2026-06-29 17:23:24, Anton Paar China 安东帕(上海)商贸有限公司
火山熔体(岩浆)的黏弹性性能直接决定了其是否会发生脆性破碎,从而控制喷发样式与相关灾害等级。
对于相对低黏度但仍可出现爆炸性喷发的玄武质岩浆而言,理解其固态–液态转变尤为关键。
硅酸盐熔体由不同交联程度的 Si–O 四面体组成;结构弛豫时间(Si–O 键断裂/愈合)是控制固–液行为的核心参数:
应变速率 慢于松弛时间 → 黏性液体
应变速率 快于松弛时间 → 弹性固体
此前研究多聚焦高 SiO₂ 流纹岩;本次工作首次利用振荡流变模式,对天然玄武岩熔体在宽温域内的黏弹响应进行系统约束。
样品与实验方法
✅ 样品来源:2023 年冰岛 Litli-Hrútur 火山裂隙喷发的新鲜熔岩流
✅ 主量成分:SiO₂ 48.26 wt%;Al₂O₃ 16.33 wt%;CaO 13.13 wt%;Fe₂O₃ 10.26 wt%;Na₂O+K₂O 2.23 wt%(典型裂隙喷发玄武岩)
✅仪器:安东帕高温流变仪系统FRS1800,同心圆筒测量系统,空气环境
图1:FRS1800
✅ 实验流程:
→ 样品先完全重熔
→ 冷却至目标温度
→(1500 °C → 1151 °C)
→ 在各温度台阶进行:
振幅扫描
频率扫描
实验结果
▶ 振幅扫描
储能模量 G′ 与损耗模量 G″ 在 ≥1% 应变后基本稳定
响应在较宽应变范围内呈线性黏弹区,无显著结构破坏
图2:在选定的超液相和亚液温度下,振幅扫描过程中的损耗模量G〃(方形)和储能模量G′(三角形)在大多数振幅下很稳定。
▶ 频率扫描
✔ 超液相态温度:1500 °C / 1189 °C 以上
复数黏度 ∣η∣ 与稳态旋转黏度一致,不随频率变化*
表现为牛顿流体(Newtonian response)
G″ ≫ G′,损耗因子 tanδ > 100 → 主导为黏性液体,弹性成分可忽略
图3:在超液体温度下通过频率扫描获得的复数黏度
图4:G′和G〃来自选定温度超液相和亚液温度的频率扫描
✔ 亚液相态温度:≤1189 °C,如 1151 °C
高频下黏度降低 → 剪切变稀(shear thinning)
G′ 明显增长,tanδ 下降 → 熔体进入黏弹性 regime(仍 G″ > G′)
弹性成分的出现 + 频率依赖性 ↔ 晶体析出 & 颗粒–颗粒 / 颗粒–熔体相互作用
图5:在亚液相线温度下通过频率扫描获得的复数黏度
核心结论
超液相态:玄武岩熔体 = 理想高黏度牛顿液体,无弹性贡献
亚液相态:出现可测 G′ → 黏弹性状态 + 剪切变稀
黏弹性并非仅靠黏度升高或 Si–O 聚合驱动;对低‑SiO₂ 玄武岩,关键是晶体分数与颗粒相互作用(类比剪切增稠悬浮液机制)
高应变率/高频与亚液相态晶体相共同控制岩浆脆–韧转变,对解释爆炸性玄武岩喷发具重要意义
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