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地球深部流体演化与矿石成因 总被引：26，自引：2，他引：26
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 相似文献
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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。 相似文献
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中地壳温度压力条件下的水-岩作用化学动力学实验 总被引：2，自引：1，他引：2
为模拟中地壳条件下水.岩相互作用,本文作者重点做了大于300℃,在水的近临界区至超临界区条件下的硅酸盐矿物与水反应的化学动力学实验。矿物(钠长石(Ab)、透辉石(Di)、阳起石(Act))的溶解反应动力学实验是使用流体通过叠层反应器的开放体系在25℃～400℃和22MPa下完成的。实验发现矿物在300至400℃范围内,在跨越水临界点时出现反应速率的涨落。多金属氧化物硅酸盐与水反应时的各个元素溶解到溶液里的释放速率一般不一样。硅酸盐矿物的最大溶解反应速率多是在300℃,如,硅的最大释放速率是在300℃。其余元素如Na、K、Mg、Ca、Fe、Al等释放速率在<300℃、22MPa时都高于硅的释放速率,在>300℃时硅的释放速率要高于其它元素的释放速率。我们还完成了玄武岩与水在25℃～400℃条件下的反应动力学实验。实验发现,硅的最大释放反应速率也多是在300℃。中地壳的流体处于由亚临界态进入超临界流体的演化过程,这时流体的性质会有剧烈变化。这一变化会引起水/岩相互作用的反应动力学涨落。流体性质的突变和水岩相互作用涨落会导致中地壳岩层的许多性质变化,硅酸盐矿物格架的解体,岩石被淋失,岩层的崩塌。 相似文献
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中地壳的水-岩作用对相关的地球物理性质影响 总被引：1，自引：0，他引：1
对于地壳的地球物理详细探测发现中地壳普遍存在着高导层和低速层.高温高压下的矿物(岩石)-流体反应的化学动力学实验和水的性质研究可以提供我们认识地壳的地球物理探测结果的新信息.通常,中地壳大致位于15至25km的深度范围.高导层和低速层普遍存在于中地壳.各地的地壳厚度不同,但是中地壳和高导-低速层的深度范围十分相似.中地壳的顶界温度处于300℃,底界为450℃～500℃范围.为了认识中地壳的高导低速层的起因,作者重点做了模拟中地壳条件下水-岩相互作用实验,同时,分析了水在近临界区至超临界区的突变性质.矿物(钠长石、透辉石、阳起石)与水,玄武岩与水反应的化学动力学实验是使用流体通过叠层反应器的开放体系在25℃～400℃和22MPa下完成的.与水反应的矿物或岩石里的各个元素溶解到溶液里的释放速率一般不一样.硅酸盐矿物的硅的最大释放速率是在300℃.其它元素,如Na、K、Mg、Ca、Fe、Al等释放速率在＜300℃时都高于硅的释放速率,在＞300℃时硅的释放速率要高于其它元素的释放速率.在水中的硅的大释放速率会导致硅酸盐矿物格架解体.作者假定地壳里普遍存在水占1%(体积).这时,地壳里会发生水-岩相互作用.中地壳的流体处于300℃～500℃.在由亚临界态进入超临界区的演化过程中,在跨越临界温度时水的性质发生剧烈变化.如密度、介电常数等热力学参数.这一变化会引起水/岩相互作用的反应动力学涨落,会导致中地壳岩层的硅的淋失,硅酸盐矿物解体,岩石崩塌.同时,在临界区水的性质强烈变化还有水的电导率、迁移性质、等,这会影响中地壳一些物理性质,如中地壳高导层和低速层的出现. 相似文献
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中地壳的地球化学动力学和矿石成因 总被引：5，自引：0，他引：5
笔者重点进行了大于300℃——在近临界区至超临界区条件下的硅酸盐矿物与水反应动力学实验。矿物(钠长石Ab、透辉石Di、阳起石Act和磁铁矿Mt)的溶解反应动力学实验是使用流体通过叠层反应器的开放体系在25～400℃和22MPa下完成的。实验发现矿物在300℃至400℃范围,在跨越水临界点时出现反应速率的涨落。各种多金属氧化物硅酸盐与水反应时,各个元素溶解到溶液里的释放速率一般不一样,常称为一致溶解作用。但是,在近300℃变为一致溶解作用。实验发现在22MPa时硅酸盐矿物的最大溶解反应速率多是在300℃,如硅的最大释放速率是在300℃。其余元素如Na、K、Mg、Ca、Fe、Al等释放速率在<300℃22MPa时都高于硅的释放速率,在>300℃时硅的释放速率要高于其它元素的释放速率。确切地说,金属与氧之间的键的性质决定了它们(金属氧化物)与水之间反应速率。在一般情况下,Na-Obr,Ca-Obr,Mg-Obr,Al-Obr和Si-Obr的键桥(br),它们之间相对地由具有离子键性质逐步变为具有极性键的性质。由常温常压到亚临界区(300～374℃22MPa),再到大于临界点374℃、22MPa进入超临界区,水的性质随温度、压力变化。水由容易溶解离子键逐渐变为容易打破极性键。笔者还研究了黑钨矿、锡石(玄武岩、花岗闪长岩)与水在250～400℃条件下的反应动力学过程,得出了相同的结果。实验均发现在跨越水临界点时矿物(或岩石)与水反应的动力学涨落。这些实验结果可以用于说明中地壳上部的水/岩相互作用的特征。发生于中地壳的水、岩相互作用大多是在300～450℃和20～50MPa条件下进行的。各地区的地壳厚度不一,中地壳温度压力并不完全相同。模拟中地壳条件下水/岩相互作用实验,目的主要是研究矿物(或岩石)在300～450℃条件下反应动力学过程。已有热液矿床矿物流体包体数据表明:有一批矿床的主要矿石形成于300～500℃,低于NaCl H2O溶液临界线的条件。中地壳的流体处于由亚临界态跨越临界态,进入超临界流体太的演化过程。这种流体的性质变化会引起水/岩相互作用的反应动力学涨落和矿石大量沉淀。 相似文献
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实验研究岩石圈深部流体及相关科学问题 总被引：1，自引：0，他引：1
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200～800MPa,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。 相似文献
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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。 相似文献
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实验岩石学通过高温高压实验来模拟地球内部状态,正演研究矿物、岩石及其组分的物理化学行为,与天然矿物和岩石样品反演研究相互补充. 从20世纪初美国卡内基研究所建立地球物理实验室算起,实验岩石学已经历了100多年的发展,在认识地球内部状态和过程以及矿物和岩石成因方面发挥了重要作用. 我国实验岩石学研究开展约50年,进入21世纪以来在实验平台和创新性研究成果方面取得了显著进步. 在学科发展趋势方面,实验岩石学表现出以下6方面的特点:（1）新的高温高压实验技术不断涌现;（2）实验与分析测试技术高度融合;（3）实验模拟与计算模拟相结合;（4）从热力学平衡扩展到动力学研究;（5）从干体系扩展到对挥发分和流体的深入研究;（6）应用场景从固体地球扩展到类地行星. 通过进一步开发或改进高温高压实验技术,加强与分析测试技术以及计算技术的结合,实验岩石学有望在破解地球内部流体的性质和作用、地幔演化和岩浆分异、变质反应速率和机制、类地行星形成与演化等重要科学问题方面作出关键贡献. 相似文献
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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。 相似文献
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为了模拟庐枞火山盆地基底的水热反应和正长辉长岩-二长岩-正长岩与水相互作用,深入剖析深部流体携带金属来源的可能性,本文利用开放流动体系的叠层流动反应器实验研究25~435℃、23~35MPa条件下二长岩-正长岩与水相互作用的化学动力学过程。研究表明,造岩元素、成矿元素和痕迹元素,在低温至水临界态的升温过程中溶解产物在水中的浓度(或溶解速率)不断变化,它们的最大溶解速率出现在不同温度。主要元素Si、Al等最大溶解速率出现在300~400℃范围,即,在跨越水的临界温度时出现溶解速率的涨落。或者说,正长岩-H2O体系中元素的溶解速率主要是温度的函数,此外,压力也对大部分元素的溶解速率产生影响,但是,对于各元素溶解速率随温度而变化的基本规律影响不大。实验重要的发现:相当于中地壳的温度即300~400℃时反应很特殊。硅酸盐矿物的硅被强烈溶失和矿物岩石会垮塌。实验表明:相当于中地壳温度(300~400℃)发生的二长正长岩与水相互作用对庐枞火山盆地深部矿床形成产生重要影响。长期的含金属流体活动造成了金属矿石的形成。水/岩反应动力学过程的温度因素:不同金属元素的最容易溶解和沉淀温度的区别导致了金属-蚀变分带性。实验还揭示,纯水与二长正长岩的反应可以淋滤出大量有色金属元素,在溶液的浓度可以到几百×10~(-9),如Ni、Mn、Cu、Zn,它们从二长正长岩里被溶解释放速率也很高。以往,研究表明火山盆地铁矿的物质来源于围岩。这次实验研究显示:水与二长正长岩的反应同样影响着盆地金属矿的形成和盆地深部、上中地壳的流体性质。实验对于理解上中地壳发生的水岩相互作用也有普适性意义。 相似文献
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结合水动力学原理在尼尔基水利枢纽·右岸副坝下游浸没研究中的应用 总被引：3，自引：0，他引：3
应用结合水动力学原理，采用野外调查和室内试验研究相结合、宏观 观研究和粘土微观研究相结合的方法，对粘土层的渗流特征进行了专门研究，确定粘土起始比降I0值，以确定测压水位与粘土不带水位、毛细力与毛管水上升高度之间的关系。在三维渗流电网络计算的基础上，进一步进行了粘土层内含水带的埋深计算，并重新选定毛管水上升高度值和浸没临界深度。研究结果表明，副坝下游浸没范围和程度大大减轻，只要进行适当的工程处理，下游浸没影响当可消除，建筑物安全也是有保证的。 相似文献
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结合水对海积软土流变性质的影响 总被引：7，自引：2，他引：7
海积软土的变形和强度性质与时间有明显的相关性，其原因之一是其中含量较多的结合水。土在一定压力下先排出自由水，然后是结合水，结合水膜厚度发生改变。压力改变结合水膜厚度，引起粘滞系数改变。通过剪切增变试验得到了粘滞系数与压力呈线性关系。研究粘滞系数与压力之间关系对修正或建立较为符合实际的本构模型有一定意义。 相似文献
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A bond failure criterion for DEM simulations of cemented geomaterials considering variable bond thickness 总被引：1，自引：0，他引：1
A series of micromechanical tests were conducted to investigate the bond failure criterion of bonded granules considering the effect of bond thickness, with the aim of enhancing the bond contact model used in the distinct element simulations of cemented geomaterials. The granules were idealized in a two‐dimensional context as one pair of aluminum rods bonded by resin epoxy or cement. The mechanical responses of nearly 500 rod pairs were tested under different loading paths to attain the yield loads of bonded granules at variable bond thickness. This study leads to a generic bond failure criterion incorporating the effect of the bond thickness. The results show that the bond compressive resistance largely decreases with increasing bond thickness owing to the presence of the confinement at the bond‐particle interface. The strength envelopes obtained from the combined shear compression tests and combined torsion compression tests have identical functional form, and they decrease in size with increasing bond thickness but remain unchanged in shape. Given the same cementation material, the generic bond strength envelope in a three‐dimensional contact force space under different loading paths remains the same in shape but shrinks with the increase of bond thickness. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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黏滞系数是表征土的蠕变和流动特性的重要指标。对黄石、漳州、青岛地区结构性软土进行电子显微镜扫描、颗粒分析、X衍射试验和化学分析试验,测试结果表明,软土的粒度成分、矿物成分、物理化学性质、结构类型对黏滞系数影响较大。软土蠕变过程中,结构单元体发生定向排列或产生滑动,其相对运动使结合水的黏滞性反映出来,进而引起黏滞系数的变化。进行直接剪切蠕变试验,并通过陈氏法处理蠕变试验数据。试验结果表明,黏滞系数随剪应力的增加达到峰值,固结压力越大,峰值体现越明显,峰值对应的剪应力也越大,这主要是微观结构随剪应力增大逐渐破损所引起的。固结压力增大,结合水膜厚度变薄,土颗粒间连接力增强,黏滞系数也随之增大。用不同固结压力下黏滞系数峰值对应的剪应力代替临界抗剪强度,提出了一个新的求取长期强度的方法,并通过试验数据验证了方法的正确性。该研究有助于进一步认清蠕变机制,对修正或建立较为符合实际的本构模型有一定意义。 相似文献
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不同胶结厚度下粒间胶结力学特性的试验研究 总被引：1，自引：0，他引：1
为研究胶结物厚度对粒间胶结强度的影响,在蒋明镜等[1－4]已完成的0.6 mm厚度的环氧树脂和水泥微观胶结模型试验基础上,进一步选取1.0 mm和1.5 mm两种胶结厚度,通过一系列接触力学特性测试,并结合0.6 mm厚度的试验数据,分析了在不同胶结厚度和不同胶结物类型下,粒间胶结强度指标的变化规律。试验结果表明：随着胶结厚度的增加,峰值抗拉荷载增大,峰值抗压荷载减小;同一胶结厚度下,随着法向压力的增大,两种胶结物的峰值抗剪和抗扭荷载均先增大后减小,而同一法向压力下,随着胶结厚度的增加,二者的峰值抗剪和抗扭荷载均随之减小。在三维应力空间中（法向压力-扭矩-剪力）,两类胶结强度包线分别为水滴状、橄榄球状且随胶结厚度的增加而缩小,但形状不发生变化。 相似文献
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This paper presents two test procedures for evaluating the bond stress–slip and the slip–radial dilation relationships when the prestressing force is transmitted by releasing the steel (wire or strand) in precast prestressed elements. The bond stress–slip relationship is obtained with short length specimens, to guarantee uniform bond stress, for three depths of the wire indentation (shallow, medium and deep). An analytical model for bond stress–slip relationship is proposed and compared with the experimental results. The model is also compared with the experimental results of other researchers. Since numerical models for studying bond‐splitting problems in prestressed concrete require experimental data about dilatancy angle (radial dilation), a test procedure is proposed to evaluate these parameters. The obtained values of the radial dilation are compared with the prior estimated by numerical modelling and good agreement is reached. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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土体粒间胶结是建立天然结构性土本构模型的决定性因素之一,将胶结颗粒理想化为两铝棒,在指定位置处形成胶结。采用水泥作为胶结材料,对胶结颗粒进行了一系列简单加载试验（包括拉伸、压缩、压剪、压扭）和复杂应力路径试验,并与蒋明镜等所做的环氧树脂胶结试验进行对比。结果表明：胶结材料对胶结颗粒的力学性能存在一定影响,但基本规律符合蒋明镜等所提出的理想颗粒间胶结模型。水泥胶结抗拉强度低于环氧树脂胶结抗拉强度,但延性相对较好,抗压特性均呈塑性软化现象;二者的抗剪强度初始均随法向压力的增加而增大,当法向压力超过一定值时,又随法向压力的增加而减小（该压力称为界限法向压力）,但水泥胶结的界限法向压力明显高于环氧树脂胶结,扭转试验规律与剪切试验规律类似。在三维应力空间中（法向压力-扭矩-剪力）水泥胶结的强度包线呈橄榄球状,环氧树脂胶结强度包线呈水滴状。 相似文献
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A simple three‐dimensional distinct element modeling of the mechanical behavior of bonded sands 
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下载免费PDF全文 This paper presents a simple three‐dimensional (3D) Distinct Element Method (DEM) for numerical simulation of the mechanical behavior of bonded sands. First, a series of micro‐mechanical tests on a pair of aluminum rods glued together by cement with different bond sizes were performed to obtain the contact mechanical responses of ideally bonded granular material. Second, a 3D bond contact model, which takes into account the influences of bond sizes, was established by extending the obtained 2D experimental results to 3D case. Then, a DEM incorporating the new contact model was employed to perform a set of drained triaxial compression tests on the DEM bonded specimens with different cement contents under different confining pressures. Finally, the mechanical behavior of the bonded specimens was compared with the available experimental results. The results show that the DEM incorporating the simple 3D bond contact model is able to capture the main mechanical behavior of bonded sands. The bonded specimen with higher cement content under lower confining pressure exhibits more pronounced strain softening and shear dilatancy. The peak and residual strengths, the apparent cohesion and peak/residual friction angles, and the position and slope of the critical state line increase with increase in cement content. Microscopically, bond breakage starts when the system starts to dilate and the maximum rate of bond breakage coincides with the maximum rate of dilation. Bond breakage is primarily due to tension‐shear failure and the percentage of such failures is independent of both confining pressure and cement content. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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The cohesive‐frictional nature of cementitious geomaterials raises great interest in the discrete element method (DEM) simulation of their mechanical behavior, where a proper bond failure criterion is usually required. In this paper, the failure of bond material between two spheres was investigated numerically using DEM that can easily reproduce the failure process of brittle material. In the DEM simulations, a bonded‐grain system (composed of two particles and bond material in between) was discretized as a cylindrical assembly of very fine particles connecting two large end spheres. Then, the bonded‐grain system was subjected to compression/tension, shear, rolling and torsion loadings and their combinations until overall failure (peak state) was reached. Bonded‐grain systems with various sizes were employed to investigate bond geometry effects. The numerical results show that the compression strength is highly affected by bond geometry, with the tensile strength being dependent to a lesser degree. The shear, rolling and torsion strengths are all normal force dependent; i.e., with an increase in the normal force, these strengths first increase at a declining rate and then start to decrease upon the normal force exceeding a critical value. The combined actions of shear force, rolling moment and torque lead to a spherical failure envelope in a normalized loading space. The fitted bond geometry factors and bond failure envelopes obtained numerically in this three‐dimensional study are qualitatively consistent with those in previous two‐dimensional experiments. The obtained bond failure criterion can be incorporated into a future bond contact model. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献