行业应用 | 从火山喷发到玄武岩纤维：高温流变仪揭秘熔体黏弹性真相

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

✅ 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

▶ 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

✔ 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