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。     

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。     

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。     

大别硬玉石英岩中金红石原位高温高压下晶体结构和OH的研究

本文通过金刚石对顶砧与拉曼光谱、红外光谱联用技术,原位模拟了金红石在高温高压下晶体结构及其OH的变化,从而了解俯冲带流体中金红石在地质过程中的行为及作用。实验证明,金红石在压力的作用下经历两次相变,分别为金红石型TiO₂结构→斜锆石型TiO₂结构（P=23.43GPa）→萤石型TiO₂结构（P=34.98GPa）,其结构在经历过超深俯冲后、折返过程中则以ɑ-PbO₂型TiO₂结构稳定存在。并且金红石晶体中的OH红外特征峰强度随着压力的增加而降低,从而显示在加压过程中金红石中OH含量降低,但直至地球深部超过600km（37.28GPa,约1200km）,其晶体中的OH也并未完全脱去。在高温高压实验中,金红石样品从常温常压条件加压、加温至P=4.01~4.08GPa和T=700℃时,金红石晶体的有序度、OH含量随着温度增加而降低,但至实验最高温压,晶体内部仍保留OH,其结构也稳定存在,因此金红石可以将水携带至深部约120km处。在降至常温常压的过程中,金红石中OH含量虽然增加,但并未恢复至实验开始时的含量,因此经历过快速俯冲、折返后的金红石中的OH含量无法代表金红石形成时的OH含量。     

D-DIA装置与同步辐射源结合技术及其在矿物高温高压变形实验中的应用

高温高压变形实验是研究地球深部组成矿物流变学性质的重要技术手段之一.D-DIA(deformation-DIA)装置是最近10年来兴起的一种新的高温高压变形实验设备,通常可实现的最高压力为15 GPa和温度约为2 000 K;而同步辐射X射线衍射已经广泛地应用到物质结构科学的研究中,二者相结合,能够有效原位地研究材料物质在高温高压下的流变学性质.以美国布鲁克海文国家实验室配合有同步辐射源的D-DIA装置为例,介绍该装置的基本结构、工作原理及D-DIA装置与X射线结合技术如何实现矿物高温高压下变形过程的原位观测及相关定量力学数据的获取.这一技术突破了传统流变仪的压力局限,为在更高压力(P＞4 GPa)条件下研究地球深部组成物质的高温高压流变学性质提供了有效途径.      

南大别高压-超高压过渡类型榴辉岩的确定及其构造意义

通过对大别山太湖地区榴辉岩的岩石学、矿物成分和峰期变质P-T条件的研究表明,南大别榴辉岩可分为:①高压榴辉岩;②高压/超高压过渡榴辉岩;③超高压榴辉岩。它们的峰期变质P-T条件分别为:T=570℃～680℃,P=2.00 GPa～2.40 GPa;T=650℃～810℃,P=2.70 GPa～3.20 GPa;T=760℃～980℃,P=3.50 GPa～4.00 GPa,表明三类榴辉岩形成于不同的变质环境中。其中高压/超高压过渡榴辉岩是本次研究新近确定的,该类榴辉岩无论是在变质环境,还是在岩石结构、成分特征方面,均显示了高压-超高压过渡变质的特征。这种榴辉岩的存在解释了南大别变质块体俯冲时的连续性和折返后的断块特征。     

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.      

地球深部物质弹性的实验研究

“地球深部物质弹性的实验研究”是1989年国家自然科学基金资助项目(编号:48970206)。在实验室模拟地球内部的高温高压条件下,对矿物岩石进行就位弹性波速测量是开展本项目研究的主要方法。由于实验技术难度大,到目前为止已发表的较系统的高压波速测量的数据大多是在室温下获得的,压力范围多在1.0GPa以下。为了提高弹性波速测量的压力和温度范围,获得与地球内部物质更接近的弹性波速的实验数据。三年来该课题组全力以赴,首先对原有的YJ—3000吨压力机的静态超高压大腔体实验设备进行了技术改造。使其温度、压力控制系统实现了自动化,大大改善了升降压、升降温过程中高压腔体的压力温度品质。在此基础上,根据自己实验设备的特点,设计和安装了高温超高压超声脉冲法波速测量装置和样品组装方式。经过反复实验和改进,获得了高压同时加热条件下清晰的超声波图形。并将全波震相分析理论应用于图形的识     

热液金刚石压腔 (HDAC)在地质上的应用及甲烷水合物合成实验研究

热液金刚石压腔 (HDAC)是 2 0世纪末发展起来的一种高温高压及低温高压实验技术。它可在 - 180～ 12 0 0℃ ,10 0～ 10 0 0 0MPa水热体系进行实验 ,并具直观实验全过程的特点。文中首次运用HDAC在水体系中对哀牢山花岗岩进行了熔融实验 ,在显微镜下观察到花岗岩熔融过程 ,其初熔温度为 712 88～ 714 87℃ ,压力为 2 2 5MPa ,熔融温度为 759 54～76 0 0 0℃ ,压力为 30 0MPa。重点介绍了国外运用HDAC进行冰的高压相、水体系中伟晶岩矿物溶解、可燃有机岩、石油及岩石热解、高压下矿物包裹体均一温度测定及甲烷水合物合成实验研究新成果。甲烷水合物在永久冻土带及大陆坡、海底高原、海底沉积物等地质环境广泛分布 ,储量大 ,可成为 2 1世纪人类使用的新能源。目前世界主要国家的科学家除致力于该资源勘探外 ,还运用不同方法进行甲烷水合物的合成研究 ,以了解其形成条件及性质。开发和应用甲烷水合物具有重大意义 ,为促进我国此项工作开展 ,文中作了重点介绍。     

高温高压下钠长石集合体热扩散系数的实验研究

钠长石是组成地壳最重要的矿物之一,对其高温高压条件下导热性质的研究有助于认识地壳的热结构。本研究以高温高压瞬态平面热源法为基础,测量了钠长石集合体在0.5 GPa,1.0 GPa,2.0 GPa和285~973 K的热扩散系数。实验结果显示钠长石不同温度下的热扩散系数的压力系数介于4.8%~9.2%/GPa间,较其它硅酸盐矿物的4.0%高很多。在深部地壳环境下,由于压力的效应可以使钠长石的热导率比常压下高17%,因此在基于钠长石热导率计算地壳热结构时需要考虑压力的效应。     

白钨矿的原位高压X射线衍射研究

使用金刚石对顶砧高压装置(DAC)和同步辐射光源,对天然白钨矿进行了原位高压能量色散X射线衍射(EDXD)研究,实验最高压力为16.0 GPa.在实验压力范围内观察到了一次白钨矿结构→钨锰铁矿结构的可逆相变:压力小于5.3 GPa时为白钨矿结构(I4_1/a),在5.3～12.3 GPa压力区间内为白钨矿结构与钨锰铁矿结构(P2/c)并存,大于12.3 GPa时完全相变为钨锰铁矿结构.从键长、配位数和配位多面体角度对白钨矿→钨锰铁矿结构的相变机制进行了解释.     

透视石的原位高压单晶X射线衍射研究

采用同步辐射光源和金刚石对顶砧(DAC)技术,对透视石进行了室温下的原位高压单晶X射线衍射研究。实验的最高压力为11.7 GPa,在实验压力范围内,未观察到透视石发生相变。随着压力的升高,晶胞体积逐步被压缩,体积压缩率符合三阶Birch-Murnaghan状态方程,拟合获得体模量K0为114.6(5.3)GPa。压力低于9.3 GPa时,c轴的压缩率大于a轴;在9.3~11.7 GPa压力范围内,限制于透视石结构中的水分子在高压下会阻碍硅氧四面体六元环沿c轴方向的扭曲变形,导致c轴的抗压性增强,最终a轴与c轴的被压缩程度趋于一致。通过分析多种含水环状硅酸盐矿物的高压行为,发现高压下结构中水的存在形式对含水环状硅酸盐矿物的弹性性质有重要的影响。     

地壳俯冲与折返过程的变质作用演化:来自高压-超高压榴辉岩相平衡模拟的证据

本文以大别山双河柯石英榴辉岩为基础,在NCKMnFMASHO体系中计算了P-T、T-M(H₂O)和P-M(H₂O)一系列相图。这些相图表明在地壳冷俯冲(地热梯度约为6℃·km^-1)过程中饱和水的变质基性岩通过脱水反应导致矿物组合演化,随着P-T条件增加,约在2.2GPa(80km)处,绿泥石被滑石取代,在2.4GPa处,蓝闪石消失,在2.5GPa处,滑石消失,在2.9GPa(105km)处,硬柱石消失。相应地可出现硬柱石蓝片岩、蓝闪石-硬柱石榴辉岩、硬柱石榴辉岩和多硅白云母榴辉岩等高压-超高压组合。俯冲基性岩中即使含有很少量的水(如0.3%~0.5%),都会在超高压硬柱石榴辉岩相条件下达到饱和。因此硬柱石会广泛出现于经历冷俯冲地壳的变质基性岩中。高压-超高压榴辉岩的折返过程受折返温度及峰期矿物组合的控制。当峰期矿物组合中含有硬柱石(±蓝闪石±滑石,T=540~600℃)时,其早期折返发生在硬柱石稳定域,受脱水反应控制,难以保存峰期矿物组合;晚期折返发生在绿帘石稳定域,岩石处于流体缺失状态,有利于保存硬柱石消失后的高压矿物组合。当峰期矿物组合中含有绿泥石、硬柱石和蓝闪石时(T<540℃),其折返过程中的脱水作用仅发生在硬柱石与绿帘石共生的狭窄区域,在硬柱石稳定域的早期折返与绿帘石稳定域的晚期折返阶段,都不发生脱水作用,岩石处于流体缺失状态,因此,虽然峰期形成的硬柱石难以保存,但峰期形成的其他矿物可能仅受轻微改造。当硬柱石消失 (T>600℃) 后,多硅白云母高压-超高压榴辉岩中含有很少量水,在早期折返过程中的很大压力范围内,岩石保持水含量不变,更容易保留峰期矿物组合。高压-超高压榴辉岩在减压至1.5GPa以下时,由于外来流体注入,发生部分水化,形成含有钠钙质、钙质角闪石榴辉岩, 它们一般不是平衡矿物组合。榴辉岩中名义上的无水矿物在减压过程中释放的水有助于榴辉岩部分水化,但不足以形成水饱和的斜长角闪岩。     

大别-苏鲁榴辉岩带的岩石学、变质作用过程及成因研究

秦岭-大别-苏鲁高压超高压变质带是华北与扬子板块俯冲碰撞作用的产物。以榴辉岩为代表的高压超压变质岩的研究将为整个造山带形成与演化历史的建立提供重要信息。本文对分布于大别和苏鲁地区的榴辉岩进行了地质学、岩石学、矿物化学及年代学研究,获得了以下认识:(1)榴辉岩可分成低温高压榴辉岩和超高压榴辉岩。超高压榴辉岩分布于前寒武纪的大别、东海、胶东和胶南变质杂岩之中,低温高压榴辉岩分布于中晚元古代的红安群、松宿群和苏家河群变质岩系之中。在大别山地区,超高压榴辉岩、高压榴辉岩,以及绿帘-蓝片岩成带状,从北到南依次平行于造山带展布。(2)大别山地区的高压榴辉岩变质作用的温压条件是:450-550℃,1.4-1.6GPa。超高压榴辉岩变质条件是:650-870℃,>2.7-2.9GPa,苏鲁地区的超高压榴辉岩是820-1000℃,>2,8-3.1GPa,榴辉岩的形成温度从西向东逐渐升高。(3)榴辉岩经历了绿帘角闪岩相→榴辉岩相→角闪岩相→绿帘-角闪岩相或绿帘-蓝片岩相→绿片岩相5期变质作用。超高压榴辉岩变质作用PTt轨迹呈顺时针方向旋转,进变质作用为缓慢升温显著增压过程,退变质作用早期为近等温迅速降压过程,中期具近等压降温特征,晚期为近等温降压过程。(4)大别-苏鲁地区至少经历了两期高压变质作用,加里东期夹持于华北与     

高温高压下氯化钠化学反应的拉曼光谱表征

氯化钠(NaCl)是一种典型的离子化合物,它的高温高压行为研究对高压物理和化学具有重要的基础和应用意义。为探索NaCl在高温高压下的化学反应性,我们利用金刚石压腔高压装置和双面激光加热技术在85 GPa压力范围内对NaCl样品进行(1800±300) K高温处理,并对淬火后的样品进行拉曼光谱测试。实验结果表明,在压力大于31 GPa时, NaCl分解为斜方结构的NaCl_3 (Pnma)和四方结构的Na_3Cl (P4/mmm)。NaCl高温高压下分解产生非1∶1化学配比的NaCl_3和Na_3Cl等非常规化合物,表现出与传统认识截然不同的高温高压性质。这一化学反应表明高温高压下Cl-Cl共价键、Na-Na金属键与常规Na-Cl离子键竞争的结果,可能更有利于NaCl_3和Na_3Cl组合的稳定出现。金刚石压腔实验中NaCl样品层中存在较大温度梯度,使得样品体系处于一种非平衡状态,这种非平衡态可能是本研究中观察到NaCl发生分解反应的关键。另外,样品体系中用作激光吸收材料的过渡金属氧化物的催化作用可能是促进NaCl分解的另一个因素。高温高压下Pnma-NaCl_3化合物的稳定出现,表明地球下地幔深处氯元素也许可以以三氯聚阴离子(Cl_3~-)形式存在,这种可能的独特赋存方式可以为理解地球演化过程中Cl以及其他卤素元素的分配分异行为提供不同的视角。     

大别—苏鲁高压变质带中榴辉岩的多样性及其成因

最近的研究表明,大别—苏鲁高压变质带中的榴辉岩是多种多样的。与蓝片岩共生的C类榴辉岩可能由俯冲洋壳经低温高压变质作用(t=523℃,p=1.2—1.5GPa)形成;与片麻岩共生的B类榴辉岩则可能是在陆-陆碰撞过程中由俯冲陆壳中的基性成分岩石经原地高温(超)高压变质作用(t=651—828℃,p=1.2—3.8GPa)形成;侵入于B类柯石英榴辉岩中的脉状榴辉岩(A类)可能是在相对高温高压条件下(t=769℃,p>1.8GPa)由偏超基性岩浆直接结晶出来的。这些不同类型的榴辉岩不是一次简单高压变质事件的产物,表明华北—扬子板块边界经历了漫长而多期次的演化历史。     

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。     

大别山西段含蓝闪石-蓝晶石榴辉岩的相平衡研究

目前对于大别山西段超高压榴辉岩仍存在一些不清楚的问题和模糊的认识,如蓝闪石和蓝晶石组合的稳定范围,峰期温压条件和矿物组合,以及早期退变质过程的矿物演化和流体作用。本文对取自大别山西段新县高压-超高压榴辉岩单元内不同地点的超高压榴辉岩样品进行了详细的岩石学和矿物学研究,在此基础上使用相平衡定量分析方法的 PT 视剖面图对它们进行了正演模拟计算,结果表明:含蓝闪石和蓝晶石榴辉岩处于相对低温或低压的蓝闪石榴辉岩和相对高温高压的蓝晶石榴辉岩的过渡区,其稳定的温压范围大致为温度590～700℃,压力1.7～3.3GPa,而且压力大于2.5GPa 时温度范围很窄,为600～640℃。由石榴石边缘成分和 PT 视剖面图确定的榴辉岩峰期温压条件为压力2.85～2.95GPa 和温度625～630℃,峰期矿物组合为石榴石 绿辉石 蓝闪石 蓝晶石 硬柱石 柯石英±多硅白云母。峰期之后,榴辉岩经历了快速近等温降压(ITD)的早期高压退变质作用,这是一个非平衡过程,所发生的主要变化如下:柯石英→石英,硬柱石→黝帘石 蓝晶石,在相对富镁岩石中出现滑石,当水含量较高时可以出现钠云母,蓝闪石在原来基础上有一定量的生长,并且绿辉石和多硅白云母很可能只部分地发生了成分变化,而石榴石几乎未发生改变。这样形成了目前观察到的矿物组成为石榴石 绿辉石 蓝闪石 蓝晶石 黝帘石/绿帘石 石英±多硅白云母±钠云母±滑石,它代表了 UHP 榴辉岩在早期高压退变质阶段结束时所具有的矿物组成,这一阶段结束时的温压条件大致为2.0～2.2GPa 和600～630℃;早期高压退变质阶段是脱水过程,流体是内部缓冲的。     

1.0GPa和常温至1100℃条件下角闪石斜长片麻岩的Vp变化: 实验测量与理论计算

在1.0GPa、常温至1100℃条件下测量了角闪石斜长片麻岩的纵波速度（V_p）,并统计了不同温度实验产物中各种矿物的体积百分含量。结果显示,1.0GPa下,角闪石斜长片麻岩的V_p首先随温度升高（室温至700℃）缓慢降低约6％,然后（700~850℃）快速降低约6％,再（850~950℃）转而急剧升高15％~25％,最后（T>950℃）又快速下降。实验产物分析表明在高温高压下α石英-β石英相变和岩石部分熔融是岩石V_p异常变化的主要因素。由取样产物的矿物含量和弹性参数,计算了各温度条件下岩石的V_p,得出与实验测量相同的波速-温度变化趋势,即V_p随温度升高先缓慢降低,接着快速降低后又急剧升高,最后又快速减小。实验测量和理论计算对比研究表明,通过高温高压下岩石中的物相变化观测结果进行岩石波速的计算,是检验岩石弹性波速测量结果和研究地球内部地震波结构的一种有效方法。     

地幔不同深度单斜辉石含水量的高压实验

在1.5~5GPa、1100~1200℃条件下开展了含水大陆碱性玄武岩的熔融实验研究。通过红外光谱分析其中单斜辉石的结构水,计算得到其量为1173(153)×10-6～2049(197)×10-6。结果表明:当P<3GPa时,随着压力增大,单斜辉石的含水量逐渐增加,在3GPa附近达到峰值,之后随着压力的增大单斜辉石含水量又逐渐减少。单斜辉石含水量随压力的这种变化关系可能受单斜辉石中Al含量的影响。该研究为了解上地幔不同深度处水的分布提供了实验证据。