本期文章导读

正117高温高压下元素配分的原位实验与计算模拟研究进展作者:黄圣轩,巫翔*,秦善导读撰文:本刊编辑部高温高压下元素配分行为研究揭示了地球内部物质迁移、富集、分异的动力学过程,有助于解决元素成矿、超临界流体性质、地球及行星演化等基础地质问题,近年来成为地球化学研究热点之一。同步辐射微聚焦X射线荧光光谱结合金刚石压腔技术原位测试方法逐渐取     

地球内部高温超高压流体的水热金刚石压砧原位观测

地球内部极端条件下流体原位观测实验研究有了巨大进展。使用金刚石压砧结合各种谱学方法及同步辐射光源技术,在高温超高压条件下原位直接测量水和水合物结构性质,已经获得关于地球内部流体的分子-原子尺度信息的新实验数据。本次研究通过金刚石压砧对高压(10GPa)和高温高压(800℃/3GPa)NaCl-H_2O和NaCl-D_2O-H_2O的红外谱原位直测,研究了高压和高温高压下水分子结构。发现高压高温水分子OH振动频率随温度升高向高波数变化,而且,在临界态区域时水分子间的氢键网络破坏。水分子OH振动频率随盐度升高向高波数变化。水分子的其它方式运动的频率也随温度改变。实验说明了水分子在极端条件下的结构和运动方式。地球内部由深到浅,不同深度上的流体性质不断变化,如水的密度、介电常数等物理参数随温度压力改变,水的性质在临界态会出现突变。这些变化可以用高压高温的水的各种谱学特征来表征。水的性质取决于水的分子结构(键态)、分子振动方式。在跨越临界区时的水性质异常涨落与水分子结构变化、分子振动形式变化和氢键网络破坏有关。高温超高压流体原位红外谱观测实验是从分子尺度认识地球内部流体性质。水分子尺度的信息有利于我们深入理解地球深部流体性质、活动及物质相互作用,有利于理解岩石圈和地球深内部过程。     

上地幔超高压流体的金刚石压砧实验研究

地球深部流体主要是NaCl-H2O溶液,越到地球深部,它赋存的温度、压力越高,性质状态也不断变化,反之,亦然。当NaCl-H2O流体进入和脱离(上升过程)超临界状态时,其性质会发生截然不同的变化,影响着各种地质过程。使用金刚石压砧在高温高压下原位观测流体的实验,用谱学方法,结合同步辐射光源技术,成为定量化研究地球深部高温超高压流体的有效方法。作者使用同步辐射光源的红外谱研究了10GPa下的NaCl-H2O溶液;在地球化学动力学实验室研究了3GPa,650℃下的NaCl-H2O溶液红外谱,此测量方法可以提供温度压力和体积等数据,能研究其状态。NaCl-H2O溶液红外谱表明水分子主要振动谱受压力和温度影响是不同的。压力增加促使水分子主要振动谱向低波数变化。但是温度增加的效应相反。常温高压下水被压缩,结晶向紧密堆积变化。高温高压下的水有气、液、固和超临界流体各相。水分子间的氢键在近临界态开始减弱,氢键网络被破坏。     

特约主题:超临界地质流体的性质和效应

正编者按语:超临界地质流体在地球深部高温高压条件下形成,成分介于硅酸盐熔体和富水流体之间,具有特殊的微观结构和超常规的物理化学性质,能够在促成俯冲带物质循环、迁移富集元素成矿、引发中深源地震、影响地表宜居性演化等方面发挥关键作用。超临界地质流体研究已经成为国际地球科学研究的重要前沿方向。国家重点研发计划变革性技术专项"超临界地质流体的性质和效应"项目已于2019年9月启动实施,执行期5年。本专辑旨在系统总结和梳理超临界地质流体的研究现状,并     

地球内部熔/流体的分子模拟:进展与展望

目前对超临界地质流体的形成条件、成分、结构和物理化学性质的认识还不是特别清晰,分子模拟作为一种方兴未艾的理论研究手段,正在被广泛应用于地球科学领域。本文简述了目前采用分子模拟研究硅酸盐熔体、含水硅酸盐熔体、富水流体以及超临界地质流体所取得的主要成果,侧重讨论分子模拟方法在其中的应用,为超临界地质流体的计算模拟研究提供帮助,并展望了超临界地质流体分子模拟可能遇到的挑战和发展趋势。已有研究结果表明,不同分子模拟方法各有优缺点,相对于精度较低的经典分子动力学方法而言,采用一般泛函的第一性原理方法加上色散校正之后,可以满足目前对超临界地质流体研究的精度需要。另外,机器学习和第一性原理方法结合,以及建立相关热力学模型将是推进与超临界地质流体相关研究的有效途径。     

地球内部极端条件下流体和物质相互作用:透过金刚石窗口探测地球深部流体

报道关于地球内部极端条件下的流体实验研究的最新进展。使用金刚石压砧结合各种谱学方法及同步辐射光源技术,在高温超高压条件下原位直接测量物质的结构和性质,已经获得分子-原子尺度信息新的实验数据。本项工作使用金刚石压砧对高压(10GPa)和高温高压(800℃,3GPa)条件下的NaCl-H2O进行红外谱原位直测,研究了高压和高温高压下水分子结构,发现水分子的O—H振动特征峰频率随温度向高波数变化,而且,在临界态区域时水分子间的氢键网格被破坏。实验说明:地球内部流体性质由深到浅不断变化,如水的密度、介电常数等物理参数随温度压力而改变,在临界态出现突变。这些变化可以用高压高温的物质的各种谱学特征来表征。水的性质与它的分子结构、分子振动有关。在跨越临界区时水的性质异常涨落是由水分子结构异常变化、分子振动形式变化和氢键网格破坏所导致的。从分子尺度认识地球内部流体在极端条件下的性质和高压原位实验观测有助于我们进一步了解地球深部物质的性质及其相互作用,有助于认识深部过程。     

高温高压下元素配分的原位实验与计算模拟研究进展

地球内部元素的配分行为具有重要意义,有助于揭示地球内部物质循环、元素成矿、超临界流体性质等基础地质问题。同步辐射微聚焦X射线荧光光谱(SR-μXRF)结合金刚石压腔(DAC)技术,可以在高温高压条件下实现高准确度和高分辨率的原位(in situ)测试元素在不同物相间的浓度,并获取配分系数。而基于地球化学热力学的理论计算模拟,可以获得元素在不同物相间的赋存形式,有助于揭示元素配分机制。本文综述了SR-μXRF结合DAC技术和地球化学热力学计算模拟原位测定高温高压下元素配分的研究方法,及其在地球内部元素迁移、成矿作用和地球早期形成过程等领域中的应用进展,认为利用该套方法研究高温高压下元素配分行为的体系将变得更加复杂,对温度、压力条件则要求更高。本文旨在更新和丰富高温高压下元素配分系数数据,深化对地球内部物质循环等问题的认知。     

地球内部物质物性的原位高温高压研究:大体积压机与同步辐射源的结合

大体积压机(large-volume press,简称为LVP)与金刚石对顶砧(diamond-anvil cell,简称为DAC)是两种相辅相成的、在高压研究中不可或缺的重要技术。大体积压机在温压范围上较金刚石对顶砧小,但它具有更加均匀的温压环境以及高于金刚石对顶砧几千以至百万倍的试样体积。这些特色使大体积压机成为精确测量试样整体物性和系统研究复杂材料系列的理想工具。在过去的20年里,高压和同步辐射技术方面的进展使大体积高压研究取得了革命性的突破。文中选择近期地学界的一些重要科研成果和技术突破作为例子,力图对同步辐射和大体积高压技术在高温高压研究中的近期进展作综合评述,最后简略讨论了LVP的发展前景。     

自然界岩石样品中的超临界流体记录

超临界流体是有别于富水流体和含水熔体的一种低粘度、高迁移性和高元素携带能力的一类流体,在变质岩体系中,其形成的温压条件一般高于对应的H_2O-岩体系的第二临界端点。俯冲带岩石是自然界最有可能保存超临界流体活动记录的地方,而超临界流体的活动对于地球内部物质循环、俯冲带岩浆作用和俯冲带成矿等方面可以发挥巨大作用。目前对于天然岩石和矿床样品中超临界流体的识别仍处于经验推测阶段,缺乏定量的岩相学和地球化学指标。本文主要基于目前已有研究结果,介绍自然体系中超临界流体的地质特征,包括俯冲带超高压变质岩、高压-超高压脉体以及地幔楔岩石中的超临界流体记录,主要是一些多相包裹体及元素迁移变化的记录,最后讨论超临界流体的相分离与岛弧岩浆作用之间的关系。     

橄榄石的等温状态方程

利用金刚石对顶砧(DAC)高压装置产生高压,使用16∶3∶1的甲醇、乙醇和水混合液体作为传压介质,在室温下,40 GPa的压力范围内,对橄榄石(olivine)进行了原位高压同步辐射能量色散X射线衍射(EDXRD)研究。实验结果表明,在所研究压力范围内,采自张家口大麻坪天然新鲜橄榄石的结构稳定,未见相变和压致非晶现象发生。用Birch-Murnaghan方程对测得的V-p数据进行了数值拟合,当K′T0=4时,橄榄石的零压体弹模量为KT0=141.3±3.2 GPa。     

同步辐射激光加温DAC技术及在地球深部物质研究中的应用

实验室模拟地球深部的温度和压力环境,研究地球相关材料的物理和化学性质,是解释地震波数据、进一步了解地球内部结构和动力学过程的重要途径。用高功率的红外激光光束,加温金刚石对顶砧压腔(DAC)中的样品,可以获得深部地幔乃至地核的极端温度和压力条件,已广泛地用于地球深部矿物的相变、熔融和状态方程研究。同步辐射微束技术的发展,为激光加温DAC技术的应用开辟了新的领域,也使地幔及地核条件下的矿物研究有了重要的突破。文章介绍激光加温DAC技术的发展;阐述高温高压原位的同步辐射X射线衍射方法;例举激光加温DAC技术在地球深部物质研究中的一些应用;并对一些关键的技术问题加以分析和讨论。     

国外煤层气成因与储层物性研究进展与分析

从煤层气生成机制及其地质控制、煤储层孔隙结构与吸附/解吸行为、煤储层裂隙系统及其对渗透率的影响三个方面,有重点地总结了国外有关煤层气成因和煤储层物性研究的新进展。笔者认为:国外在煤层气次生生物成因、煤层气生成矿物金属元素催化作用、煤层气固溶态赋存形式、含气量测定不确定性、煤层气近临界和超临界吸附、吸附能及其非均质性、裂隙矿物成因及其对成藏过程的指示作用、煤储层渗透率随煤层气解吸的变化规律及其控制因素等方面的研究,极大地深化了对煤层气成因和煤储层物性的理解与认识;煤岩学、煤地球化学、岩石力学等的结合是国际上煤层气地质研究手段的重要发展趋势,而煤层气成因与特殊赋存形式、含气量精确测定与评价、超临界吸附与吸附能分布、解吸过程中煤储层渗透率变化特征及其地质控制等的研究,显示出国外煤层气成因和煤储层物性研究的重要前缘方向。     

金刚石与深部碳循环

深部碳循环是全球碳循环研究中不可或缺的部分。较之表层碳,人类对地球深部碳储库的储量、碳的迁移方式和交换量都缺乏清晰认识。作为来自地球深部的碳单质矿物,金刚石是研究深部碳循环的绝佳样品。近年来原位微区分析技术的突飞猛进为研究金刚石及深部碳循环提供了良好条件。文中对表层与深部碳交换、深部碳储库及金刚石矿物学性质进行了介绍,并通过金刚石及其包裹体的稳定同位素组成,探讨了金刚石的形成机制及含碳流体/熔体的性质与来源问题。     

超临界流体的研究进展及其对成矿地球化学研究的启示

本文综述了超临界流体的研究进展，结合多年从事矿床地球化学研究的经历，认为近年来蓬勃发展的超临界流体研究，尤其是超临界条件下的化学反应对于研究地球内部成矿元素的迁移、富集有重要的启示意义。另外，对超临界流体化学对成矿流体研究可能带来的新的研究思路和新的理论认识作了理论探讨。     

超临界地质流体的性质和效应

在地球深部(特别是俯冲带)的高温高压条件下,硅酸盐和水的相互溶解能力增强,可以形成成分介于常规硅酸盐熔体和富水流体之间的超临界地质流体。超临界流体的形成条件主要取决于岩石-H_2O体系的临界曲线、湿固相线和第二临界端点的位置。超临界地质流体具有特殊的物理化学性质,能够在促成俯冲带物质循环、迁移和富集元素成矿、引发中深源地震、影响地表宜居性演化等方面发挥关键作用。通过高温高压实验、分子模拟计算、天然岩石和矿床样品等手段研究超临界地质流体的性质和效应仍存在巨大挑战,亟需变革性实验和计算技术突破。     

超临界地质流体的性质和效应北大核心CSCD

在地球深部(特别是俯冲带)的高温高压条件下,硅酸盐和水的相互溶解能力增强,可以形成成分介于常规硅酸盐熔体和富水流体之间的超临界地质流体。超临界流体的形成条件主要取决于岩石-H2O体系的临界曲线、湿固相线和第二临界端点的位置。超临界地质流体具有特殊的物理化学性质,能够在促成俯冲带物质循环、迁移和富集元素成矿、引发中深源地震、影响地表宜居性演化等方面发挥关键作用。通过高温高压实验、分子模拟计算、天然岩石和矿床样品等手段研究超临界地质流体的性质和效应仍存在巨大挑战,亟需变革性实验和计算技术突破。     

试论地球内部流体与地质作用——现代地质科学研究思考

把以地球固体部分作为主要研究对象所建立起来的地质科学称为传统地质科学,它只在该学科研究的起点——沉积地质学和学科研究的最终目的——成矿地质学两个领域不自觉地将地球内部流体放到了重要地位,而在其间的绝大多数研究则忽略了对地球内部流体的讨论,在其原有的知识体系范围内已找不到关于地球内部物质和能量转移、转换等方面所存在的大量问题的解决途径和完整答案。现代地质科学的发展已经开始将地球内部流体作为主要研究对象,并将其贯穿到了所有地质学研究的领域当中。其基本出发点应是：地球内部流体广泛存在,并永不停息地运动着,它与固体地球部分同样重要,是现代地质科学研究的主要对象。它不仅在各种地质作用中起着极其重要的作用, 而且, 它基本上可以认为是一切地质作用的最初根源, 也就是说, 流体作用贯穿于一切地质作用( 包括构造活动、岩浆作用、变质作用、沉积作用、成矿作用、地质自然灾害等) 过程的始终。地球内部一切地质作用又通过地球内部流体有机地统一在一起。可将地球内部流体按其与特定地质作用的关系划分为具包含循环性质的初始流体、过程流体和终结流体三类。针对目前的研究大量地集中在过程流体和终结流体方面的现状, 在体现现代地质科学和传统地质科学本质区别的地质作用初始流体方面进行了系统整理和论述, 并提出了可能成为现代地质科学基础性学科的(地球内部) 流体统一地质学。     

超临界地质流体的形成条件

在地球深部的富水环境下(如俯冲带和岩浆热液体系)可以形成超临界地质流体。本文在阐明矿物-H_2O体系(近似二元系)和多组分岩石-H_2O体系的相图和物相关系的基础上,探讨了超临界流体的形成条件。对于以固相为主的变质岩体系,超临界流体的形成条件主要取决于湿固相线终点(第二临界端点)的位置。现有的高温高压实验结果表明,常见岩石-H_2O体系的第二临界端点压力至少为4 GPa。对于岩浆热液体系,临界曲线是判断超临界流体(或称浆液过渡态流体)是否能够形成的重要标准,F和B等元素的存在可导致超临界流体的形成压力降至1 GPa以下。对天然岩石和矿床样品的研究也可以为超临界流体的形成条件提供重要制约。总的来说,从长英质岩石体系到镁铁质体系,形成超临界流体的温度和压力升高。关于超临界流体的形成条件目前仍存在很多争议,需要通过开发新的实验技术予以解决。     

高压地学研究进展--第十届全国高压学术讨论会简介

从高压技术,地球深部物质组成、状态,高压物性和地球内（深）部流体等方面评述了第十届全国高压学术讨论会及在高压地学方面的进展,同时提出了在高压地学领域需加强研究的若干问题：①综合利用和改进实验技术;②加强超临界流体研究;③高压地质学的发展与其它学科紧密结合;④重视将高压研究的理论与实践相结合,更好地为国民经济建设服务。     

金刚石压腔（DAC）技术及其在地球科学中的应用

近几十年来金刚石压腔（DAC）技术被广泛应用于高温高压实验研究领域,它可以达到550 GPa的压力和6 000 K的温度。与其他静高压实验技术（大压力机、高压釜等）相比,金刚石压腔具有独特的优势,它不仅可以进行极端温压条件下物质的结构性质、相变及状态方程等研究,而且可以原位观测整个实验过程。文中简述了金刚石压腔装置的结构及温压测量方法,然后分别从物质相变、矿物溶解度、流体性质和组成、油气成因、稳定同位素分馏系数和布里渊声学测量等方面简要介绍了金刚石压腔技术在地球科学中的研究进展。随着实验技术的不断发展和更新,金刚石压腔技术将具有更广阔的应用前景。