异质体系中界面极化与介电弛豫负激活体积的压力依赖性机制研究

本研究针对固体物理学中罕见的介电弛豫负激活体积现象，通过宽带介电谱技术（BDS）研究水饱和多晶方解石/菱镁矿等异质体系，首次在介观尺度揭示了压力对界面极化弛豫频率的调控机制。团队基于有效介质近似理论建立两相固-流体系模型，阐明了极化与电荷传输的协同压力依赖性，成功预测负激活体积的成因与量级，为地震电信号解释和地下流体探测提供了关键理论支撑。

　　

在地球深部环境和工程材料领域，异质材料界面处的介电弛豫行为长期困扰着研究者。传统认知中，介电弛豫的激活体积υ^act
通常为正值，但水饱和多晶碳酸盐岩等体系却表现出反常的负值现象。这种"越小压力越活跃"的特性，不仅挑战了固体物理学的经典理论，更直接影响地震前兆电信号（SES）的解读和地下资源勘探的准确性。

为破解这一谜题，研究人员以多晶方解石（calcite）和菱镁矿（magnesite）为模型体系，通过宽带介电谱（Broadband Dielectric Spectroscopy, BDS）在0.1-2 GPa压力范围内系统检测了tanδ（损耗角正切）-频率谱演变。结合Wagner理论和Maxwell-Wagner-Sillars（MWS）两种有效介质近似模型，首次建立了压力-介电响应的定量关联框架。

关键技术包括：高压原位介电谱测量（303-370K）、基于有效介质理论的弛豫频率建模、激活体积计算公式υ^act
=kT[?lnτ/?P+γκ]的应用，以及固/液两相介电常数（ε_S
/ε_W
）与电导率（σ_W
）的压力导数分析。实验样本为水饱和的天然多晶矿物，电极采用银/铜浆以确保接触稳定性。

【压力对弛豫频率的影响机制】
通过分析tanδ峰位移动（图1-3），发现特征弛豫频率f₀
随压力升高向高频移动，直接证实υ^act
为负值。对于方解石-水体系，?lnf₀
/?P达+8.9 GPa^-1
，主要源于水电导率的高压敏感性（?lnσ_W
/?P=+9.2 GPa^-1
）远超固相介电常数的变化（?ε_S
/?P≈0.11 GPa^-1
）。

【两相模型的普适性验证】
无论是"矿物颗粒分散于水"（模型a）还是"水孔隙嵌于矿物基体"（模型b），理论预测的υ^act
/kT均为-8.1至-8.9 GPa^-1
，与实验值（菱镁矿：-20±4 GPa^-1
；方解石：-4.3至-5.9 GPa^-1
）量级相符。关键发现是：水的σ_W
压力响应主导了弛豫动力学，而孔隙率变化（?φ_S
/?P≈0.037 GPa^-1
）影响微弱。

【地球物理应用价值】
该研究首次从理论上解释了地震前出现的压力极化电流快速弛豫现象——当地壳压力增大时，岩石孔隙水的界面弛豫反而加速（τ减小），导致SES信号特征时间缩短。同时为诱导极化法（IP）勘探提供了压力-频率换算基准，使不同深度流体识别的谱图校正成为可能。

这项研究突破了介电弛豫仅在原子尺度呈现负υ^act
的传统认知，建立了介观异质体系的理论框架。尽管未考虑孔隙拓扑和双电层效应，但其核心结论已为地球深部电学响应预测和资源勘探技术优化提供了关键参数。未来结合纳米尺度界面表征，有望进一步精确量化复杂地质体系中的极化输运行为。