石英溶解特征及机理的水热实验

<正>本文针对不同条件下石英的溶解特征及机理,设计了一系列石英于不同温度与不同p H值溶液反应的水热实验,总结了石英溶解的电镜形貌特征,对比了不同条件下石英的溶解特征并给出溶解发生的条件,并在此基础上,结合前人研究成果探讨了石英的溶解机理。通过对实验样品的扫描电镜观察、样品的质量及反应液离子浓度测定发现石英溶解具有以下特征:     

石英溶解机理的研究进展

鉴于石英溶解对全球变化和环境影响的重要性,其机理的研究成为近来地学领域比较活跃的课题.许多学者从物理、化学,甚至生物学的角度研究了石英溶解的机理.本文从pH值、温度、离子强度和表面形态四个方面综述石英溶解机理的研究进展.前人的研究成功地解释了石英-水在不同条件下的溶解机理,成功地解决了溶解动力学相应的单个参数问题.但是,石英溶解的条件非常复杂,往往是多个因素共同作用的结果,因此只研究单个参数的影响无法真正了解矿物溶解的动力学机理.石英溶解机理需要探索实验和理论方面更深层次的问题.     

天青石形貌特征的水热晶体生长实验研究

为了更好地了解天青石晶体的形貌特征和沉淀机制,本文利用硫酸钠溶液和氯化锶溶液,采用室温混合-室温生长法、室温混合-高温熟化生长法及高温原位混合法,开展了天青石的水热晶体生长实验。结果表明,温度对天青石晶体的形貌具有重要影响。200℃条件下原位混合实验合成的天青石具有多种形貌,包括粒状、X形、V形、片状、树枝状和菱形体,而室温混合-室温生长与室温混合-高温熟化生长实验合成的天青石晶体形貌差异不大,主要为板状和双锥状。此外,树枝状天青石仅出现在200℃条件下[SO₄^2-]∶[Sr²⁺]的摩尔比为2∶8和3∶7的高温原位合成实验中,这与前人发现的树枝状重晶石仅出现在Ba²⁺相对于SO₄^2-过量的高温原位混合实验的结果相似。可见树枝状形貌可能是重晶石-天青石类质同象固溶体系列矿物的重要形貌标型特征,指示着高温下阳离子相对于阴离子过量的流体混合作用。     

不同pH值条件下石英溶解的分子机理

对于石英-水反应体系,石英表面的Si-O-Si键的水解断裂是溶解反应过程的关键步骤。采用高级分子轨道从头计算法,研究了不同pH值下石英表面Q1（Si）位置的溶解反应动力学过程。对反应过程的势能面、过渡态、反应路径进行了量子化学计算（包括使用从头计算的分子动力学方法）,结果表明：（1）酸性条件下,H^＋连接的是石英表面末端Si-0H上的非桥氧,而非Si-O-Si键上的桥氧,这一链接反而增强了Si—O—Si键;（2）在中性和酸性条件下,石英溶解反应的速度控制步是Q1（Si）—Obr的断裂过程,而碱性条件下反应速率却由水分子靠近Q1（Si）的过程控制,它比Q1（Si）-Obr的断裂过程更慢;（3）活化能计算数据表明,碱性条件下石英溶解速率会随着pH值的增大而迅速增大;相对照的是,在酸性条件下,溶解速率与中性条件时相比变化不大,甚至还略有降低。本文纠正了一些关于石英溶解机理的长期的错误认识,比如前人错误地认为在酸性条件下首先形成Si-O（H^＋）-Si形式的复合物,然后Si-O-Si发生断裂。本研究结果表明,实际上是形成Si—O—Si-OH2^＋…H2O形式的过渡态复合物。然后Si-O-Si发生断裂。前人模型的结果与实验结果分歧,是一个长期遗留的困惑,而本文发现的断键机理模型及其计算结果,可以很好地与不同pH值下石英溶解的实验数据吻合。     

水热合成Y棒型石英晶体的形态特征

合成Y棒型石英晶体的外表特征对于压电元件的加工定向有密切关系,如能从外表特征正确鉴别各种单形和确定左右形,则可根据外表特征直接进行定向加工。笔者对本实验室合成的Y棒型晶体的外表特征进行了专门的观察和测定。我们采用的Y棒型籽晶一般在X和Z轴方向上各厚2—5毫米,沿Y轴长度在100—200毫米之间(图1)。     

石英溶解动力学研究进展

综述了石英在纯水、电解质和有机酸溶液中的溶解动力学实验技术和研究成果，着重阐述了电解质浓度、离子强度、ｐＨ阳离子和有机酸对石英溶解的动力学促进作用，并指出这种催化效应与石英表面负电性络合物的反应性有关。     

不同pH值下电解质对石英溶解的分子机理影响

由于化学、物理、甚至生物方面驱动因素的影响,界面的性质会随着温度、pH、无机物或者有机物吸附、金属离子、微生物活动等变化而改变.此外,环境因素、界面形状,晶体缺陷等因素也会影响界面的化学性质,因此矿物-水界面是一个相当复杂的系统.     

溶解气运移特征砂槽模型实验研究

借助于砂槽承压含水层模型 ,以氩溶解气为研究对象 ,模拟气体聚集或稀释的异常源产生后 ,其在含水层中的运移过程。实验包括三组 ,分别模拟在不同的气源气体流量、水头压力和承压荷载条件下氩溶解气的运移过程。在实验的基础上 ,分析研究氩溶解气的运移特征 (主要包括运移模式、运移速率和溶解气峰值含量 )与气源气体流量、水位和承压荷载压力的关系。结果表明氩溶解气在低流量的范围内呈现出与离子类似的弥散特征 ,与离子不同的是氩溶解气的运移明显地受到气源气体流量的影响。     

云南金顶铅锌矿床方铅矿溶解实验及紫外吸收光谱特征

在进行金顶铅锌矿床方铅矿溶解实验的基础上，测定并讨论溶解液的紫外吸收光谱特征，确定溶解液中铅的存在形式，进而初步探讨铅在含矿流体中的迁移形式。     

Na2SnF6在水热溶液中水解特征的实验研究

用Na2SnF6为初始物质，研究该络合物在200--602℃、1kbar的水热溶液中的水解特征。实验表明，Na2SnF6发生强烈酸性水解，随温度升高水解作用加强，400℃左右曲线由陡变缓。水解受酸度影响较大。该实验条件下，求得锡在水热溶液中最可能的存在形式为SnF3(OH)或Na2SnF3(OH)。此外还计算了Na2SnF6的水解常数与温窿变化的关系。     

碳酸盐岩溶蚀机制的实验探讨:表面溶蚀与内部溶蚀对比

通过表面溶蚀和内部溶蚀两种实验方式,分别对六种类型碳酸盐岩用0.2%乙酸溶液进行溶蚀实验,对比研究了从表生环境到深埋藏环境下有机酸与不同类型碳酸盐岩的溶蚀作用机制。对比研究表明:(1)在近地表环境下(25℃,1.0 MPa),泥灰岩和含生物碎屑泥晶灰岩的溶解速率大于细晶白云岩,前两者约为后者的2³倍;随着温压的增加,泥灰岩、含生物碎屑泥晶灰岩和细晶白云岩的溶解速率均相应增加,但细晶白云岩的溶解速率增加幅度更大;在深埋藏环境下(180℃,45 MPa到210℃,52.5 MPa),细晶白云岩的溶解速率逐渐与泥灰岩和含生物碎屑泥晶灰岩的溶解速率趋于一致。(2)在60℃,10 MPa时,白云质颗粒灰岩在乙酸溶液中的溶解能力大于粉细晶白云岩和亮晶鲕粒白云岩;随着温压的增加,有机酸溶液对石灰岩与白云岩的溶解能力均相应降低,且石灰岩溶蚀作用下降幅度更大,当温压达到或超过90℃、20 MPa时,粉细晶白云岩和亮晶鲕粒白云岩在乙酸溶液中的溶解能力大于白云质颗粒灰岩。根据实验结果推测:表生和相对浅埋藏的温压条件下,石灰岩的溶解速率和溶解能力大于白云岩,石灰岩的溶蚀作用较白云岩发育;但在深埋藏阶段,由于白云岩的溶解能力大于石灰岩,因此白云岩溶蚀产生的次生孔隙较石灰岩更为发育,这或许是深部的碳酸盐岩储层中多见白云岩储层的重要原因。     

山东莱芜盆地碳酸盐岩热液溶蚀特征及水文地质意义

鲁中山区莱芜盆地在燕山期发生大规模岩浆侵入活动,岩浆岩体外围碳酸盐岩区分布有水源地、富水块段等岩溶发育富水区,且靠近岩体含水层多发生大理岩化。富含CO₂、H₂S等酸性成分的岩浆热液流体,能对碳酸盐岩产生明显的溶蚀作用。基于岩石样品化学组分分析、水文地质调查及数据统计分析、热液溶蚀地质点详细观测,构建热液溶蚀模式,对莱芜盆地及外围热液溶蚀特征及机理进行研究。结果表明:高温高压岩浆侵入使得接触带碳酸盐岩发生热液变质大理岩化;沿渗透性断裂、裂缝以及不整合面等运移的热液流体,对碳酸盐岩地层产生酸性热液溶蚀和混合溶蚀作用,形成不同规模溶蚀孔洞,构成地下水富集空间,为寻找城镇地下水后备水源地提供新方向。     

Dissolution Precipitation Wave Structure of Hydrothermal Ore Zoning

Ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ　Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ　Ｗａｖｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆＨｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ　Ｏｒｅ　Ｚｏｎｉｎｇ￥ＹｕＣｈｏｎｇｗｅｎ（ＦａｃｕｌｔｙｏｆＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅ...     

伸展作用过程中石英变形与重结晶的微观机制

在伸展作用过程中，石英的变形主要表现为三种不同类型变形石英的出现：SGR-R型以中高温条件下的亚颗粒旋转与动态重结晶为主要特点；GBM-R型以中低温条件下的局部颗粒边界迁移与重结晶过程为主；FC型以低温条件下破裂和碎裂作用为主要特点。三种石英变形类型及其变形机制主要受三方面的影响：区域伸展环境的存在；伸展抬升作用过程中变化的p-T条件；变形岩石中的微量流体的参与。     

灰岩和白云岩溶解速率控制机理的比较

碳酸盐岩溶解的速率控制过程包括:(1)岩石表面上的非均相化学反应;(2)离子从岩石表面通过扩散向溶液中的传输;(3)CO2向H 和HCO-3的转换.通常是这3个过程中的最慢过程决定着碳酸盐岩的溶解速率.然而,实验和理论分析发现,在条件相似的情况下,白云岩的初始溶解速率不仅只有灰岩的1/3～1/60,而且灰岩和白云岩的溶解呈现出不同的速率控制机理.如对灰岩而言,在实验中加入能催化CO2转换反应的生物碳酸酐酶(CA)后,其溶解速率增加出现在CO2分压>100Pa的区域,最高可达10倍;而对白云岩,其溶解速率增加出现在CO2分压<10000Pa的区域,且增加仅3倍左右.此外,虽然2类岩石的溶解也均受水动力条件(旋速或流速)的控制,且主要出现在CO2分压<1000Pa的区域,但灰岩的溶解对水动力条件的变化比白云岩溶解更敏感.这些发现在解释和揭示自然界白云岩和灰岩岩溶发育及其相关资源环境问题的差异方面具有重要意义.     

热液石英中微量元素特征及应用:认识与进展

文章以热液石英为研究对象,基于石英的晶体结构特征和化学性质,以及近年来国内外在此领域取得的认识和成果,论述了石英中微量元素的赋存状态和应用.研究表明,微量元素主要以3种方式进入到石英晶体中:单原子替代、原子团替代和补偿电价替代.石英在SEM-CL图像中的亮度和石英中微量元素的分布具有一定的相关性,根据石英的微量元素组成...     

热液矿床中锌的迁移、沉淀机制综述

硅酸盐熔体体系中,锌主要赋存于熔体相,部分以类质同象的形式进入铁、镁硅酸盐及铁的氧化物中;流体/熔体相分 离时,锌优先进入流体相;卤水/气相分离时,锌优先进入卤水相;成矿过程中,锌主要进入液相流体中迁移。在热液环境 下, ZnCl2 - nn （0≤n≤4） 络合物是迁移锌的最重要形式,其次游离Zn2+,Zn2+-SO2 -4 络合物,Zn2+OH-络合物,在一定条件下对锌的运移也非常重要,但能与锌络合的其它潜在无机配体,如HS-,CO32-,NH3,F-,Br-, S2 -x 及S2O2 - 3 等,则意义不大。富有机质低温（<200℃） 条件下,部分有机质对锌的迁移也具有重要作用,如,羧酸、氨基酸及腐殖酸,其中羧酸意义最大。在Zn成矿过程中,岩浆-热液Zn矿床矿化可划分为三个阶段,早期岩浆房去气阶段,期后热液阶段,以及晚期岩浆房去气阶段。层控Zn矿床流体主要为盆地卤水,矿化机制主要为伸展背景下的海底热液对流,或者挤压环境下,构造挤压与重力的联合驱动,促使流体向盆地边缘迁移成矿。锌矿物的沉淀主要受热液组成、温度、压力、pH以及Eh等因素控制,地质过程中,围岩蚀变、沸腾作用以及流体混合作用等宏观过程促使上述物理化学因素发生变化,从而制约着锌的沉淀。     

热液锆石U-Pb定年与石英脉型金矿成矿时代:评述与展望

石英脉型金矿床是最重要的金矿床类型之一,对其成矿时代的精确测定却一直是一道难题.近年来同位素质谱技术的发展使得通过含金石英脉中热液锆石的U-Pb定年来精确限定石英脉型金矿床成矿时代成为可能.但含金石英脉中的锆石组成通常较复杂,除有热液锆石外,还可能出现从围岩中捕获的岩浆锆石和变质锆石.锆石成因和组成的这种复杂性,经常导致所获得的U-Pb年龄数据难以解释或缺乏明确的地质意义.因此石英脉型金矿床锆石U-Pb定年的关键是有效区分从成矿流体中直接生长的热液锆石和从围岩中捕获的岩浆锆石或变质锆石.通过锆石形貌、结构、微量元素组成(含稀土元素)、矿物或流体包裹体特征等的系统分析和综合研究,可以较好地区分含金石英脉中的不同成因锆石.在此基础上利用先进的SHRIMP或LA-ICPMS锆石U-Pb分析技术对石英脉中的热液锆石进行微区原位定年,可以获得石英脉型金矿床可靠的成矿年龄.