用金刚石压砧实验研究极端条件下水热系统

极端条件下的物质,通过使用金刚石压砧与各种谱学仪器(红外、激光拉曼、X光等),尤其是配合同步辐射光源的实验技术,在高温超高压下原位实验研究取得了突破性成果.     

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。     

实验研究岩石圈深部流体及相关科学问题

实验研究地球岩石圈深部流体和对地球深部流体的观测发现,水溶液在跨越临界态时有许多特殊性质.使用水热金刚石压钻在200~800 MPa,300~700℃条件下,可观测到NaCl-H2O溶液两相不混溶相区的结构和近临界态现象.测量高温高压下NaCl溶液的电导率,在近临界和跨越临界态时发现最大电导率值.在对大洋中脊热水观测中可发现大多数喷口是在2200m深.喷口正在近临界态条件下喷出含矿流体.这些临界态研究对于重新分析岩石圈的地球物理测量结果和对认识大陆岩石圈内流体性质有很大意义.     

地球深部流体演化与矿石成因

文中重点讨论含矿NaClH2 O溶液在从高温、高压向低温、低压条件改变时性质变化对矿石形成过程的影响。通过对含矿NaClH2 O溶液的实验观测获得对地球深部流体性质的新认识。地球深部的NaClH2 O流体大多处于超临界态流体 ,在上升过程中经减压降温后 ,通过临界态 ,进入低于临界态的热液状态。流体在这一跨越临界态的转变过程中造成了大多数矿石的沉淀。自然界里的许多矿石是在开放流动体系和在非平衡的化学动力学过程中形成的。开放流动体系矿物与水的反应动力学实验 ,证明一些矿石可能形成于流动热液。跨越临界态这一转变过程中的矿物水反应动力学实验结果表明了反应速率的大涨落。地球深部流体在上升过程中的性质演化、流动体系和非均相反应动力学是现代矿石成因研究的 3个关键问题     

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。     

临界区流体与矿物和岩石在地球内部极端条件下的反应

极端条件下水热化学反应是一个新的科学问题。借助于高温超高压原位直接测量方法、各种谱学方法和同步辐射光源技术研究地球内部流体物质相互作用,可以获得反应过程的产物的分子-原子尺度信息,这些信息可以提供认识极端条件下水和矿物(岩石)反应动力学的新实验途径。地球内部的流体性质随所处高温高压条件发生变化。水的密度、介电常数等物理参数随温度压力变化而改变,在临界态会出现突变。水的性质的剧变会影响水与岩石(矿物)相互作用。文中报道了在极端条件下(20～435℃和23～35MPa)实验测量矿物(钠长石、辉石、石英和阳起石等)和岩石(玄武岩、正长岩)在水溶液里的溶解反应速率的研究结果,发现矿物里各种不同类型金属离子与水反应的速率不同,随温度变化而改变。在升温过程中,进入临界态时,矿物(岩石)与水反应出现一次反应速率的涨落。在恒压升温过程中(临界压力,或略高于临界压力),硅酸盐矿物溶解速率会逐步升高,如硅近临界区(300℃)抵达最大值,然后随升温溶解反应速率减低。地球内部的流体由深处上升到浅处,会从超临界区域进入近临界的气与液的两相不混溶区域。含金属流体里的金属会在气相与液相分离时出现再分配。实验表明:金属Au、Cu、Sn、W、Zn会进入气相,气体可以迁移金属。事实说明:地球内部流体结构和性质从深到浅在不断变化,在跨越临界区时的水的性质异常变化会导致水与矿物(岩石)反应动力学涨落,并且促使金属在临界区出现沉淀和在气液相分离过程中进行再分配及迁移。     

2~100GPa压力下D_2O冰相变的低温红外吸收光谱研究

在2~100 GPa和12~298 K的温度压力范围内系统地研究了D2O冰Ⅷ以及冰Ⅶ-Ⅷ和Ⅶ-Ⅹ相变的红外吸收光谱特征。我们发现冰Ⅷ的伸缩振动(v1,v3)和转动振动(vR,vR′)的频率及其压力依赖与冰Ⅶ基本一致,但弯曲振动(v2)频率存在明显差异,在6 GPa压力以上时位于约1100 cm-1,较冰Ⅶ低约80 cm-1。在10 GPa压力以下,冰Ⅶ及冰Ⅷ的弯曲振动频率随压力升高而降低,显示出异常的软模行为,可以用结构弛豫来解释。在100 K温度以下,冰Ⅷ在74 GPa相变为非分子相的平动无序冰Ⅹ,该相变以转动振动(vR)向变形振动(vD)的转化为特征。所观察到的冰Ⅶ-Ⅹ相变的红外光谱特征可以用来确定Ⅶ-Ⅹ相变压力。在平动无序冰Ⅹ中,氢原子(H或D)沿氢键束缚O-H(D)···O轴的发生隧道效应,隧道效应使得围绕着一个氧原子可以形成由4个氢原子构成的四面体,从而导致红外活性的变形振动(vD)的产生。     

流体包裹体压力计研究之一:高温高压下Na2SO4溶液的拉曼光谱

用金刚石压腔研究了Na2SO4溶液在温度30~400℃、压力90~2400 MPa条件下的拉曼光谱特征。结果表明:温度相同时,SO42-的对称伸缩振动随压力增大向高频方向偏移;而在压力基本相同时,随温度升高则向低频方向偏移。经过数据拟合得到了SO42-对称伸缩振动的拉曼位移与温度、压力的关系为:ρ=190.44Δυp 0.002 7t2 2.901 9t-111.68。该公式可以用来作为流体包裹体的压力计。     

造山型金矿中富CO_(2)高内压流体包裹体完全均一温度的有效测定实验研究——以东天山玉峰金矿床为例SCIEI北大核心CSCD

形成于中-深成条件下的造山型金矿的成矿流体属于H_(2)O-NaCl-CO_(2)体系,金矿化阶段的石英中发育大量的富CO_(2)流体包裹体。长期以来,用常规冷热台对其进行显微测温热力学研究时,较高的内压力会造成绝大多数CO_(2)充填度>0.4的包裹体在尚未达到完全均一状态前就发生爆裂或泄露,导致所测的完全均一温度值明显偏离真实值,甚至无法测得完全均一温度,这制约了对造山型金矿床成矿条件的认知。针对该问题,本文以东天山玉峰金矿床富金矿石中的H_(2)O-NaCl包裹体(A型)和H_(2)O-NaCl-CO_(2)包裹体(AC型)为研究对象,介绍了利用最新型热液金刚石压腔(HDAC-VT型号)测试富CO_(2)高内压的AC型包裹体完全均一温度的实验流程与结果,并将实验数据与Linkam THMSG600冷热台测得的A型、AC型包裹体的完全均一温度进行了对比分析。实验结果表明,热液金刚石压腔能够有效阻止富CO_(2)流体包裹体在升温过程中发生爆裂、泄露等非弹性体积改变现象的发生,从而获得有效的完全均一温度。同时,本文还提出了一个新的压力-温度拟合线两线相交法,对热液金刚石压腔所测富CO_(2)流体包裹体的完全均一温度数据进行校正,以最大程度上减少外压力造成的影响,获得更为接近真实成矿流体的完全均一温度。基于此,获得玉峰金矿床的成矿温度和成矿压力分别为312~343℃和181~268 MPa。本文的实验研究工作显示了热液金刚石压腔在中-深成造山型金矿富CO_(2)成矿流体的研究领域具有重要应用前景。     

Experimental Study on Water‐rock Reactions with CO2 Fluid in a Deep Sandstone Formation under High Temperature and Pressure

Qiongdongnan Basin has a tectonic geological background of high temperature and high pressure in a deep reservoir setting,with mantle-derived CO2.A water-rock reaction device was used under high temperature and high pressure conditions,in conjunction with scanning electron microscope(SEM)observations,to carry out an experimental study of the diagenetic reaction between sandstone at depth and CO2-rich fluid,which is of great significance for revealing the dissolution of deep clastic rock reservoirs and the developmental mechanism of secondary pores,promoting deep oil and gas exploration.In this study,the experimental scheme of the water-rock reaction system was designed according to the parameters of the diagenetic background of the deep sandstone reservoir in the Qiongdongnan Basin.Three groups of single mineral samples were prepared in this experiment,including K-feldspar samples,albite samples and calcite samples.Using CO2 as a reaction solution,a series of diagenetic reaction simulation experiments were carried out in a semi-closed high temperature and high pressure simulation system.A field emission scanning electron microscope(SEM)was used to observe the microscopic appearance of the mineral samples after the water-rock reaction,the characteristics of dissolution under high temperature and high pressure,as well as the development of secondary pores.The experimental results showed that the CO2-rich fluid has an obvious dissolution effect on K-feldspar,albite and calcite under high temperature and high pressure.For the three minerals,the main temperature and pressure window for dissolution ranged from 150℃to 300℃and 45 MPa to 60 MPa.Scanning electron microscope observations revealed that the dissolution effect of K-feldspar is most obvious under conditions of 150℃and 45 MPa,in contrast to conditions of200℃and 50 MPa for albite and calcite.Through the comparative analysis of experimental conditions and procedures,a coupling effect occurred between the temperature and pressure change and the dissolution strength and calcite.Under high temperature and high pressure,pressure changed the solubility of CO2,furthermore,the dissolution effect and strength of the sandstone components were also affected.The experiment revealed that high temperature and high pressure conditions with CO2-rich fluid has a significant dissolution effect on aluminosilicate minerals and is conducive to the formation of secondary pores and effective reservoirs.Going forward with the above understanding has important implications for the promotion of deep oil and gas exploration.