蓝柱石的高温X射线衍射、差热-热重分析、偏振红外光谱和高压拉曼光谱研究

通过高温X射线衍射(XRD)、差热-热重分析、偏振红外光谱和高压拉曼光谱研究了江西大余的蓝柱石的热膨胀行为、稳定性、羟基峰在(010)面上的强度变化及其常温高压拉曼光谱特征。结果表明,蓝柱石在1273K完全非晶化,其热膨胀系数αV为1.2(1)×10-5+0.16(1)T×10-9/K。蓝柱石在750K开始发生分解反应,最大的反应速率发生在1266K。在蓝柱石的(010)面上,羟基吸收峰在光的偏振方向与c轴夹角为70°和250°时最强,在光的偏振方向与c轴夹角为160°和340°时最弱。在常压至12.3GPa的压力范围内,蓝柱石没有发生相变。通过高压拉曼光谱计算得到了蓝柱石的mode Grüneisen参数的算术平均值为0.52(2)、thermal Grüneisen参数为0.64(2)。另外,根据Grüneisen关系式可以求得thermal Grüneisen参数,其值为0.70(6)。     

方钠石的原位高压X射线研究

在室温下使用金刚石对顶砧（DAC）高压装置和同步辐射光源，对架状硅酸盐矿物方钠石进行了原位高压X射线衍射实验，最高压力达到17．4GPa。在研究的压力范围内观察到在3GPa左右方钠石发生了一次相变，且压力大于6．3GPa时，d222出现异常增大。对方钠石在高压下相变以及d222增大的原因进行了分析，认为方钠石结构中存在着充填大阳离子的多面体笼和孔道，高压下这些笼和孔道容易扭曲变形，从而造成结构的改变。     

天然黝帘石原位高压X射线衍射和拉曼光谱

黝帘石属于绿帘石族矿物[Ca2(Al,Fe)3Si3O12(OH)],产出于各种不同地质环境(比如大陆碰撞带和俯冲带)的高压和超高压变质岩中。不同于其他绿帘石族矿物属于单斜晶系矿物,黝帘石属于斜方晶系(空间群Pnma)。本文采用金刚石压腔装置(DAC)结合同步辐射X射线衍射及拉曼光谱技术对天然黝帘石[Ca2(Al2.71Fe0.29)(Si O4)(Si2O7)O(OH)]进行了原位常温高压实验研究,以期增进对黝帘石在常温高压下的稳定性以及Fe含量的不同对于其弹性性质影响的认识。原位常温高压X射线衍射实验在上海同步辐射装置(SSRF)的BL15U线站上完成。实验采用DAC高压装置结合单晶X射线衍射实验技术,实验最高压力约为30 GPa,衍射谱图采用黝帘石标准谱(JCPDS85-1631)进行指标化,衍射斑点的位置用来计算其在不同压力下的晶胞参数。随着实验压力的升高,所有的衍射晶面间距逐渐减小,当压力达约15.2 GPa,在衍射图谱上出现一新的衍射晶面信号(晶面间距d=2.238 3),并在之后的压力范围内一直存在。此外当压力达约22.6 GPa,又有一晶面间距d=2.689 6的新衍射信号出现,并一直保持存在到最高压力。据此推断黝帘石在压力约15 GPa时存在结构的变化。同时,在常温最高压力约为40 GPa条件下,对黝帘石进行了拉曼光谱测量。随着实验压力的增加,黝帘石的拉曼振动峰向着高波数方向移动,在压力约为15.7 GPa,低压下存在的波数为1 083 cm-1和1 098 cm-1的两个振动峰消失,与此同时,在波数为247 cm-1、303 cm-1、339 cm-1、和379 cm-1位置分别出现了新的拉曼谱峰,其中,339 cm-1峰于27.6 GPa时消失,其余新峰一直保持到实验最高压力值。因此,本文推测天然黝帘石样品在15~16 GPa压力范围内存在有结构的变化。对于变化后的结构和性质还有待于进一步研究。另外,本文利用三阶Birch-Murnaghan状态方程拟合了发生结构变化前(0~14.4 GPa)的p-V数据,得到V0=908.1(9)3、K0=108(2)GPa和K'0=6.5(6),其中V0、K0和K'0分别表示零压晶胞体积、等温体积模量及其压力导数值。综合上述获得的实验结果并结合前人对黝帘石的研究成果,本文探讨了含Fe量的不同对于黝帘石弹性性质以及晶体结构性质的影响。与不含Fe黝帘石的等温体积模量[Ca2Al3Si3O12OH(]122.1(7)GPa,123.4(4)GPa)以及低含Fe量的黝帘石[Ca2Al2.88Fe0.12Si3O12OH]的体积模量(119.1(7)GPa)相比,本次实验样品黝帘石[Ca2(Al2.71Fe0.29)(Si O4)(Si2O7)O(OH)]的体积模量(108(2)GPa)明显偏小,说明含Fe会增加黝帘石矿物的可压缩性,并且,含铁量越大其体积模量越小。     

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。     

天然文石-方解石的高温相变及热膨胀性质

利用高温粉末X射线衍射研究了高纯地质成因文石从室温到1 073 K的相变过程以及文石和方解石的热膨胀性质,并分析了地质成因与生物成因文石的差异和影响因素。结果表明:斜方晶系的文石在693～733 K转变为三方晶系的方解石,相变临界温度为723 K,摩尔体积增加5.97%;文石在300～663 K的体积热膨胀系数α(V)(10-5/K)随绝对温度T(K)的变化规律为:α(V)=3.59(79)+7.17(170)×10-3T,文石的热膨胀具有强烈的各向异性[轴向热膨胀系数α(c)α(b)α(a)];方解石在733～973 K的热膨胀系数α(10-5/K)为:α(V)=3.78(25),α(a)=-0.27(2),α(c)=4.31(29),a轴具有负热膨胀。生物成因的文石相变温度比合成和地质成因文石低60～140 K,粉末状文石相变温度低于单晶和未被破坏的整块文石;粉末状的生物成因文石和方解石与非生物成因的文石和方解石的热膨胀系数接近,然而整块的生物成因的文石有更小的热膨胀系数。     

天然铁闪锌矿的热状态方程及相变

利用金刚石压腔及其外加温技术,对天然铁闪锌矿(Zn0.76Fe0.23S)进行了高压(17GPa)同时高温(300～623 K)下的原位能量色散X射线衍射实验研究.依据高温高压下获得的p-V-T数据进行了Birch-Murnaghan状态方程拟合.结果表明,铁闪锌矿晶体中Fe对Zn的类质同象替换可能导致其体积模量增大.获得了铁闪锌矿的体积模量的温度导数为((a)K/(a)T)P=-0.044(23)GPa/K.     

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.     

榍石的高压结构研究

利用同步辐射和金刚石压腔(DAC)技术对天然矿物榍石进行原位高压能散模式X射线实验研究,结果表明榍石在3.9 GPa和10.9 GPa分别发生P 21/a→A 2/a和A 2/a→A 1结构相变,并首次确定10.9 GPa→25.1 GPa榍石结构很可能稳定保持A 1相。基于此认为榍石能在地球较深部位稳定存在,此外,本研究对探索地球深部T i和S i元素的地球化学行为也有一定帮助作用。     

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。     

十字石的原位高压X射线衍射研究

利用原位高压同步辐射能量色散X射线衍射技术,在室温下对采自新疆阿尔泰地区冲乎尔递增变质带的天然十字石进行高压晶体结构测定,测量的压力范围为0.0001~3.9GPa,共11组有效数据。实验表明,在实验压力范围内,随着压力的增加晶胞参数β值逐渐增大,表明了十字石的结构对称性随压力增加而有所降低;同时,在1.5~2.7GPa压力范围内,十字石的晶体结构也发生了改变。     

RS和GIS技术集成及其应用

本文简要地介绍了ＲＳ（遥感图像处理系统）和ＧＩＳ（地理信息系统）技术及其集成的基本概念和方法。讨论了ＲＳ和ＧＩＳ技术及其集成的内在涵义、相互关系,认为ＲＳ是ＧＩＳ重要的外部信息源,是其数据更新的重要手段,尤其对于全球性的 地理动力学分析,更必须有ＲＳ所提供的覆盖全球的动态数据与ＧＩＳ的结合。反之,ＧＩＳ则可以提供ＲＳ所需要的一些辅助数据,以提高ＲＳ图像的信息量和分辨率,同时,ＧＩＳ可以将实地调查所     

矿物——成矿与找矿

单颗粒矿物微量元素激光原位定量分析测试数据的大量积累和研究,使矿物成为矿床地球化学研究和矿床勘查的重要示踪剂。本文重点选择磁铁矿、磷灰石、石榴子石、榍石、锆石、绿泥石和绿帘石等的原位分析研究所获得的认识,介绍单颗粒矿物成分组合及变化在矿床类型划分、成矿年龄测定、氧逸度、成矿过程与物质来源、找矿与勘探等方面的应用。不同矿床类型中普遍存在的矿物,如磁铁矿、磷灰石等的微量元素含量及组合差异,提供了矿床类型识别的标志。单颗粒矿物,特别是矿石矿物和密切共生矿物如锡石、铌钽铁矿、赤铁矿、石榴子石、方解石等的原位定年,使成矿年龄的直接准确测定成为现实。矿物中变价元素,如Fe、V、Mn、Ce、Eu含量和/或比值的变化,指示了成矿过程氧逸度及其变化特点。从矿物核部向震荡环带与边部的微量元素含量或同位素组成的变化,示踪了成矿过程中流体来源或性质的变化。斑岩和矽卡岩矿床中与成矿作用关系密切的蚀变矿物,如绿泥石、绿帘石的形成温度、特征微量元素比值,如Ti/Sr、Ti/Co、V/Ni、Mg/Sr等,与距矿床中心距离呈线性函数关系,可定量预测距矿床中心的距离,使以绿泥石、绿帘石为代表的找矿指示矿物研究迅速发展。     

红藻石和蓝藻石概念及分类归属的综述和修订

在分析和总结前人对红藻石和蓝藻石研究成果基础上,结合岩石薄片显微镜下观察实例,发现在以往碳酸盐岩颗粒分类中没有红藻石和蓝藻石的合适位置。鉴于红藻石重要的成因意义和造礁作用,有必要明确红藻石的概念和归属。珊瑚藻本身极易钙化,经生物矿化作用最终保存下来的珊瑚藻屑一直放在生物碎屑中,而红藻石是由非固着的珊瑚藻构成的钙质独立结核,因此也可以被划分到生物碎屑中。蓝藻石作为蓝细菌钙化作用的产物,同时鉴于蓝藻石的广泛存在,把钙化蓝细菌形成的核形石命名为蓝藻石,这一重要概念从提出到现在一直被使用。然而蓝绿藻概念已变更为蓝细菌,蓝藻石的形成与藻类无关,显然将其称作蓝菌石更加确切。因此,应将红藻石和蓝藻石分别归为生物碎屑和核形石当中,并用新的术语蓝菌石替代蓝藻石。其意义在于使红藻石和蓝藻石的概念及归属更为规范,并为碳酸盐岩颗粒的深入研究提供有益线索。     

自动化智能化地质岩芯钻探技术装备研发与应用

为解决5000 m地质岩芯钻探基础准则与依据缺失问题，提高钻探装备的自动化、智能化水平，启动了5000 m智能地质钻探技术装备研发工作，通过钻机装备、钻探器具研制，钻探工艺技术研究并经试验示范验证，取得多项创新成果，形成了5000 m地质岩芯钻探技术体系。通过特深孔钻孔口径与管柱规格优化研究、钻杆规格设计、装备性能参数选配，形成了5000 m地质岩芯钻探技术规范体系；基于5000 m特深孔地质岩芯钻机、孔口自动化作业装置等关键设备研制，实现了绳索取芯钻进的孔口作业全流程自动化，形成了轻量化钻机孔口管柱柔顺控制技术；基于复杂地层孔内工况判别、钻进参数优化与轨迹优化控制等技术问题研究，形成了多源信息融合的地面与孔底一体化钻进过程智能控制技术；基于高性能薄壁绳索取芯钻杆和系列小口径高效钻具研制，形成了大深度绳索取芯系列钻杆钻具技术；研发了耐高温环保型冲洗液、生物破胶废浆处理技术、“广谱型”双浆堵漏技术，形成了绿色环保型冲洗液体系与护壁堵漏技术。     

自动化智能化地质岩芯钻探技术装备研发与应用

为解决5000 m地质岩芯钻探基础准则与依据缺失问题，提高钻探装备的自动化、智能化水平，启动了5000 m智能地质钻探技术装备研发工作，通过钻机装备、钻探器具研制，钻探工艺技术研究并经试验示范验证，取得多项创新成果，形成了5000 m地质岩芯钻探技术体系。通过特深孔钻孔口径与管柱规格优化研究、钻杆规格设计、装备性能参数选配，形成了5000 m地质岩芯钻探技术规范体系；基于5000 m特深孔地质岩芯钻机、孔口自动化作业装置等关键设备研制，实现了绳索取芯钻进的孔口作业全流程自动化，形成了轻量化钻机孔口管柱柔顺控制技术；基于复杂地层孔内工况判别、钻进参数优化与轨迹优化控制等技术问题研究，形成了多源信息融合的地面与孔底一体化钻进过程智能控制技术；基于高性能薄壁绳索取芯钻杆和系列小口径高效钻具研制，形成了大深度绳索取芯系列钻杆钻具技术；研发了耐高温环保型冲洗液、生物破胶废浆处理技术、“广谱型”双浆堵漏技术，形成了绿色环保型冲洗液体系与护壁堵漏技术。     

再论流体势及其与圈闭和油气藏关系

在Hubbert(1953)关于流体势和圈闭的经典论文基础上,从流体势计算的基本原理出发,论证了气势与水势、油势计算表达式的具体形式是不同的,如等地温梯度的静水压力场中理想气体的势包含压力的对数函数与线性函数之和,而不只是包含压力的线性函数.表述了同一求势面所对应的测势面对于不同流体是不同的;指出了圈闭的溢出点通常是等势面与非渗透层面交线的切点;应用简洁的数学分析方法,推导了地下水三维流动情形下油(气)等势面某点切平面坡度与水头、渗滤速度关系的表达式,其中坡度绝对值与渗滤速度关系的表达式为:tanθ=√v2x v2y/|vf vz|,其中vf=K[ρw-p(p)]g/μ,式中:θ为切平面的倾角;vx、vy和vz分别为沿坐标轴ox、oy和oz方向的渗滤速度分量;K和μ分别为渗透率和水的动力黏度;ρw、ρ(p)分别为水和油(气)的密度.根据这些基础性的分析,对被广泛引用的Levorsen(1954)的背斜-水动力复合油藏中水头与油水界面产状的关系示意图进行了两点修改:将油水界面改为曲面、将油水界面处油藏的测势面改为高于油水界面处水的测势面的水平面;对向斜部位聚集油气的水动力条件进行了讨论,认为只有两(各)翼水流都向下流动且水流强度中等条件下才能在向斜部位聚集油气.     

桩-岩摩擦黏着特性的试验与分析

研究桩与岩石的侧摩阻力组成及影响因素,有助于准确地把握桩与岩石的侧摩阻力取值原则。在对桩与岩层的摩擦黏着机制分析的基础上,指出界面力与岩层抗剪力的区别,并提出岩层的极限侧摩阻力由界面强度及岩石强度两者较弱一方决定的观点。进行了中风化岩中4组混凝土短桩的抗压及抗拔极限摩阻力对比试验,获得了相应的极限侧摩阻力值以及抗拔与抗压极限侧摩阻力值的比值。抗拔时由于上部岩层对桩侧岩层的约束作用较弱,会使侧摩阻力相对抗压时有较大降低。通过有限元计算及其与试验值的比较分析,研究短桩与岩层的界面强度条件,发现岩层和混凝土灌注桩间的侧摩阻力中界面黏着力占很大比例。     

现代新技术新方法与工程地质

本文阐述了瓣技术，新方法应用于工程地质研究取得的进展，内容涉及原位测试技术，数值模拟技术，物理模拟技术和物探测技术，这些方面的研究推动了工程地质学的发展。     

区域构造、地球化学与成矿

成矿是一种复杂的地质作用，区域构造与区域地球化学是控制成矿的基本要素。文中简略叙述了构造成矿研究的历史，论述了大型构造与成矿的关系，提出构造动力体制转换是引发成矿作用的一种重要机制。通过对我国矿田构造研究的回顾，总结提出构造研究的一些思路，同时对区域地球化学与成矿、上地幔元素丰度与成矿以及地球化学急变带与成矿等做了简要的讨论，认为岩石圈及地质体中一定含量的金属元素是成矿的必要条件，而成矿尚需一定的地质作用对这些金属元素的浓集。     

Glyph and hyperstreamline representation of stress and strain tensors and material constitutive response

Results of numerical analyses of boundary value problems in geomechanics include output of three‐dimensional stress and strain states. Two‐dimensional plots of stress–stress or stress–strain quantities, often used to represent such output, do not fully communicate the evolution of stress and strain states. This paper describes the use of glyphs and hyperstreamlines for the visual representation of three dimensional stress and strain tensors in geomechanics applications. Glyphs can be used to represent principal stress states as well as normal stresses at a point. The application of these glyphs is extended in this paper to represent strain states. The paper introduces a new glyph, called HWY glyph for the representation of shear tensor components. A load step‐based hyperstreamline is developed to show the evolution of a stress or strain tensor under a general state of loading. The evolution of stress–strain states from simulated laboratory tests and a general boundary value problem of a deep braced excavation are represented using these advanced visual techniques. These visual representations facilitate the understanding of complex multidimensional stress–strain soil constitutive relationships. The visual objects introduced in this paper can be applied to stress and strain tensors from general boundary value problems. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.