实验地球科学的前沿与发展战略

实验地球科学是利用实验装置和技术模拟地球内部的高温高压条件,开展地球内部物质的物理和化学属性与地球内部过程研究. 我国的实验地球科学在过去10年得到了快速发展,已成为国际高温高压实验领域的一支重要研究力量. 主要介绍了实验地球科学的定义与战略价值,简述了我国实验地球科学的发展现状与薄弱环节,提出了未来学科发展的思路和重要举措,并展望了学科未来的优先发展方向.      

实验矿物物理的发展现状与趋势:2.弹性和波速

弹性性质和波速是矿物重要物理性质. 实验测量的弹性性质和波速与地震学观测结果的对比,是确定地球内部物质组成、理解地球内部圈层结构形成机制和揭示地球内部物质分布不均一性最为直接和重要的手段. 在过去20年,伴随大腔体压机、金刚石压砧、同步辐射X光、激光加热等技术的快速发展,在地球内部相应温度和压力下测量主要构成矿物的弹性性质和波速取得了巨大进展. 综述了矿物物理在地球内部矿物弹性性质和波速实验测量的发展历史、近20年的研究现状与趋势,并展望了该学科未来发展的方向、关键科学问题与面临的主要挑战.      

实验岩石学发展现状与趋势

实验岩石学通过高温高压实验来模拟地球内部状态,正演研究矿物、岩石及其组分的物理化学行为,与天然矿物和岩石样品反演研究相互补充. 从20世纪初美国卡内基研究所建立地球物理实验室算起,实验岩石学已经历了100多年的发展,在认识地球内部状态和过程以及矿物和岩石成因方面发挥了重要作用. 我国实验岩石学研究开展约50年,进入21世纪以来在实验平台和创新性研究成果方面取得了显著进步. 在学科发展趋势方面,实验岩石学表现出以下6方面的特点:（1）新的高温高压实验技术不断涌现;（2）实验与分析测试技术高度融合;（3）实验模拟与计算模拟相结合;（4）从热力学平衡扩展到动力学研究;（5）从干体系扩展到对挥发分和流体的深入研究;（6）应用场景从固体地球扩展到类地行星. 通过进一步开发或改进高温高压实验技术,加强与分析测试技术以及计算技术的结合,实验岩石学有望在破解地球内部流体的性质和作用、地幔演化和岩浆分异、变质反应速率和机制、类地行星形成与演化等重要科学问题方面作出关键贡献.      

高温高压装置研制和技术创新的发展现状与趋势

现代化的高温高压实验装置与表征技术是研究地球深部物质的赋存状态、属性及效应的关键手段. 近20年,国内很多科研单位先后建立了高水平高温高压实验平台,具有覆盖地表至地心温压环境的各类装置以及多种可进行原位/非原位观测的技术,在高压矿物物理、实验岩石学和地球化学等领域取得重要进展. 装置和技术的创新发展是当前我国“三深一系统（深地深海深空、地球系统科学）”科技战略领域中基础理论创新的驱动力之一.简要综述了高温高压装置研制、技术发展和面临的主要挑战,在此基础上展望了未来的发展方向.      

实验流变学的发展现状与趋势

实验流变学是通过高温高压实验手段研究地球内部主要组成物质在差应力的作用下发生变形和流动的学科. 伴随着流变实验技术的不断发展,实验流变学在过去30年中得到了快速发展,研究范畴和研究对象不断扩大,在地球和行星科学的研究领域发挥着重要的作用.主要简要介绍了实验流变学技术的发展历史,围绕岩石圈、软流圈、转换带和下地幔流变学实验研究和中深源地震机制的研究总结了实验流变学领域的主要研究进展与存在问题,提出由物质成分和热结构控制的地球不同圈层流变学性质的三维结构是当前实验流变学研究需要解决的核心科学问题,并在此基础上展望了实验流变学未来的优先发展方向.      

地球内部物质电学性质原位测量的影响因素和导电机制——以地壳矿物为例

高温高压下矿物岩石电导率的实验研究数据,不仅是人们了解地球内部物质组成及其演化过程的重要窗口,而且可以为野外大地电磁测深和地磁测深反演提供重要约束.重点介绍了温度、压力、水含量、铁含量、氧逸度、熔融等矿物岩石电导率的影响因素,深入阐述了存在于矿物岩石的4种主要导电机制,即离子、质子、小极化子和大极化子.回顾近年来地壳主要造岩矿物(长石、石英和辉石)的电导率实验研究取得的新成果,讨论了它们的导电机制和地球物理意义,并对其目前存在的问题及尚需进一步展开的工作进行了探讨.     

硬主石的高温高压实验研究进展

高温高压实验研究是国际地球科学研究的前沿领域和重要方向之一,模拟地球深部的温度和压力环境,研究地球内部物质的物理和化学性质,是解释地震波数据、了解地球内部结构和动力学过程的重要途径.硬柱石是大洋冷俯冲带中的一种重要变质矿物,国内外学者开展了大量的硬柱石高温高压物理化学性质的实验研究,并取得一系列重要成果.本文对硬柱石的高温高压实验研究成果进行了梳理和总结,包括硬柱石的热稳定性、压缩性、振动光谱性质以及物性参数等,指出前人研究中存在的不足,提出未来研究中需要加强的方向.本文旨在让更多的学者对硬柱石的高温高压物理化学性质具有更加全面的认识.     

地球内部水与无机成烃

地球内部水是广泛存在的,由于高温高压作用使其具有独特的物理和化学性质,它对于烃类物质生成和运移都具有重要的意义。在地球内部,水与无机矿物作用产生H2或者O2,对C-O-H流体平衡存在影响,这是烃类物质形成和稳定的重要因素。地球内部高温高压水热流体一方面为有机反应提供高效的介质,另一方面它直接作为反应物与碳酸盐和金属碳化物反应生成烃类物质。对于地球早期有机物形成和水热条件下有机物的主要合成反应——费托反应,其重要的成烃物质H2主要由水与矿物作用产生,这是目前较为认同的地球内部无机成烃的重要方式。     

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.      

硬柱石的高温高压实验研究进展

高温高压实验研究是国际地球科学研究的前沿领域和重要方向之一,模拟地球深部的温度和压力环境,研究地球内部物质的物理和化学性质,是解释地震波数据、了解地球内部结构和动力学过程的重要途径。硬柱石是大洋冷俯冲带中的一种重要变质矿物,国内外学者开展了大量的硬柱石高温高压物理化学性质的实验研究,并取得一系列重要成果。本文对硬柱石的高温高压实验研究成果进行了梳理和总结,包括硬柱石的热稳定性、压缩性、振动光谱性质以及物性参数等,指出前人研究中存在的不足,提出未来研究中需要加强的方向。本文旨在让更多的学者对硬柱石的高温高压物理化学性质具有更加全面的认识。     

角闪石高温高压实验研究进展及其地球物理意义

高温高压实验作为地球科学研究的重要方向之一,通过模拟地球深部的温度和压力条件,了解地球深部物质的物理化学性质、地球内部结构和动力学演化。角闪石属于双链硅酸盐矿物,为地幔岩石圈的重要组成,广泛分布在海洋地壳、俯冲板块、变质岩和火成岩中。作为俯冲带的重要含水矿物,角闪石的广泛分布和高温高压下的脱水对于理解俯冲带水含量以及水迁移具有重要作用,同时在俯冲带的地震活动、高电导率异常、地震波速异常和岩浆活动中扮演重要角色。在过去的近百年时间里,国内外学者对角闪石高温高压物理化学性质进行了大量的研究。角闪石具有非常复杂的元素组成和结构特征,由此也导致了不同角闪石物理化学性质存在显著不同,包括脱水与脱羟基反应中元素迁移的差异、角闪石形成与分解过程中碱性元素(K+Na)和H2O含量对热稳定的影响、不同空间群结构下的高压结构相变、原位条件下不同结晶方向的电导率异常、不同结晶学优选方位(CPO)下的波速异常等。已有的研究对于角闪石的物理化学性质以及其在俯冲带中发挥的作用有了比较清楚的认识,但仍然有许多问题需要进一步研究,如角闪石的高压脱水动力学、热物性和变形机制等。     

实验地球化学的发展历史和研究展望

实验地球化学主要通过高温高压实验模拟,对元素和同位素在地球内部条件下的行为、性质和效应进行研究,从而对成岩成矿、岩浆演化、流体交代、壳?幔?核分异等地质现象和过程进行制约. 实验地球化学的最初诞生,主要是针对传统地球化学、岩石学和矿床学研究中遇到的难以解决问题进行正演辅助. 实验地球化学的发展,与高温高压实验设备和现代分析技术的成熟和完善密切相关. 近半个世纪以来,实验地球化学的不断成长壮大,极大促进了传统地球化学乃至整个地球科学相关领域的发展. 在未来的10到20年内,实验地球化学有望在以下3个方面进一步加强和取得重要科研成果:（1）深部地球和早期地球;（2）挥发分和地球宜居性;（3）行星形成演化实验模拟.      

矿物物理学研究进展简述(2000～2010)

矿物物理学是介于矿物学、固体物理和量子化学之间的交叉学科,是矿物学研究的重要内容之一.进入21世纪以来,由于微区、微束和谱学探测技术、高温高压等实验技术以及计算机计算处理能力的提高,我国的矿物物理学正处于飞速发展阶段,在矿物纳米尺度微观结构、矿物表面物理化学研究等方面取得了长足进步,尤其是在高压矿物物理研究方面更是取得较大突破.但我国矿物物理学研究也存在研究队伍萎缩、后继人才匮乏的问题.展望未来,矿物物理学研究机遇与挑战并存,如何形成矿物化学键与能量、结构与物化性质、成因特征等诸方面有机联系的、统一的矿物物理学理论,进而推动矿物物理学在地质学、地球化学以及材科学研究中的应用,是我们必须思考的问题.     

高温高压下水和氯化钠溶液的物理化学性质研究

高温高压下水和氯化钠溶液的物理化学性质研究徐有生（中国科学院地球化学研究所，贵阳５５０００２）关键词高温高压水和ＮａＣｌ溶液物理化学性质水和ＮａＣｌ溶液是地质上最常见的溶液，了解其物理化学性质有助于研究水溶液在地球内部各种地质作用和地质过程中所起的作...     

In situ impedance spectroscopy on pyrophyllite and CaCO<Subscript>3</Subscript> at high pressure and temperature: phase transformations and kinetics of atomistic transport

In situ impedance spectroscopy in laboratory experiments at high pressure and temperature can provide crucial quantitative information on properties of rock materials at depth as well as on physical and chemical processes occurring in the deep Earth. We developed an experimental setup for in situ electrical impedance measurements in a piston-cylinder apparatus and applied it to study the kinetics of charge carriers and phase transformations in pyrophyllite and CaCO₃ aggregates. From comparison with previous studies, we found that absolute values of electrical conductivity and pressure–temperature conditions for dehydration reactions in pyrophyllite and phase transformations in CaCO₃ can be accurately determined using our setup. Dehydration of pyrophyllite significantly enhances the transport kinetics and the effect is more pronounced under undrained conditions than under drained conditions. When dehydroxylation and decomposition temperatures for pyrophyllite under undrained and drained conditions are combined, they appear independent of pressure rather than increasing with pressure as previously suggested. Electrical conductivity of CaCO₃ varies with impurity content and grain size, and is most likely controlled by diffusion of oxygen along wet grain boundaries. When applied to the Earth, the results on pyrophyllite suggest that the increase in electrical conductivity in rocks that undergo dehydration should be taken into account in interpreting magnetotelluric surveys of regions with anomalously high conductivity found above subducting plates. The results on CaCO₃ indicate that grain boundary transport controls the electrical conductivity in fine-grained calcite rocks; hence calcite mylonites may be detected using magnetotelluric methods. Order–disorder transformations, such as occurring in calcite, possibly affect the physical properties of rocks (e.g., rheology) by changing the kinetics of atomistic transport processes.