和能满足板内火山作用的科普需求奠。
Claims (3)
1.一种板内火山作用的模拟方法，其特征在于将47～60wt％的氧化钙粉体、35wt％的氧化铝粉体和5～18wt％的氧化硅粉体混合均匀，得到混合粉体；所述混合粉体中氧化钙粉体、氧化铝粉体和氧化硅粉体三种组分的质量占比之和等于100wt％；
然后将所述混合粉体装入刚玉坩埚，再将所述坩埚置于装配有观察窗的高温炉内，所述观察窗外装有工业摄像机，所述工业摄像机的俯角为30～45°；然后在空气气氛和常压条件下，以1～30℃/分钟的速率升温至1500～1900℃，保温0.5～5小时；
在保温过程中，所述工业摄像机记录所述混合粉体熔融后的熔体沿坩埚内壁上涌形成的板内火山作用，得到板内火山作用的模拟过程；
所述氧化钙粉体的CaO≥98wt％，粒径≤45μm；
所述氧化铝粉体的Al2O3≥99wt％，粒径≤45μm；
所述氧化硅粉体的SiO2≥98wt％，粒径≤45μm。
2.根据权利要求1所述的板内火山作用的模拟方法，其特征在于所述刚玉坩埚的材质：Al2O3≥90wt％，平均孔径≤5μm；所述刚玉坩埚为圆筒状。
3.根据权利要求1所述的板内火山作用的模拟方法，其特征在于所述刚玉坩埚的内壁高度∶所述混合粉体的层高的比为1∶0.2～0.6。
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