矿物热力学数据的获取

简介矿物热力学数据获取方法发展现状,重点评述量热法和相平衡法的近期发展状况。     

透闪石低压热力学稳定性的实验研究

众所周知,应用热力学理论解决地质问题的基本前提是,必须拥有足够的、尽可能准确的矿物热力学数据。实验相平衡研究是获得矿物热力学数据的重要手段之一。透闪石是很重要的一种旷物。Boyd(1959)曾对合成透闪石的低压稳定性作过研究。至今他的曲线仍波广泛引用,并用以产生透闪石的热力学数据(如Zen,1972;Helgeson,1978;Veblen,1982),由于Boyd的文章中缺乏有关数据表,人们在对他的数据进行热力学分析时,就只得从他的曲线直接取用P—T数据;又由于在我们的F—OH透闪石固溶体体系热力学稳定关系的实验研究中,须以这样一条曲线作基线,因而有必要对透闪石的热力学稳定性重新进行实验研究。     

岩石物理化学在矿物共生组合研究中的应用

<正>岩石物理化学是岩石学与物理化学之间的交叉学科,是现代岩石学又一重要的研究方向,其理论基础是相律和相平衡原理,以及热力学三大定律。是研究矿物、岩石、熔浆(体)、气体、溶液、流体之间在不同温度、压力条件下平衡共存关系的一种有效方法。矿物共生组合建立之后,是成矿作用和生成的物理—化学条件服务。就可以应用相平衡原理和相律,为探讨和解释矿相平衡图和相平衡曲线可帮助我们:(1)预测和识别物相;(2)认识矿石化学     

含铁闪锌矿热力学性质的推导

热容是矿物热力学性质的基础,通过热容测定,可以推导出矿物的其他热力学性质,本文在对３个含铁闪锌矿样品的热容进行实验测定的基础上,推导出它们的热力学性质,本文的研究结果为系统地研究闪锌矿及其成矿物理化学条件参考数据。     

交代作用体系的一些热力学性质研究

近年来,作者对水热交代形成的岩石及其铁、金和银矿床进行了一系列的高温高压实验和相平衡的热力学性质的研究。实验过程中交代反应的热力学计算是应用经典和经验公式进行。对实验矿物稳定性和相关系,根据吉布斯f=C+2-P的相律公式,利用Schreine-makas方法作拓扑学图,从而获得了交代岩及其铁、金和银矿床形成的物理化学条件,揭示了交代作用体系的一些热力学性质、特征和成岩成矿的机理。     

变质作用精细过程研究进展

主要总结了最近 5年以来，国内外在变质作用精细过程研究若干方面的进展：人们在更细微尺度上，对矿物成分环带、成分梯度等矿物微区成分变化情况有了更深入的研究；发现矿物中不同化学组分抵御变质峰期后降温过程的能力不同；利用矩阵奇异值分解等数学方法定量探讨矿物（组合）之间是否存在质量平衡关系，进而判断矿物（组合）之间的平衡-非平衡关系；开始尝试恢复变质峰期后发生分解反应或纯转换反应的变质高峰期矿物的原始成分；出现了不依赖于矿物热力学数据和矿物活度模型的高精度相对温压计；补偿规则引入了矿物速率计，速率计计算结果更直观；最近发展的 Ms sbauer谱新技术，可以在小至50×30μm²的区域里实现铁镁质矿物原位（insitu）Fe ^3＋含量的分析；使用激光探针等离子体质谱法、激光探针 ⁴⁰ Ar／³⁹ Ar法、电子探针测年法、二次离子质谱法等新方法，实现对常见变质矿物的原位定年，使得变质作用较完整过程的连续定年成为可能。今后的发展方向至少有四个方面：深化并且充分利用已有的矿物微区成分分析方法和放射性微区测年方法，洞悉变质过程中的各种微观-超微观现象，探讨变质反应速率；研究不同大地构造环境的变质作用特征；实施大量的高精度矿物相平衡逆转实验，以获取高精度矿物热力学数据，进一步发展矿物固溶体热力学；采用岩石学实验模拟岩石变质过程，深入研究变质反应动力学。     

地球热力学研究新进展

近十年来,热力学在矿物、岩石和地球化学中应用研究取得了很大的进展。平衡热力学的研究趋于成熟。表现在发展了多种获取矿物热力学常数的方法,常见矿物及其固溶体已有了可用的数据,发展了多种     

变质相平衡的研究进展

变质相平衡是变质岩石学中最核心的问题之一,20世纪90年代以来,国外在这一领域取得了重要进展,即利用内洽性热力学数据库、THERMOCALC程序以及合理的矿物相活度模型定量计算模式体系中的岩石成因格子(P-T投影图)和有关的各种剖面图,如共生图解和针对特定岩石组分的p-T、p-x和T-x视剖面图等。尤其是在p-T视剖面图解上,可以定量计算矿物成分、矿物摩尔含量及岩石饱和水含量等值线,从而可以定量地阐述天然岩石在p-T-x空间内的相平衡关系、确定岩石形成的p-T条件和p-T-t轨迹。     

K_2O-Al_2O_3-SiO_2-H_2O体系的相平衡研究

K_2O-Al_2O_3-SiO_2-H_2O体系形成一些主要造岩矿物,如长石、石英和云母等,因此受到有关学者的广泛重视。为了探讨岩石的形成机制,国外许多学者曾研究过该体系矿物的稳定范围。近年来,伊万诺夫、J.W.谢德(Shade)、R.P.温特施(Wintsch)、D.M.伯特(Burt)、H.W.戴(Day)和J.J赫姆利(Hemley)等也先后用热力学方法研究过该体系的相平衡关系。但至今,该体系中某些矿物的相平衡关系仍然有争议,例如,     

硅酸盐体系的化学平衡:(2)反应热力学

通过具体的应用实例,系统介绍了在矿物材料学研究中硅酸盐体系的多相平衡反应热力学的基本原理。对硅酸盐体系的典型多相平衡反应进行了热力学计算,包括:(1)微晶玻璃制备过程中的硅酸盐熔融反应;(2)霞石正长岩和高铝粉煤灰利用技术中的硅酸盐烧结反应;(3)S iO2-CaO-H2O体系和KA lS i3O8-CaO-H2O体系雪硅钙石、硬硅钙石的水热晶化反应;(4)高铝粉煤灰和霞石正长岩烧结产物的溶解反应;(5)Na[A l(OH)4]-A l(OH)3-H2O体系和Na2SO4-Ca(OH)2-H2O体系中α-A l(OH)3和CaSO4.2H2O的析晶反应。研究成果可望对矿物材料制备实验方案设计、工业生产过程优化及改进产品性能提供理论指导,同时为同类材料学研究提供借鉴。     

三元长石地质温度计及其在我国粤西花岗岩中的应用

根据Green et al(1986)提出的三元长石温压计公式．以长石三元固溶体和矿物相平衡为基础，通过热力学推导，建立了联立方程法和迭代法两种计算三元长石温度的方法。根据联立求解可获得TAb-Or、TOr-An,TAb-An三个温度值，迭代法求解可获得TAb,TOr,TAn三个温度值。因此，一个样品可计算出6个温度数据。选择粤西地区有代表性的18个花岗岩体，按混合岩建造→深熔花岗岩建造→岩浆建造南岭系列花岗岩→岩浆建造长江系列花岗岩的顺序，进行三元长石法的温度计算，所得到的相应各建造和系列花岗岩的上限温度为755℃→766℃→865℃→970℃；下限温度为664℃→665℃→775℃→814℃，亦即上下限温度都逐渐升高，其规律性与地质和地球化学研究结果完全一致，体现了三元长石地质温度计的可靠性和准确性。     

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)。     

机器学习在地幔地球化学研究中的应用

高温高压条件下的热力学平衡是开展地幔地球化学研究的重要基础。目前，对地幔条件下矿物和熔体的热力学平衡的认识还存在一些不足，即地幔地球化学的实验和天然样品数据(压强、温度和成分等)构成的高维度矩阵中离散点之间的关系还未被充分厘清。机器学习是挖掘数据的有效工具，通过回归、分类等算法，可以为地幔条件下的热力学平衡提供新认识。已开展的实例研究包括温压计、熔体中元素的溶解度、矿物的三价铁含量、判断地幔捕掳体是否发生交代作用、判断样品是否发生氢扩散作用，等等。本研究方向的发展还需要机器学习方法的普及、基础数据库正确率和数据质量的提高以及算法的改进。     

利用岩（矿）石化学成分计算其实际矿物组成和矿物成分

本文对目前各种矿物组成换算法系统调研基础上,提出了一种新的换算方法。该法基于岩(矿)石化学成分与其所组成矿物成分之间的质量平衡原理,并考虑岩石学相平衡原理、矿物结构-晶体化学原理,利用最小二乘法适步迭代以逼近实际矿物组成及其类质同象发育的矿物化学成分。本方法在思维上脱离了受“标准矿物”的限制,所计算结果基本上与实际岩(矿)石的矿物组成、类质同象发育的矿物成分相吻合。其计算由计算机进行,操作简便。     

南非卡拉哈里锰矿田早元古代Hotazel组游离石英氧化锰矿石建造的物理化学环境

南非开普省普罗温塞北卡拉哈里锰矿田Hotazel组游离石英氧化锰矿石建造的物理化学环境是在Mn-Fe-Si-O系相关系的基础上定量地讨论,在Ca-Mn-Fe-Si-O系定性地讨论,相关系包括矿石的主要氧化物矿物即褐铁矿、褐铁矿Ⅱ、黑锰矿、方铁锰矿、锰铁矿和赤铁矿,根据现有的和推断的热力学资料和已形成的矿石矿物组合,是在缺乏石英的条件下形成的根据发表的实验数据和预测的熵(热力学函数)和热容,褐铁矿标准     

阿尔泰变质地带变质作用温压条件的时空变化及其大地构造意义

八十年代以来,造山带变质作用PTt演化轨迹的研究导致变质地质学理论的重大突破。目前,国外正采用不同的方法来重建造山带PTt演化轨迹,包括England等人(1984)根据地球物理和地质资料进行数学热模拟的方法和Spear等人(1983)采用相平衡分析的吉布斯方法,即根据矿物在变质过程中形成的成分环带确定变质岩系PT演化的方法。     

硬玉岩在NCFMASH体系中的相平衡关系

根据缅甸硬玉岩的化学成分,利用相平衡热力学模拟硬玉岩的成因理论,采用对称溶体的模型表达式:RTlnγi=-∑∑(X0K-Xk)(X0j-Xj)Wkj,根据Holland等的热力学数据库,计算得出硬玉岩中4种端元矿物硬玉(Jd)、普通辉石(Acm)、透辉石(Di)与钙铁辉石(Hed)的Wkj值.     

变质相平衡在研究深熔岩石中的应用

下地壳岩石的深熔作用不仅与麻粒岩和花岗岩的形成具有紧密关联,而且在某些构造环境下会对地球动力学演化过程造成影响,因此,对深熔岩石的变质P-T条件的准确估算及对其熔融机制的限定具有重要意义。基于内洽性热力学数据库、THERMOCALC/Perple＿X等程序以及适当的固溶体活度模型,变质相平衡模拟已逐渐成为变质岩石学的常规研究方法,广泛应用于推断天然岩石的矿物共生序列、估算岩石的变质P-T条件等。不仅如此,如果有适当的熔体活度模型,变质相平衡模拟还能估算深熔岩石的熔融温度、压力及熔体比例,以及限定其涉及的熔融反应,并计算熔体、转熔矿物及残余矿物的成分等。针对不同成分岩石,包括花岗质岩石、变泥质岩、变基性岩及橄榄岩在不同压力下产生的熔体,前人陆续提出了对应的活度模型,并且其有效性得到了相关实验数据的验证。随着近年来熔体活度模型的不断更新和完善,变质相平衡模拟有望成为研究自然界深熔岩石的常规方法,为相关的麻粒岩和花岗岩成因研究、相关地球动力学演化研究提供新的思路。     

橄榄岩中尖晶石的氧同位素继承性与晶体结构转变

根据激光探针分析含尖晶石橄榄石中矿物的氧同位素组成,反应增量法计算矿物对氧同位素分馏曲线,得到正尖晶石－矿物对氧同位素温度高于含尖晶石橄榄岩的相平衡温度,而用反尖晶石－矿物的对计算的氧同位素温度则很接近含尖晶石橄榄岩的相平衡温度,较为合理,因此地幔橄榄岩中镁铝尖晶石的氧同位素组成继承了其母体反尖晶石特征,即与橄榄石,单斜辉石和斜方辉石平衡的是反结构尖晶石,在其发生相变作用变成正结构尖晶石时未发生氧     

纳米粒子的熔点与粒径的关系

推导纳米粒子的熔点与其粒径的定量关系, 并从热力学的角度阐明纳米粒子烧结过程的实质及烧结温度与粒径的关系.利用热力学及表面化学的有关理论, 虚拟固相和液相之间的相变过程, 根据相平衡条件, 将纳米粒子的熔点与粒径联系起来, 并以金属铅(Pb) 为例进行计算.结果表明, 纳米粒子粒径越小, 比表面自由能越高, 其化学势则比相同条件下的块状固体高很多, 导致其熔点和烧结温度大大低于同样材质的块状固体.以金属Pb为例, 通过熔点和粒径之间的定量关系计算的结果与实验结果吻合.因此纳米粒子的熔点和烧结温度与其粒径有关, 即粒子越小, 熔点和烧结温度越低.