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.      

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。     

高温高压下Mg2SiO4-MgAlO4体系相变的实验研究

采用多顶砧高压实验装置研究了Mg2SiO4-MgAl2O4体系在压力为22 GPa,温度为1550～1750℃条件下的相变,并考查了Al2O3在γ相中的固溶度.结果表明,随着体系中MgAl2O4组分含量的增加,相组合发生了变化,依次为γ相+镁铝硅酸盐固溶体+方镁石→镁铝硅酸盐固溶体+方镁石→镁铝硅酸盐固溶体+方镁石+刚玉固溶体;镁铝硅酸盐固溶体具有石榴子石结构,其化学成分随着体系中共存相的改变而有所变化;Al2O3在γ相中的固溶度很低(其重量百分比＜0.8%),因此,在Mg2SiO4-MgAl2O4体系中Al2O3可能对γ相超尖晶石分解转变的压力不会有很大的影响.     

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。     

高温高压流体原位直测

水热金刚石压砧(Hydrothermd Dlamond Anvil Cell, HDAC)与显微机连接已用于研究水热系统相关系。作者把HDAC与傅里叶红外显微镜相连,实现高温高压条件下对液固反应,相变等原位波谱研究。已经研究850℃条件下高压(1GPa)NaCl H₂O体系,发现了两相不混溶区的新溶液结构。改进了HDAC窗口能够在红外显微镜上使用,使用高压指示矿物的红外谱特征标定压力。高温高压下直接观察、测定物质状态和同时确定温度压力条件,是超高压研究的新进展。还用同步辐射光源的高能X射线,红外研究超高压(10GPa)下卤水结构,有新发现。     

高温高压岩石流变仪的围压标定方法

高温高压岩石流变仪围压标定的主要方法为氯化盐类的部分熔融法和矿物相变法。利用氯化盐类进行压力标定时,不仅可以利用单一盐类,也可以使用多种盐类的混合物;常用的压力标定矿物相变及其适用温压范围如下:石英-柯石英,500~1200℃、2.5~3.2GPa;钠长石-硬玉+石英,600~1200℃、1.6~3.2GPa;铁橄榄石+石英-铁辉石,600~1200℃、1~1.7GPa;磷镁石-Mg3(PO4)2-Ⅱ,565~825℃、0.6~0.9GPa;方解石-文石,600~1200℃、0.5~2.5GPa。不同的标定方法具有不同的特征,文中将进行详细介绍。     

高温高压菱镁矿电导率实验研究

在俯冲带中,菱镁矿相比于其他碳酸盐矿物会在更高的温度压力环境下稳定存在,常被认为是地球深部碳循环的主要载体,其电学性质的研究对俯冲带及地球深部的电性结构具有重要的意义。本文在YJ-3000t高温高压设备上利用Solartron-1260阻抗/增益-相位分析仪,在1～3 GPa和773～1173 K条件下,对天然菱镁矿的电导率进行了原位测量。实验结果表明,在实验条件下,天然菱镁矿的电导率在10^-2～10^-7 S/m范围内,菱镁矿的电导率对温度有很强的依赖性,随着温度的升高,电导率增大,电导率与压力的关系呈正相关,随着压力的升高而增强。结合前人的研究成果及样品电导率随温度、压力的效应和活化能,可推断天然菱镁矿导电机制为大极化子导电。     

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.      

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。     

冲绳海槽浮岩的高温高压纵波速度

对采自冲绳海槽中部海底的浮岩样品和邻近陆地樱岛火山的安山岩样品进行了温度 (常温 - 15 0 0℃ )与压力 (常压 - 2 .4 GPa)实验 ,测得在较低温度 -压力条件下 (<1GPa,<80 0℃ )浮岩样品的纵波速度小于安山岩样品的纵波速度 ,在较高温度 -压力条件下 (>1GPa,>80 0℃ )二者的纵波速度接近一致 (5 .9km /s)。 1GPa/80 0℃是浮岩样品和安山岩样品的热动力相变点 ,推测该点的深度大于 18km。     

Phase relations in the system NaAlSiO4-NaGaSiO4

Phase relations in the system NaAlSiO₄-NaGaSiO₄ to 945° C at 1 kbar P(H₂O) are dominated by stability of Na(Al,Ga)SiO₄ with the beryllonite-type structure. The nepheline structure is restricted to NaAlSiO₄-rich compositions at moderate and high temperature. Structure-composition relationships are controlled by space-fitting requirements of both framework and cavity cations, as in related systems. The two-phase (nepheline-type+beryllonite-type) field has been delineated from the end-member NaAlSiO₄ composition up to the peritectic point at about 945° C (and 60 mol% NaGaSiO₄), using a volume-composition relationship for the beryllonite-type phase, phase appearance, and electron microprobe analysis. At end-member NaGaSiO₄ composition, the beryllonite-type phase is stable to the melting point (902±5° C). At end-member NaAlSiO₄ composition, the beryllonite-type?nepheline-type transformation occurs at 348±2° C, and is associated with an increase in molar volume of 2.4% and enthalpy of 5170±40J·mol^?1. Thus, end-member NaAlSiO₄ nepheline, and probably all sub-potassic nephelines as well, are metastable at very-low geological temperatures.     

Experimental and thermodynamic study of heterogeneous and homogeneous equilibria in the system NaAlSiO4-SiO2

Internally consistent thermodynamic datasets available at present call for a further improvement of the data for nepheline (Holland and Powell 1988; Berman 1991). Because nepheline is a common rock-forming mineral, an attempt has been made to improve on the present state of knowledge of its thermodynamic properties. To achieve that goal, two heterogeneous reactions involving nepheline, albite, jadeite and a-quartz in the system NaAlSiO₄-SiO₂ have been reversed bylong duration runs in the range 460 ≤ T(°C) ≤ 960 and 10 ≤ P(kbar) ≤ 22. Given sufficiently long run times, thealbite run products approach internal equilibrium with respect to their Al,Si order-disorder states. Using appropriate thermochemical, thermophysical, and volumetric data, Landau expansion for albite, and the relevant reaction reversals, a refined thermodynamic dataset (Δ_fH_i⁰ and S_i⁰) has been derived for nepheline, jadeite, a-quartz, albite, and monalbite. Our refined data agree very well with theircalorimetric counterparts, but have smaller uncertainties. The refined dataset for Δ_fH_i⁰ and S_i⁰, including their uncertainties and correlation, help generate the NaAlSiO₄-SiO₂ phase diagram including 2a confidence interval for eachP-T curve (Fig. 5). Editorial responsibility: W. Schreyer     

Thermodynamics of open networks: Ordering and entropy in NaAlSiO4 glass,liquid, and polymorphs

The thermodynamic properties of carnegieite and NaAlSiO₄ glass and liquid have been investigated through C _p determinations from 10 to 1800 K and solution-calorimetry measurements. The relative entropies S ₂₉₈-S₀ of carnegieite and NaAlSiO₄ glass are 118.7 and 124.8 J/mol K, respectively. The low-high carnegieite transition has been observed at 966 K with an enthalpy of transition of 8.1±0.3 kJ/mol, and the enthalpy of fusion of carnegieite at the congruent melting point of 1799 K is 21.7±3 kJ/mol. These results are consistent with the reported temperature of the nepheline-carnegieite transition and available thermodynamic data for nepheline. The entropy of quenched NaAlSiO₄ glass at 0 K is 9.7±2 J/mol K and indicates considerable ordering among AlO₄ and SiO₄ tetrahedra. In the liquid state, progressive, temperature-induced Si, Al disordering could account for the high configurational heat capacity. Finally, the differences between the entropies and heat capacities of nepheline and carnegieite do not seem to conform to current polyhedral modeling of these properties     

Experimental Study of the Composition Join NaAlSiO4-CaCO3-H2O and the Genesis of Alkalic Rock--Carbonatite Complexes

Phase equilibrium studies have been carried out on the compositionjoin NaAlSiO₄-CaCO₃-H₂O with 25 wt per cent H₂O at 1 kb pressurein the temperature range 600–960 °C. Liquid, in equilibriumwith crystalline phases and a sodic, aqueous vapor phase persistsacross the join down to temperatures of about 600 °C. Fractionalcrystallization of a carbonated nepheline-rich liquid in equilibriumwith vapor is capable of generating successively the crystallineassemblages (1) nepheline, (2) melilite+nepheline, (3) hydroxyhaüyne+melilite,(4) cancrinite+melilite, and (5) calcite+cancrinite+melilite.Late-stage liquid fractions are rich in CaCO₃, whereas the vaporphase is enriched in Na. The experimental assemblages are strikinglysimilar to rocks in alkalic rock-carbonatite complexes in generaland in the Oka, Quebec, complex in particular. The successionof assemblages at Oka and at other melilite rock-bearing complexesmay be interpreted as the products of fractionation of a carbonatednephelinite magma by analogy with the experimental results.The sodium-bearing vapor phase of the experiments may be analogousto the fenitizing agent of some carbonatite complexes.     

C_4植物的出现与全球环境变化

C4 光合作用途径 (C4 植物 )的出现和随后的扩展 ,是发生在新生代晚期的重大事件。这一事件是晚新生代全球环境演化的产物。C4 植物在某些生态系统中占据主导地位 ,又通过食物链 ,影响了动物 ,特别是食草动物的演化。以C4 植物为主的干草原环境甚至与人类的起源有着某种成因上的联系。C4 植物的出现对中新世以来全球环境变化和现代环境格局形成过程具有特殊的意义。文中就C4 植物出现和扩展的时间、C4 植物的分布和生态特征、C4 植物出现的环境背景、构造运动 ,特别是印度和欧亚板块碰撞以及由青藏高原强烈隆升引发的侵蚀作用和大气组分变化及其与C4 植物出现的联系等问题作了较为系统的综述。文章还介绍了中国北方现代草本植物的δ13 C值的最新研究结果 ,并就草本植物δ13 C值与环境参数之间可能的关系进行了初步讨论。     

4A沸石吸附模拟核素Sr,Cs后的组分变化和结构表征

通过4A沸石吸附模拟核素Sr,Cs前后的化学成分分析、X衍射分析和红外光谱分析等手段方法,分析探讨了模拟核紊Sr,Cs在4A沸石的赋存状态,结果表明：4A沸石与模拟核素Sr,Cs之间主要以离子交换的方式发生作用,Sr^2 ,Cs^ 取代4A沸石中的可交换离子Na^ ,占据4A沸石a笼中的6元环和8元环。导致4A沸石的晶胞参数增大,晶格发生畸变。     

2014年度工程地质学自然科学基金项目受理与资助分析

对2014年工程地质学的基金申请情况、资助情况、研究队伍等进行了详细分析。工程地质学的基金项目申请数量有所下降,而且面上项目申请量持续明显下降。同行评议专家比较准确地把握了对申请书特别是青年科学基金的评议尺度。基金申请者的年龄结构正趋于合理,各年龄段的申请人获得资助的比率出现了合理的差异。工程地质学科国家杰出青年基金和优秀青年科学基金申请不够积极。重点项目申请人年龄偏大,获资助人的年龄严重偏大,这一现象需要引起重视。     

龙东公路④号滑坡稳定性评价及滑坡推力计算

滑坡位于斜坡中部,面积大、临空面宽,玄武岩碎石土分布广,近期活动明显。经69个钻孔及地表调绘实测,完成稳定性评价及推力计算,有效提供治理依据。     

天然气中甲烷和CO2的二元同位素特征

不同成因的天然气由于形成温度不同,往往会有不同的稳定同位素特征。但是,由于经常不能同时获得天然气以及它的生成母体的同位素成分,很难用单独的C或H同位素成分来确定它的形成温度。在形成天然气时,不同的温度会形成不同的二元同位素的浓度,温度越低,二元同位素的比例越大,因此只需要知道天然气本身的二元同位素的浓度,就可以确定形成温度,从而避免了需要知道天然气生成母体的同位素成分这一难题。本文利用高级量子化学计算,预测了不同温度下天然气中甲烷和CO2气体的二元同位索（Clumped isotope）的特征,提供用于天然气成因分析的新方法。