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。     

金刚石压腔实验技术应用于生烃动力学研究浅析

金刚石压腔实验技术自发明以来就被广泛应用于高压领域的研究,成为高压下进行物质结构、性质等方面实验研究的重要方法。另一方面,生烃动力学近年来被广泛应用于含油气盆地烃源岩评价与勘探。文中对生烃动力学原理进行了介绍,对当前确定生烃动力学参数的热解实验装置进行评述,并对金刚石压腔实验技术应用于生烃动力学研究进行了分析。     

高温高压实验及原位测量技术

文中简述了高温高压实验技术及其发展现状,主要涉及高温高压实验装置及高温高压原位实验测量技术两方面内容。重点介绍了:(1)金刚石压腔、大体积压力机、高压釜等静态高压实验技术和动高压实验技术及其特征;(2)拉曼、红外、X-射线衍射及同步辐射等高温高压原位谱学研究;(3)超声波、布利渊散射、核共振非弹性X-射线散射等高压物质弹性波速原位测量技术研究现状及其进展;(4)金刚石压腔、大压力机中高温高压电导率的原位测量技术研究现状及其进展。     

Walker型28 GPa多面砧压机及其在地球科学中的应用

高温高压实验是除地球物理和地球化学方法之外, 研究地球深部物质和性质的重要手段之一.多面砧压机是广泛使用的高温高压实验设备, 主要用来研究上地幔温压范围内的实验岩石学和矿物相变动力学等问题.主要介绍中国地质大学(武汉)地球深部研究实验室新引进的Walker型28 GPa多面砧压机的原理和结构、压力标定方法和常用的压力标定材料, 并根据金属铋在2.55和7.7 GPa(25 ℃)的结构相变, 以及石英在3.2 GPa、1 200 ℃向柯石英的转变对多面砧压机18/12装置(八面体传压介质边长/碳化钨截角边长)进行了压力标定, 该装置可实现的最高压力和温度约为8 GPa和2 000 ℃.最后还探讨了高温高压实验在地球科学中的应用.      

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。     

同步辐射在矿物高压结构研究中的应用

本文介绍了同步辐射光源的特点、金刚石对顶玷(DAC)技术原理和相关的压力内标、传压介质、密封垫等问题，以及同步辐射光源与DAC技术结合在矿物高压结构研究中的应用，并以北京同步辐射装置(BSRF)高压站为基础，结合绿帘石的能量X射线(energy dispersive X-ray diffraction，EXED)实验，说明在高压原位实验过程中的制样、标压物质和20选择、数据收集和处理等问题。     

应用于地球深部物质科学研究的静态超高压实验技术

三十多年来静态超高压实验技术已发展成为实验压力、温度范围分别为1～550GPa,-256°～3500℃,主要应用于下地壳、地幔及地核物质的物理和化学性质研究,并已取得大量研究成果的一项实验技术。本文简要介绍了该项实验技术与地学领域其它高温高压实验技术的区别,以及静态超高压实验装置的两大系列——金钢石压腔装置和大腔体高压装置的特点和应用情况。并对这两大系列实验技术的发展前景和我国应有的对策进行了评述。     

高温高压微束衍射实验进展及其地学应用

同步辐射X射线微束衍射技术与静态高压装置(包括金刚石压砧设备和大腔体压力机设备)结合运用是研究高温高压下物质晶体结构、相变等的有效方法。金刚石压砧高温高压实验技术的发展体现在:在产生极端高温高压的同时,获得准确的实验温度压力值,采用充装气体传压介质等方法减小压力梯度,采用激光双面加温技术和改进激光光路以减小样品径向和轴向的温度梯度。大腔体压力机高温高压实验技术的发展主要表现在产生更高的实验压力,以及测试过程中使样品在一定幅度摆动以消除晶体生长和择优取向对衍射数据的影响。同步辐射X射线微束衍射技术的发展主要表现在更高亮度和更宽能量范围的同步辐射光源的使用、X射线聚焦技术的发展,以及角色散X射线衍射测试技术的进步。介绍了近年来高温高压微束衍射实验在地球科学领域所取得的一些最新进展,包括硅酸盐超钙钛矿的实验发现,铁的高温高压相变及熔融曲线、SiO2 超斯石英相变、橄榄石尖晶石相—超尖晶石相转变压力的精确测定等研究结果;认为硅酸盐超钙钛矿的进一步深入研究,水对地球深部矿物岩石力学性质及熔融行为的影响,高温高压下物质的化学反应性和地球深部元素的地球化学行为等,是今后高温高压实验研究的重要方向。     

同步辐射与高压矿物学研究

同步辐射(synchrotron radiation)装置是能产生极高亮度电磁波的一类大科学装置。利用同步辐射和金刚石压腔(DAC)技术,可以研究矿物在高压下的结构和物理性质及其变化。文章简要介绍了同步辐射光源及其特点,对DAC和高压实验技术的相关问题进行了说明,并基于北京同步辐射装置(BSRF)高压站的能量色散X射线衍射(EDXD)实验状况,对获得的部分高压矿物学研究成果,如钙钛矿CaTiO3、硬玉、钛闪石、电气石、绿帘石等矿物的高压结构和状态方程进行了回顾。     

叶腊石性质对金刚石合成技术的影响

叶腊石是在自然条件下形成的一种硅酸盐矿物,它在超高温高压技术的研究中常用作高压腔的介质,能较好地解决压力传递,固体高压密封,试样支承,隔热,电绝缘等问题,因而在金刚石高压合成中被广泛采用。在天然块叶腊石的形成过程中,由于其变质程度杂质成分和矿物理化性质不同,以及它在高压高温下发生的一系列矿物相变,导致其传压性能的不稳定和多变性。所以,研究叶腊石的性质与金刚石合成技术之间的关系,对于合成优质金刚石,具有重要意义。本文介绍有关试验研究情况。     

Indirect Measurement of Suction

This paper reports on indirect soil suction measurement methods. Indirect suction measurement techniques measure the moisture equilibrium condition of the soil instead of suction. The moisture equilibrium condition of the soil can be determined by primary means as in vapor pressure, secondary means as through another porous medium or tertiary means as in measuring other physical properties of the porous medium that indicates its moisture equilibrium condition. Indirect suction measurement techniques employing primary means include thermocouple psychrometers, transistor psychrometer and chilled-mirror psychrometer. Indirect suction measurement techniques employing secondary means includes the filter paper method and indirect suction measurement techniques employing tertiary means include thermal conductivity sensors and electrical conductivity sensors. These techniques have been widely used in engineering practice and in research laboratories. However, each of these techniques has its own limitations and capabilities, and active research into improving these techniques is ongoing in universities, research laboratories, and private sector. This paper outlines working principles, calibration, measurement, and application areas of these methods based on recent literature and practice.     

基于均匀混合假设的天然河道水质模拟方法

扩散质进入窄浅型河道后,通常采用有限差分法求解一维对流分散方程进行水质模拟,计算相对复杂。为简化计算,提出了根据河道断面特征等水力特性,将河道划分为若干单元,忽略不灵敏因子分散项对单元间扩散质交换的影响,并引入单元均匀混合假定,提出了基于均匀混合假设的天然河道水质模拟方法,建立相应的水质数学模型。算例表明,该模型运算稳定,与有限差分法模拟精度相当,但可大大简化并节省计算工作量。     

Research Progress on the Electrical Properties of Gas Hydrate-bearing Sediments

Electrical properties are important physical parameters of natural gas hydrate, and, specifically, resistivity has been widely used in the quantitative estimation of hydrate saturation. There are three main methods to study the electrical properties of gas hydrate-bearing sediments: experimental laboratory measurements, numerical simulation, and resistivity logging. Experimental measurements can be divided into three categories: normal electrical measurement, complex resistivity measurement, and electrical resistivity tomography. Experimental measurements show that the resistivity of hydrate-bearing sediment is affected by many factors, and its distribution as well as the hydrate saturation is not uniform; there is a distinct non-Archie phenomenon. The numerical method can simulate the resistivity of sediments by changing the hydrate occurrence state, saturation, distribution, etc. However, it needs to be combined with X-ray CT, nuclear magnetic resonance, and other imaging techniques to characterize the porous characteristics of the hydrate-bearing sediments. Resistivity well logging can easily identify hydrate layers based on their significantly higher resistivity than the background, but the field data of the hydrate layer also has a serious non-Archie phenomenon. Therefore, more experimental measurements and numerical simulation studies are needed to correct the parameters of Archie''s formula.     

基于主动加热型分布式温度感测光缆的土体导热系数测量方法

主动加热型分布式温度感测技术（AH-DTS）可通过植入土体中的光缆实现不同层位土体导热系数的分布式连续测量,但AH-DTS光缆导热系数测量方法的准确性和敏感性有待进一步研究。通过室内试验,对比了碳纤维加热感测光缆（CFHC）和铜网加热感测光缆（CMHC）的热响应过程,通过数值模拟验证了光缆结构对导热系数测量结果的影响。研究结果表明：（1）CFHC和CMHC的热响应过程可通过微分法分为光缆内部传热、纤-土过渡以及土体稳定传热3个阶段,光缆结构差异导致传热速率不同,使得CFHC导热系数测量初始时刻比CMHC提前100 s;(2)光缆尺寸与比热容差异下CFHC的升温值更高,相同测温精度CFHC的导热系数测量结果较CMHC更加稳定准确;（3）增大加热功率或延长加热时间均会提高CFHC和CMHC测量土体导热系数的准确性。研究成果为该技术的进一步完善和推广提供了重要依据。     

Comprehensive study on automation of toxic gas measurement

The condition of the ambient air must be continuously checked to detect hazardous gas leakage and ensure the safety of employees in hazardous gas production and storage areas. Detection and elimination of hazardous gas leaks can be done with various complex measurement, safety, and disposal systems. These measurement systems consist of different types of sensor and require control and monitoring system. This leads to high investment and operating costs. In this study, semi-continuous measurement system automation with a single set of sensors working by taking air samples from different points over specific periods has been designed to reduce investment, operation, and maintenance repair costs. In the design, the measurement points are divided into zones and codes in the automation system. Thus, it is aimed to keep a constant record of what the air sample is coming from and what its content is. As a result, it has been determined that it is possible to establish a measurement and automation system similar to existing hazardous gas measurement systems with less investment and operating costs. The proposed automation system has been applied in the industrial storage area. In addition, a cost analysis has been performed and compared with conventional systems.     

周期振荡法在低渗透测量中的应用研究

周期振荡法是一种新兴的多孔介质渗透率测量方法，具有测量周期短、稳定性好、精度高等优点。然而，由于缺乏对周期振荡法的系统研究，该方法未能在低渗透测量领域得到推广应用。采用数值模拟方法，分别研究了不同孔隙率、渗透率对周期振荡法气压测量结果的影响，以及不同形式周期波在周期振荡法渗透率测量中的适用性。结果表明：无论是孔隙率，还是渗透率都会影响气体压力传递过程；周期振荡法渗透率测量时可以不需要初始气压平衡过程，一定时间后测量结果几乎不受初始气压状态影响；与正弦波相比，方波对下游气体压力响应的影响更明显，而且方波、三角波和锯齿波具有容易加载的特点，建议采用方波取代正弦波进行周期振荡法试验。研究成果对指导周期振荡法试验和解决低渗透测量难题有一定帮助。     

次高温高压煤变形产气装置及试验

为了研究次高温高压条件下、在变形作用过程中煤是否发生化学变化而产生气体以及产气机理和规律,研制了一种次高温高压煤变形产气试验装置,并对装置密封、气体观测收集等关键技术难点进行了分析。该试验装置主要由加载系统、密封反应釜系统、温控加热系统以及气体观测收集系统4个部分组成。最大加载轴压为100 MPa,最高加热稳定温度200℃,试样尺寸为Φ50 mm×100 mm。该装置具有如下特点:气密性良好,并可长时间进行恒温恒压加载,最长可连续加载360 h;结构简单,易操作,成本低,系统可靠性高。试验初期,利用该装置对两种不同煤级煤进行轴压10~50 MPa,温度100℃和150℃的变形产气试验,得到不同温度、不同压力条件下煤的变形产气特征。试验结果表明,该试验装置为煤变形产气的相关试验研究提供了有效的手段,具有较大的实用价值。      

海堤下软基超孔隙水压力值的修正方法

当潮位的涨落引起上部堆载容重变化时，海堤下软基的超孔隙水压力将随潮位呈周期性变化．为了解软基的固结情况，必须对现场测试到的总孔隙水压力值减去静水压力后再进行潮位修正，即把任意时间任一潮位测得的超孔降水压力值修正到一个指定的同一潮位上，这样才能得到一个有规律性的观测曲线．本文提出了一种实用的修正方法，并在连云港庙岭围堰软基工程中应用，结果令人满意。     

钱塘江冲海积粉土剪胀性三轴试验研究

钱塘江两岸广泛分布着冲海积粉土.通过大量的三轴固结不排水CU和固结排水CD试验,探讨饱和粉土的应力应变性状和剪胀特性。试验表明,钱塘江冲海积粉土显著的特性之一是在剪切中膨胀,剪胀主要与粉土的密度和围压有关。CU试验中密(e=0.739～0.866)的原状样在围压600kPa范围内剪切膨胀,稍密(e=0.890～0.906)的击实样在围压低于400kPa剪切膨胀。由于粉土膨胀的本质不排水强度在剪切中保持增加,对于这种情况就没有惟一的"不排水强度";CD试验稍密(e=0.889～0.945)的击实样在围压低于400kPa时剪切膨胀。钱塘江冲海积粉土的剪切破坏要经历一个大的变形过程,固结排水剪切过程的应力应变性状可分为4个阶段。取应变继续而没有进一步体积变化的临界状态做破坏标准,确定粉土排水剪切强度指标较合理。