地幔物质的性质,状态与演化及相变动力学研究进展

近年来，借助于高温高压实验技术，地球科学家们发现构成地幔的许多矿物随着压力的增加会发生矿物结构的改变，由此可以推断出深地幔矿物存在形。这些相变地幔主不连续面的形成有关，因而对相变的热力学及其相变动力学的研究可以为地幔对流及其热演化提供约束条件。     

基于假三元模型的透辉石-硬玉固溶体热力学性质计算

自然界中矿物多以固溶体形式存在,据其晶体化学特征计算热力学性质是开展矿物成因理论研究的基础。本文引入描述二元矿物固溶体热力学性质的假三元模型,计算得到了透辉石-硬玉固溶体系列的热力学性质。该模型通过构造一种高度有序的中间相,同时考虑长程和短程有序效应,基于热力学平衡态矿物固溶体自由能最低的规律,可以计算特定组分下矿物的平衡自由能、焓和熵等热力学参数。本文针对透辉石-硬玉固溶体体系,取绿辉石为其中间有序态,计算了其活度-成分关系和温度-组分相图等,发现绿辉石随温度升高的有序无序相变为一级相变,相变温度为1 148±25 K,与实验研究结果一致。本文获得的透辉石-绿辉石-硬玉体系的热力学参数可用于视剖面图方法研究MORB成分的岩石的榴辉岩相变质作用过程。     

流体的热力学前缘研究

总结了当前国内外关于流体的热力学前缘研究领域如下：（１）流体体系的ｐ－Ｖ－Ｔ－ｘ相关系研究，主要对象是Ｈ２Ｏ－ＣＯ２－盐类多组分体系高温高压下相图的实验和理论研究。（２）矿物在流体中的溶解度及溶解后在流体中溶解类型的形式和热力学性质——平衡常数（或Ｇｉｂｂｓ自由能）及各种偏摩尔性质的研究。（３）流体热力学模型化研究，已研制出大量的计算机软件，包括多种矿物、溶解类型的热力学数据库和模拟热液平衡、矿物溶解性质、反应路径和水—岩相互作用的实用程序。（４）超临界流体的相关系和化学反应等有许多特殊的性质，对认识地球内部的演化将有重要意义。（５）新技术新方法的发展，使分析单个矿物包裹体成分变成了现实。     

地球内部矿物相变及其地质意义

地球内部矿物相变主要包括固—固相转变和固—液 (熔体 )相物态转变。相变对矿物和岩石的物理性质有重要影响 ,会导致电导率、弹性波速、热力学、流变学参数的异常和产生相变磁效应等。相变具有重要的地质意义 ,可用于建立地幔矿物模型剖面 ,为地震波速不连续界面提供解释并且深刻影响地球深部的物质运动 ,包括导致地震和火山喷发。     

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。     

含氧酸盐矿物生成自由能的计算

地质科学近年来发展的一个重要方向是热力学理论和热化学方法的应用。在地质领域内应用热力学理论的基础是矿物及有关化合物的热力学性质(或热化学数据)。     

矿物学研究的新进展

概括述评了近年来矿物学的重要进展和发展趋势,重点对矿物显微构造分析、矿物环境研究、天体矿物研究、粘土矿物研究和矿物应用研究作了详细介绍。也对新矿物、矿物相变热力学、矿物结晶学、矿物计算物理学、矿物测试新技术和矿物化学同位素分带研究等做了简要介绍,最后指出矿物学研究的5个趋势。     

从深海生物看矿物成因

受大洋中脊火山喷气孔附近有深海生物生存现象的启发 ,根据吉布斯自由能理论得出了矿物晶胞体积与温度、压力和组分相关的热力学公式 ,该公式可用于矿物成因的研究。     

相变储能矿物材料研究现状及其展望

相变储能材料因为储能密度高,热导率大,相变过程近似恒温等特点,所以被公认为是一种很有前景的储能材料。在相变储能材料中,矿物储能材料占有重要地位,被广泛应用于太阳能存储、工业余热回收和各种控温领域。本文首先介绍了相变储能材料的一般概念,然后以矿物材料为重点,总结了常见的相变储能矿物材料和矿物复合相变储能材料的来源、物化性质、功能等。最后回顾了目前相变储能矿物材料的主要应用领域,指出目前相变储能矿物材料研究过程中有待解决的问题,并展望了其应用和发展前景。     

α与β石英相变的对称分析

晶体的空间群对称包含了大量晶体结构的信息,在相变前后晶体的空间群对称不同,相变的方向不仅受热力学限制,还受对称性限制。朗道的二级相变理论认为,相变是晶体中某种位移的不断增大产生的,位移的变换性质与诱导相变的不可约表示一致,因而原子位移的线性组合可以象一个矢量那样变换。当然对有序无序相交,是微观几率密度的改变,这时密度变量就象一个矢量那样变换。按照朗道的相变理论,晶体的自由能在相变点附近可展开为序参量的级数,随温度逐渐降低,序参量由相变点的零值逐渐增加,在任何温度点,晶体的自由能都给出极小值,因而     

二氧化硅新物相-斜硅石的研究现状综述

斜硅石(moganite)是1999年才在国际上被正式承认为二氧化硅的新矿物种类,科学家们对其的研究还不深入。本文综述了斜硅石的晶体结构、高温热力学行为、物理化学性质以及理论计算的研究现状。同时,结合当前研究进展,讨论了斜硅石研究中亟待解决的关键科学问题,并且阐述了斜硅石研究的重大科学意义。斜硅石广泛存在于石英共生矿物中,目前纯相斜硅石还没有被发现。斜硅石有较高的含水量(约2%~4%),主要以自由水和羟基的形式存在,特别地,羟基以缺陷的形式存在于斜硅石晶格中。在高温热行为方面,斜硅石在570 K发生I2/a—Imab的可逆结构相变,类似石英中由软模驱动的α-β位移型相变,然而,由于目前缺少直接的实验证据支撑,其相变机理仍悬而未决,对于斜硅石在二氧化硅相图中的位置仍不明确。地质学上,斜硅石被认为是矿物在蒸发环境下结晶的证据,在成岩过程中具有十分重要的作用。尽管斜硅石在众多二氧化硅矿物中均被发现,但对于斜硅石在其结构演化中的关键作用仍不清楚,认识斜硅石在这些地质过程中的科学价值,需要了解其高温、高压特性和稳定性,而该方面的研究有待深入开展。     

变质岩平衡热力学的理论框架

变质岩石学研究定量化是近来变质地质学研究的一个重要方面,变质作用PTt轨迹研究就是这方面的突出例子。所有这些定量研究都涉及到平衡热力学的一些基本概念和理论方法。我们按照平衡热力学逻辑发展纲要,结合变质岩石学的研究现状,建立了变质岩石学中平衡热力学框架。在这一理论框架中不仅对一些重要基本概念和方法作了介绍,更侧重阐述了不均匀体系中独立组分变量和独立体系变量的特点和相互关系,以及这些变量在变质岩定量研究至关重要部分。在此基础上,简单介绍了近来发展的热力学数据库、平均温度压力计算、成因格子建立和环带矿物推算PT轨迹的基本思路和所涉及的方法,这对了解和应用这些知识有着重要意义。     

储层孔隙系统“水—岩”反应结晶动力学研究进展

“水—岩”反应作为储层成岩作用研究的重要组成部分,其研究结果对解释储层非均质性成因机制、综合评价储层品质等方面都具有重要意义。近年来随着基础理论、分析测试手段、物理实验方法和模拟技术的进步,该领域研究取得了诸多进展。成岩物理模拟实验的进步实现了对流体—围岩/矿物体系“水—岩”作用过程的宏观尺度观测和研究,也明确了各物理化学参数对体系内矿物溶解—结晶过程的影响,但分辨率限制了其在微观（纳米）尺度解释许多现象成因机制和约束条件方面的应用。晶体生长理论的建立和发展为解释储层孔隙系统中“水—岩”作用过程的结晶动力学原理奠定了基础,特别是近年来伴随纳米科技而发展起来的各种在线和非在线测量技术大大提高了储层孔隙系统结构和内部晶体生长情况的观测精度,将“水—岩”作用研究分辨率提升至纳米级,这为从微观尺度了解孔隙系统中流体—矿物体系的溶解—结晶（沉淀）相平衡过程及其控制因素提供了方案。储层孔隙系统中流体的结晶动力学行为与孔隙介质和流体性质密切相关,是成核自由能、矿物表面电化学特征、传质速率等多因素综合作用的结果。对不同成岩环境和孔隙系统中孔隙流体结晶动力学行为的系统研究,有助于了解孔隙系统空间结构、底衬表面化学特性、表面能效应等对矿物晶体成核生长与溶解过程的影响,为进一步深入解释储层非均质性的结晶动力学原理奠定了理论基础。     

矿物在超临界溶液中的溶解度理论计算

本文概述了矿物在超临界溶液中的溶解度理论计算。讨论了平衡常数法和自由能法的热力学原理和计算机方法。两种方法都需要热力学数据,所不同的是平衡常数法需要的是反应平衡常数,而自由能法需要物种自由能数据。方法确定以后这些数据具备与否及其精度是这项研究的关键。此外当溶液中离子强度较大时,寻求一种适当的活度系数算法对溶解度理论计算也至关重要。     

矿物和熔体热力学研究的新进展

这里,我们怀着极大的兴趣来回顾日益发展的矿物和熔体热力学,其原因不仅仅是因为该学科中观念和技术上的进步,而且还因为这样一个事实:日趋成熟的地球化学和岩石学理论使我们意识到平衡热力学还不足以用来描述地球化学过程中的机理.这方面的详细研究,需要不可逆热力学或者动力学理论,在许多情况下,还需要被研究体系的流体动力学理论.     

玄武岩制备连续纤维熔融反应热力学研究

玄武岩纤维由天然岩石直接熔融拉丝制备而成，性能优异，其原料调控对纤维制备和性能提升有重要影响，熔融反应的热力学分析是研究原料特征的重要手段。本文以代表性玄武岩样品为原料，分析其矿物组成，进而构建复杂硅酸盐体系热力学模型，研究其在1400℃时的熔融反应热力学。结果表明，单一矿物如长石、辉石熔融反应的吉布斯自由能为负值且相对较小；钛铁矿、磁铁矿、磷灰石等矿物熔融反应的吉布斯自由能为正数。所选玄武岩样品熔融反应的吉布斯自由能为-225～-257 kJ/mol,表明可自发进行；样品熔融过程的理论能耗为2.4～2.5 GJ/t,接近某些玻璃纤维池窑工艺能耗(考虑窑炉热效率)。纤维的制备条件和性能参数与原料的成分关系密切，以直径约9μm的纤维为例，其拉丝温度及缠绕机线速度等条件各不相同，纤维表面光滑，断裂伸长率约3%～4%,弹性模量59～66 GPa,抗拉强度1700～2400 MPa;采用Giordano的模型，计算出不同原料成纤粘度(lgη)约0.70～1.21 Pa·s。本研究的热力学模型及实验结果可为玄武岩纤维制备的原料优选、能耗计算、条件调控及性能预测提供参考。     

含铬镁铝榴石的晶体场光谱和红外光谱

一、引言矿物的晶体场光谱(也称光学吸收光谱)、红外光谱以及穆斯堡尔谱的研究,在理论上和实际上都具有重要意义。矿物的晶体场光谱,可以给出过渡族离子的晶体场分裂和晶休场稳定能,从而研究位置分布及阳离子有序—无序状态和解释热力学性质;根据过渡族金属离子的晶体场稳定能,可以对过渡金属离子在地壳中的分布做出合理的解释。矿物     

地幔转换带:地球深部研究的重要方向

地幔转换带是联系上下地幔的纽带,对于认识整个地幔的组成和演化、地幔对流、岩石圈深俯冲及深源地震等地球深部动力学问题具有重要意义。一般认为,转换带地震不连续面主要与橄榄石的高压相变密切相关。最新的高温高压实验研究表明,地幔中非橄榄石组分的相变,如辉石和石榴子石的相变,对不连续面的深度和宽度以及转换带内的波速和密度梯度也起到很大的影响。另外地幔全岩成分、端员组分、温度和水也对相变和不连续面具有重要影响,这些精细的实验研究成果更好地解释了转换带地震不连续面一些相对局部的性质和变化,促进了我们对地球深部性质和动力学过程的了解。因为缺少直接来自地球深部的样品,而地球物理和地球化学研究也有它们的相对局限性,所以高温高压实验仍然是我们了解地球深部成分和性质的重要手段之一。     

矿物热分解动力学的研究方法探讨

:矿物分解动力学的研究可以大大提高我们对地质作用过程中矿物生长、元素和流体迁移等过程的了解。本文在介绍固相反应动力学原理的基础上 ,讨论了常压下研究矿物分解动力学的热重分析法和电导率法 ,指出精确确定高压下的反应分数 ,是研究高压下矿物热分解动力学的关键。提出了高压下确定反应分数的方法。     

从平衡-封闭-静态转向非平衡-开放-动力学研究-热液矿床成因的若干新概念概述

热液金属矿床成因研究过程中,观测与实验始终是密切结合的。上世纪70年代,平衡热力学的实验数据的快速积累,使人们用热力学理论计算可以预测和反演矿石和岩石的成因。但是,没有矿物-水溶液的反应速率数据,又没有与流体力学的结合,搞清楚矿石成因是困难的。七、八十年代,开始研究矿物与水溶液的反应动力学实验。科学家们开始瞄准了从平衡-封闭-静态转向非平衡-开放-动力学研究的这个大方向。1992年我们建立地球化学动力学开放研究实验室。研究高温高压矿物与水反应速率,发现固液的开放体系的自组织现象。实验发现温度影响矿物的各个元素反应速率改变,发现在跨越水临界态时矿物与水反应速率涨落、在近临界的气-液两相不混溶区一些金属进入气相、超临界流体的氧化作用及特别的溶剂性能影响矿物溶解性质。实验证实:临界态区流体与矿石成因有关。水岩相互作用的反应动力学实验温度从低温到550度,揭示矿石的金属来源、迁移、金属与蚀变分带机制。一大批大于300度的矿物与水反应动力学实验在国际界是少有报道的。九十年代,超高压的科学发展,与同步辐射光源的技术进步的结合,使固体地球科学又迈向了地球深内部。我们发展了高温高压流体性质的原位直测(测量850℃水溶液)红外谱,发现深部流体的新性质:气液两相流体的新结构,在临界温度区(300~400℃),水分子氢键网络的破坏受压力影响不大(23MPa~3GPa),同时,出现水的高电导率。研发新仪器为开放-流动-非平衡的反应动力学实验与极端条件下物质性质的直接观测结合,在科学前沿领域开辟了创新道路。