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高温高压微束衍射实验进展及其地学应用 总被引：6，自引：6，他引：6
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。 相似文献
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地幔矿物的波速测量研究是认识地球深部物质组成和性质的重要方法.国际上在大压机中利用超声波技术对地幔矿物材料开展了广泛的波速测量研究,实验温压范围达到地幔转换带条件,而国内大压机超声波波速测量局限于6 GPa压力以内.在中国地质大学(武汉)地球深部研究实验室1 000 t Walker型多面砧大压机上,利用超声波技术,建立了一套高压波速测量系统,对地幔转换带矿物Mg2SiO4瓦兹利石多晶样品在18 GPa压力范围内的弹性波速进行了测量,测量结果与前人超声波波速测量结果相比总体吻合程度良好.利用多面砧大压机和超声波技术,在国内首次实现了地幔转换带高压条件下的波速测量,缩短了我国高压波速测量水平与国外先进水平的差距,同时可以为中国及周边地区地球物理观测资料的解析提供矿物物理方面的实验约束,为国内岩石矿物和固体材料的弹性研究提供实验技术支持. 相似文献
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《矿物岩石地球化学通报》2017,(1)
名义上无水矿物(NAMs)是深部地球的主要物相,是构成深部地球最主要的水储库。过去的几十年里,人们对地球深部水的分布及其对矿物乃至岩石系统的宏观效应的认识取得了长足进展,但是对水效应微观机制的关注较为欠缺。分子光谱是联系固体宏观性质和微观过程的重要手段,而且原位高温分子光谱实验能够直接测量矿物在地球深部温度下的电子吸收、分子振动和转动。本文按照波谱频率的高低,主要介绍了原位高温分子光谱在研究名义上无水矿物中的应用:研究地幔的辐射传热,地球深部温度下NAMs中水的状态,以及地幔的热力学性质。旨在让更多的学者能够在分子级尺度上认识深部地球性质和动力学过程。 相似文献
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同步辐射在矿物高压结构研究中的应用 总被引：3，自引：0，他引：3
本文介绍了同步辐射光源的特点、金刚石对顶玷(DAC)技术原理和相关的压力内标、传压介质、密封垫等问题，以及同步辐射光源与DAC技术结合在矿物高压结构研究中的应用，并以北京同步辐射装置(BSRF)高压站为基础，结合绿帘石的能量X射线(energy dispersive X-ray diffraction，EXED)实验，说明在高压原位实验过程中的制样、标压物质和20选择、数据收集和处理等问题。 相似文献
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核-幔物质晶体化学、矿物学及矿床学初探 总被引：2，自引：1，他引：1
大量的高温、高压实验表明随着温度和压力的增加 ,地幔氧化物及硅酸盐的晶体结构会发生与其温度和压力相适应的多型转变 ,并导致元素金属性的增加 ,即氧离子半径的缩小以及硅和其他阳离子半径的增大。来自地核部分物质的晶体化学及晶体物理目前还很少涉及 ,根据其物质组成 ,可能具有金属及金属互化物的性质 ,即原子呈等大球最紧密堆积 ,具有高熔点、难溶性等特征。在地球形成时作为地核物质是最先凝聚的 ,并由于重力分异沉入地核 ,上升至浅部时不与其他元素化合 ,保持了零价状态 ;等大球最紧密堆积使其在地球各层圈中晶体结构保持恒定。地幔热柱使核、幔物质上升至地球浅部成为可能 ,并形成矿物及矿床。以西藏罗布莎铬铁矿床为例 ,已经发现了多达 5 0种的铂族元素矿物、铁族元素矿物及其金属互化物 ,包括成分复杂多变的Os Ir ,Os Ir Ru ,Pt Fe ,Ir Fe Ni,Fe Ni Cr及Fe Co等矿物 ,它们还与来自核幔边界的Si,Fe ,FexSiy,FeO和SiO2 矿物共生 ,其中铂属矿物及其金属互化物矿物应视为来自E层的地核矿物 ;探讨了该区矿物与陨石矿物在共生组合方面的相似性 ,地核矿物的聚集可能会形成新型的金属元素矿床 相似文献
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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. 相似文献
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前言由于宇宙技术的发展,虽然已经进入可以探集月面岩石,观察火星、金星表面的时代,但人类在地球上钻探的深度不超过10公里。半径6,370公里的地球内部体积的99％的是人类尚未踏入的领域。虽未踏进,但现代固体地球学以超高压高温的物性实验为媒介,得到了关于地球深部构成物质的相当精细的认识。在这里介绍以地幔和地核为研究对象的最新认识。图1把地球内部的压力作为深度的函数来表示。由图可知,以地幔为对象的室内实验需要能够实现大致100万个大气压1GPa=10Kb范围的装置,与地核相同压力范围的 相似文献
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近年来在球粒陨石冲击脉体中陆续发现了一些天然高压新矿物和矿物组合，这些发现为地球深部碱性元素的地球化学行为的研究提供了重要依据。在地幔过渡带温度和压力条件下，钠和钙离子优先结合到镁铁－镁铝榴石固溶体和长石高压多形之中，钾离子则选择性地进入到长石高压多形中，副矿物涂氏磷钙石是Na、Ba、Sr和轻稀土等元素的潜在载体相。天然冲击变质球粒陨石为我们提供了探索过渡带和下地幔温度、压力条件下碱性元素载体相特征的重要自然界样品。 相似文献
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《矿物学报》2020,(1)
深部地球中的结构水以其独特的物理和化学性质影响着一系列地球化学和地球动力学过程。本文根据近年来地球内部含水性研究的进展,对地幔的储水能力进行估算,得出上地幔平均含水0.03%,其储水能力约为海洋水的0.12倍。水在地幔过渡带矿物中的溶解度较高(约1.53%),使得地幔过渡带储水能力约为海洋水的4～5倍,下地幔矿物的含水性研究目前还存在很大的争议,高温高压水溶性实验、理论计算以及地球物理方法等均不能对其进行很好的限制。现阶段已有的研究数据表明,下地幔矿物的含水量相对较低(约0.13%),但由于下地幔庞大的体积和质量,使得其储水能力是海洋水的2～3倍,整个地幔平均含水约0.26%,其储水能力约为海洋水的6～8倍。为了估算整个地球内部各圈层的储水能力,本文基于Murakami关于地球起源于碳质球粒陨石,其含水量约2%的结论,估算得出地核的储水能力约为海洋水的76.8倍,进而推断地核中可能含有0.6%左右的氢元素。 相似文献
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微量元素在幔源矿物与热液之间分配系数的差异是造成地幔不均一的一个重要因素，对于认识地球演化、元素的分异和板块构造具有重要的意义。热液的组成、矿物的结构、温度、压力以及氧逸度都与分配系数密切相关。不同微量元素在相同矿物或热液中的分配系数存在差别，而相同的元素在不同矿物中的分配系数也可能出现很大的变化，这是研究微量元素分异和不同地幔端员形成的理论基础。在较低的温度和压力下，热液的组成对分配系数的影响很大，随着温度和压力的升高，热液组成的影响逐渐减弱，而矿物的组成与结构的影响逐渐增大。由于分配系数影响因素的复杂性，因此在考虑地球深部微量元素的迁移和分异时需慎重对待。 相似文献
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上天、入地、下海,进行极端条件下的矿物学研究,研究微矿物,发现新矿物。主要利用金刚石压机,结合使用国内外同步辐射X-光源、中子源,以及其他多种物理的、化学的、光学的测试手段(如岩石矿物化学分析,光薄片测定,电子探针,离子探针,扫描电镜,透射电镜,红外、紫外、拉曼光谱,激光加热等),对来自天外的陨石、陨石坑样品、地球深处地幔源矿物以及海底甲烷水合物进行了一些研究。模拟不同温度和压力下各种不同成分的矿物材料的晶体结构、物理和化学性质。文章着重研究从地球内核到地壳海底的各种不同组分在不同温度、压力极端环境下形成的各种各样的典型矿物:从金属固体内核和金属液体外核中的ε-Fe到核幔边界(CMB)地球D″层的后钙钛矿(Post-Perovskite)结构(ppv)镁铁硅酸盐(Mg,Fe)SiO3,从下地幔中的铁磁性钙钛矿(Perovskite)结构(pv)镁铁硅酸盐布里奇曼石(Bridgmanite)(Mg,Fe)SiO3、镁铁氧化物(Fe,Mg)O和后尖晶石(Post-Spinel)结构的含Fe3+毛河光矿(Maohokite)(HP-Mg$Fe^{3+}_{2}O_{4}$)到过渡带、上地幔和地壳中的镁铁硅酸盐、硅氧化物、铬铁氧化物和金刚石及其内含物以及甲烷水合物(CH4·H2O)等。进行高温高压极端条件下的矿物学研究,为探索地球结构性质、形成动力和发展历史提供了新的窗口。 相似文献
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Jinfu Shu 《地学前缘(英文版)》2012,3(1):1-8
We have performed measurements of minerals based on the synchrotron source for single crystal and powder X-ray diffraction,inelastic scattering,spectroscopy and radiography by using diamond anvil cells.We investigated the properties of iron（Fe）,iron-magnesium oxides（Fe,Mg）O, silica（SiO2）,iron-magnesium silicates（Fe,Mg）SiO3 under simulated high pressure-high temperature extreme conditions of the Earth’s crust,upper mantle,low mantle,core-mantle boundary,outer core, and inner core.The results provide a new window on the investigation of the mineral properties at Earth’s conditions. 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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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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同步辐射与高压矿物学研究 总被引：3，自引：1，他引：2
同步辐射(synchrotron radiation)装置是能产生极高亮度电磁波的一类大科学装置。利用同步辐射和金刚石压腔(DAC)技术,可以研究矿物在高压下的结构和物理性质及其变化。文章简要介绍了同步辐射光源及其特点,对DAC和高压实验技术的相关问题进行了说明,并基于北京同步辐射装置(BSRF)高压站的能量色散X射线衍射(EDXD)实验状况,对获得的部分高压矿物学研究成果,如钙钛矿CaTiO3、硬玉、钛闪石、电气石、绿帘石等矿物的高压结构和状态方程进行了回顾。 相似文献
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弹性性质和波速是矿物重要物理性质. 实验测量的弹性性质和波速与地震学观测结果的对比,是确定地球内部物质组成、理解地球内部圈层结构形成机制和揭示地球内部物质分布不均一性最为直接和重要的手段. 在过去20年,伴随大腔体压机、金刚石压砧、同步辐射X光、激光加热等技术的快速发展,在地球内部相应温度和压力下测量主要构成矿物的弹性性质和波速取得了巨大进展. 综述了矿物物理在地球内部矿物弹性性质和波速实验测量的发展历史、近20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. 相似文献
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The partitioning of iron between Mg-rich perovskite (Pv) and ferropericlase (Fp) was investigated for a pyrolitic bulk composition over a wide range of simulated lower-mantle pressures and temperatures from 28 to 114 GPa and from 1,900 to 2,300 K, in a laser-heated diamond anvil cell (DAC). The recovered DAC samples are chemically homogeneous, indicating a relatively small temperature gradient during laser heating. The chemical compositions of coexisting Pv, Fp, and Ca-rich perovskite (CaPv) were determined by energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) using an EDS instrument attached to a transmission electron microscope. Our results demonstrate that at pressures above 90 GPa, Pv becomes more Fe-rich with increasing pressure, which is likely due to the effects of high-spin to low-spin crossover of Fe3+ in Pv. We highlight that such a change in Fe–Mg partitioning between Pv and Fp should have a strong influence on the physical properties of the deep lower mantle. 相似文献
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Low-divergence synchrotron-sourced X-rays enable a radiographic imaging scheme for full characterization of binary chemical reactions and characterization by type of more complex reactions, in situ, in diamond anvil cells (DAC). Spatially resolved reactants are induced to react by laser heating of their interface. The spatially intermediate products are observed through X-ray absorption contrast. Limits to the technique include the ability to maintain controlled experiment geometry during compression and the ability to resolve chemical differences between reactants and products by X-ray absorption. The ability to make in situ observations at experimental pressure and temperature obviates the problem with quenching techniques for capturing liquid compositions in experiments with dimensions smaller than the diffusion length during quenching time. Partially molten Fe-alloy systems, of poor quenchability, are examined at DAC pressures and temperatures for relevance to Earth's core constitution and evolution. Determinations of eutectic melting in Fe–FeS match known results. Of the probable light elements that may alloy with Fe in the Earth's liquid outer core, Fe–FeS experiments show only modest quenching problems, but C and Si alloy experiments are highly vulnerable to quenching artifacts. The observed reactivity of FeS, Fe3C, FeSi, and FeO(OH) with Fe in DAC makes the observed non-reactivity between Fe and FeO more significant, reducing the probability that oxygen alone is the major alloy in Earth's molten outer core. 相似文献
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地球内部物质物性的原位高温高压研究:大体积压机与同步辐射源的结合 总被引：2，自引：1，他引：2
大体积压机(large-volume press,简称为LVP)与金刚石对顶砧(diamond-anvil cell,简称为DAC)是两种相辅相成的、在高压研究中不可或缺的重要技术。大体积压机在温压范围上较金刚石对顶砧小,但它具有更加均匀的温压环境以及高于金刚石对顶砧几千以至百万倍的试样体积。这些特色使大体积压机成为精确测量试样整体物性和系统研究复杂材料系列的理想工具。在过去的20年里,高压和同步辐射技术方面的进展使大体积高压研究取得了革命性的突破。文中选择近期地学界的一些重要科研成果和技术突破作为例子,力图对同步辐射和大体积高压技术在高温高压研究中的近期进展作综合评述,最后简略讨论了LVP的发展前景。 相似文献
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钛闪石的高压结构及其地质意义 总被引：1，自引：0，他引：1
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。 相似文献