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.      

高温高压微束衍射实验进展及其地学应用

同步辐射X射线微束衍射技术与静态高压装置(包括金刚石压砧设备和大腔体压力机设备)结合运用是研究高温高压下物质晶体结构、相变等的有效方法。金刚石压砧高温高压实验技术的发展体现在:在产生极端高温高压的同时,获得准确的实验温度压力值,采用充装气体传压介质等方法减小压力梯度,采用激光双面加温技术和改进激光光路以减小样品径向和轴向的温度梯度。大腔体压力机高温高压实验技术的发展主要表现在产生更高的实验压力,以及测试过程中使样品在一定幅度摆动以消除晶体生长和择优取向对衍射数据的影响。同步辐射X射线微束衍射技术的发展主要表现在更高亮度和更宽能量范围的同步辐射光源的使用、X射线聚焦技术的发展,以及角色散X射线衍射测试技术的进步。介绍了近年来高温高压微束衍射实验在地球科学领域所取得的一些最新进展,包括硅酸盐超钙钛矿的实验发现,铁的高温高压相变及熔融曲线、SiO2 超斯石英相变、橄榄石尖晶石相—超尖晶石相转变压力的精确测定等研究结果;认为硅酸盐超钙钛矿的进一步深入研究,水对地球深部矿物岩石力学性质及熔融行为的影响,高温高压下物质的化学反应性和地球深部元素的地球化学行为等,是今后高温高压实验研究的重要方向。     

实验矿物物理的发展现状与趋势:1.相变和状态方程、电导率、热导率

实验矿物物理是高温高压实验地球科学的重要分支学科之一,它主要是通过高温高压实验模拟地球内部的物理化学环境,并原位测定地球深部物质（矿物、岩石和熔/流体等）的相变和状态方程、电导率、热导率等物理参数,探讨地球内部的圈层结构、物质组成、地球动力学过程等地球物理性质相关的一系列重要科学问题. 综述了实验矿物物理的发展历史、近二十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.      

金刚石压腔（DAC）技术及其在地球科学中的应用

近几十年来金刚石压腔（DAC）技术被广泛应用于高温高压实验研究领域,它可以达到550 GPa的压力和6 000 K的温度。与其他静高压实验技术（大压力机、高压釜等）相比,金刚石压腔具有独特的优势,它不仅可以进行极端温压条件下物质的结构性质、相变及状态方程等研究,而且可以原位观测整个实验过程。文中简述了金刚石压腔装置的结构及温压测量方法,然后分别从物质相变、矿物溶解度、流体性质和组成、油气成因、稳定同位素分馏系数和布里渊声学测量等方面简要介绍了金刚石压腔技术在地球科学中的研究进展。随着实验技术的不断发展和更新,金刚石压腔技术将具有更广阔的应用前景。     

同步辐射激光加温DAC技术及在地球深部物质研究中的应用

实验室模拟地球深部的温度和压力环境,研究地球相关材料的物理和化学性质,是解释地震波数据、进一步了解地球内部结构和动力学过程的重要途径。用高功率的红外激光光束,加温金刚石对顶砧压腔(DAC)中的样品,可以获得深部地幔乃至地核的极端温度和压力条件,已广泛地用于地球深部矿物的相变、熔融和状态方程研究。同步辐射微束技术的发展,为激光加温DAC技术的应用开辟了新的领域,也使地幔及地核条件下的矿物研究有了重要的突破。文章介绍激光加温DAC技术的发展;阐述高温高压原位的同步辐射X射线衍射方法;例举激光加温DAC技术在地球深部物质研究中的一些应用;并对一些关键的技术问题加以分析和讨论。     

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。     

高温高压下钠长石集合体热扩散系数的实验研究

钠长石是组成地壳最重要的矿物之一,对其高温高压条件下导热性质的研究有助于认识地壳的热结构。本研究以高温高压瞬态平面热源法为基础,测量了钠长石集合体在0.5 GPa,1.0 GPa,2.0 GPa和285~973 K的热扩散系数。实验结果显示钠长石不同温度下的热扩散系数的压力系数介于4.8%~9.2%/GPa间,较其它硅酸盐矿物的4.0%高很多。在深部地壳环境下,由于压力的效应可以使钠长石的热导率比常压下高17%,因此在基于钠长石热导率计算地壳热结构时需要考虑压力的效应。     

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.      

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。     

High pressure deformation in two-phase aggregates

We investigate the rheological behavior of multi-phase aggregates at high pressure and high temperature. Using synchrotron X-ray radiation as the probing tool, we are able to quantify the stress state of individual phases within the aggregates. This method provides fundamental information in interpreting the behavior of two phase/multi-phase mixtures, which contribute to our understanding of the deformation process at deep earth conditions. We choose MgAl₂O₄ spinel and MgO periclase as our model materials. Mixtures of various volume proportions were deformed in a multi-anvil high pressure deformation apparatus at pressure of 5 GPa and elevated temperatures. Stress is determined from X-ray diffraction, providing a measure of stress in each individual phase of the mixture in situ during the deformation. Macroscopic strain is determined from X-ray imaging. We compare the steady state strength of various mixtures at 1000 °C and 800 °C and at the strain rate in the range of 1.8 to 8.8 × 10^− 5 s^− 1. Our data indicate that the weak phase (MgO) is responsible for most of the accumulated strains while the strong phase (spinel) is supporting most of the stress when the volume proportion is 75% spinel and 25% MgO. The intermediate compositions (40/60) are much weaker than either of the end members, while the grain sizes for the intermediate compositions (submicrons) are much smaller than the end members (5–10 μm). We conclude that a change in flow mechanism resulting from these smaller grains is responsible for the low strength of the intermediate composition mixtures. This study demonstrates an approach of using synchrotron X-rays to study the deformation behaviors of multi-phase aggregates at high pressure and high temperature.     

高温高压实验研究在地学领域的新进展

阐述了静态高温高压实验研究在地学各方面的新进展、新动向、新仪器、新观点和新资料。     

钛闪石的高压结构及其地质意义

利用同步辐射EDXD方法和DAc高压技术对采于新疆天山碱性玄武岩地幔捕虏体中的钛闪石进行了原位高压(达25．4GPa)结构研究：在室温下，随着压力的增加，钛闪石的轴长a、b、c被逐渐压缩；当压力为18、9GPa时，钛闪石可能由于“脱水”而导致结构发生相变，此相变应属于可逆的二级相变。结合钛闪石的地质产状，我们认为，钛闪石在上地幔一定深度范围内可以保持稳定，是上地幔中重要的含水矿物相之一，其被携带到地表是一个非常快速的过程，本文的结果对某些含钛矿物的高压行为研究提供了一定的参考。     

Synchrotron radiation study on the high-pressure and high-temperature phase relations of KAlSi3O8

In situ X-ray diffraction study on KAlSi₃O₈ has been performed using the cubic type high pressure apparatus, MAX90, combined with synchrotron radiation. We determined the phase relations of sanidine, the wadeite-type K₂Si₄O₉+kyanite (Al₂SiO₅)+coesite (SiO₂) assemblage, and hollandite-type KAlSi₃O₈, including melting temperatures of potassic phases, up to 11 GPa. Our data on subsolidus phase boundaries are close to the recent data of Yagi and Akaogi (1991). Melting relations of sanidine are consistent with the low pressure data of Lindsley (1966). The breakdown of sanidine into three phases reduces melting temperature, and wadeite-type K₂Si₄O₉ melts first around 1500° C in three phase coexisting region. Melting point of hollandite-type KAlSi₃O₈ is between 1700° C and 1800° C at 11 GPa. If these potassic phases host potassium in the earth's mantle, the true mantle solidus temperature will be much lower than the reported dry solidus temperature of peridotite.     

高温高压实验及原位测量技术

文中简述了高温高压实验技术及其发展现状,主要涉及高温高压实验装置及高温高压原位实验测量技术两方面内容。重点介绍了:(1)金刚石压腔、大体积压力机、高压釜等静态高压实验技术和动高压实验技术及其特征;(2)拉曼、红外、X-射线衍射及同步辐射等高温高压原位谱学研究;(3)超声波、布利渊散射、核共振非弹性X-射线散射等高压物质弹性波速原位测量技术研究现状及其进展;(4)金刚石压腔、大压力机中高温高压电导率的原位测量技术研究现状及其进展。     

Paterson高温高压流变仪及其在岩石流变学的应用

地球作为一个动态体系,其内部岩石在各种物理化学条件下变形,形成各种地质构造.在过去的几十年里,得益于相关测试分析手段的不断发展,地球材料的流变学研究取得了许多实验突破,加深了人类对地壳和上地幔岩石变形行为的理解.本文对实验岩石变形装置的技术发展做了扼要的回顾,重点介绍了Paterson高温高压流变仪(HPT).HPT是...     

The effect of aluminum and water on the development of deformation fabrics of orthopyroxene

The effect of alumina and water solubility on the development of fabric in orthopyroxene in response to simple shear deformation has been investigated at a pressure of 1.5 GPa and a temperature of 1,100 °C using the D-DIA apparatus. The microstructure observations at these conditions indicate that dislocation glide is the dominant deformation mechanism. In MgSiO₃ enstatite and hydrous aluminous enstatite, partial dislocations bounding the stacking faults in [001] glide parallel to the (100) (or) the (100) [001] slip system. Electron backscattered diffraction analysis of anhydrous aluminous enstatite, however, indicates operation of the (010) [001] slip system, and microstructure analysis indicates dislocation movement involving [001] on both (100) and {210} planes. The strong covalent bonding induced by the occupation of M1 and T2 sites by Al could have restricted the glide on (100), activating slip on {210}. The resulting seismic anisotropies (~2 %) in orthopyroxene are weaker compared to olivine (~9.5 %), and reduced anisotropy can be expected if orthopyroxene coexists with olivine. Weak anisotropy observed in stable cratonic regions can be explained by the relatively high abundance of orthopyroxene in these rocks.