| 热液金刚石压腔(HDAC)无压标物质的压力标定初探 |
| 陈娟
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| 导师 | 李和平
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| 2013
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| 学位授予单位 | 中国科学院研究生院
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位名称 | 博士
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| 学位专业 | 地球化学
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| 关键词 | 热液金刚石压腔
无压标
压力标定
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| 摘要 | 金刚石压腔（简称DAC)是一种精致小巧的高温高压实验装置，热液金刚石压腔(简称HDAC)是在DAC的基础上改进了的更适合用于热液流体体系实验的装置，它在硅酸盐熔融、石油和有机岩石热解、甲烷水合物合成、流体包裹体、元素活化转移及分配、矿物溶解度、水中络合物的形成物种和结构、水的粘度等方面都具有广阔的应用前景。 压力是HDAC中的一个基本参数。目前，HDAC中压力的测定主要有水流体状态方程法和石英拉曼峰位移法。水流体的状态方程法其主要原理是基于事先已知的压腔内水流体的等密度温度-压力定量关系（由理论计算或实验获得），通过测量压腔内水流体的均一温度从而获得给定温度下压腔内的压力值。该方法可适用的最高温度与压力分别为2.2 GPa、1100℃，但由于该方法的原理是基于升温过程中样品腔体积不变的假设，因此所获结果不可避免存在较大的误差。石英拉曼峰位移法其原理则是基于石英的 464 cm-1 拉曼峰漂移与压力和温度之间的定量关系，通过原位测量水流体样品腔内压标物质石英464 cm-1拉曼峰在给定温度下的漂移量来获得样品腔内的压力值。该方法目前使用的最高温度和压力分别为560℃、2.1 GPa，压力测量精度为±50 MPa。然而，在该方法中，由于样品腔内压标物质石英的加入，因此该法仅适用于模拟含石英的水热体系；由于需原位测量石英的拉曼光谱，因此该法只能用于拉曼光谱与HDAC联用的场合；而其压力测量精度仅能达到±50MPa，对于地球内部热液体系的主要赋存场所地壳所涉及的压力范围，该精度通常难以满足实验要求。针对上述目前用于HDAC中压力标定的各种方法的不足，本论文工作以纯水体系为例，基于对HDAC样品腔体积的高精度原位测量和前人有关水流体的高精度P（压力）-V（体积）-T（温度）或P（压力）-D（密度）-T（温度）状态方程，在国际上首次尝试了建立一种用于HDAC的无压标物质压力标定新方法并获得初步成功。其中，主要工作包括： 1、尝试了包括下砧面激光剥蚀标记法、下砧面金膜反射法以及同轴激光聚焦光斑移动法等原位测量圆柱状样品腔高度的多种方法。结果表明，在实验中意外发现的一种新现象，即位于压砧与水流体样品接触界面附近的同轴激光聚焦光斑其大小和亮度与焦平面位置存在敏感关系，可用于样品腔高度的高精度原位测量，尤其借助图像增强-数码变焦软件对光斑图像进行处理，使得利用同轴激光聚焦光斑移动法原位测量圆柱状样品腔高度的精度可达到0.5 μm，大大超出了下砧面激光剥蚀标记法和下砧面金膜反射法的测量精度。 2、基于所使用的Leica显微镜系统（50倍物镜）在焦平面上0.2 μm的长度测量精度，利用上述同轴激光聚焦光斑移动法，分别对以钛片（初始厚度H0=0.50 mm，0.40 mm初始直径d0=0.40 mm）、铼片（H0=0.125 mm，d0=0.350 mm）和T301不锈钢片（H0=0.50 mm，d0=0.50 mm；H0=0.50 mm，d0=0.40 mm；H0=0.40 mm，d0=0.50 mm；H0=0.30 mm，d0=0.35 mm）作为HDAC垫片的样品腔体积在加压过程中的变化进行了测量。结果表明，在所有尝试过的垫片材料中，由H0为0.50、0.40 mm和d0为0.50，H0为0.50 mm和d0为0.40 mm，以及H0为0.30和d0为0.35 mm的T301不锈钢垫片所获得的样品腔体积测量精度最为理想，由其它材质和尺寸的垫片所获得的样品腔体积测量精度由于垫片材料强度较低易于变形（如钛片）或/和样品腔初始孔径和高度过小因此相对较差。 3、基于上述测量所获得的样品腔体积及其误差结果，借助前人所获得的高精度纯水P-V-T和P-D-T状态方程，计算获得了具不同初始厚度和样品腔孔径的不同材质垫片在加载过程中样品腔内的压力及其误差。结果表明，在实验所覆盖的约0~1.0 GPa压力范围内: （1）采用本论文工作中建立的无压标物质压力标定新方法所获得的压力标定结果其误差随垫片的材质、初始厚度以及样品腔初始尺寸不同而不同。其中，垫片材质强度愈高、初始厚度和样品腔初始孔径愈大，标定结果的误差愈小；反之，标定结果的误差愈大。 （2）若在本工作建立的无压标物质压力标定新方法中采用纯水的高精度P-V-T状态方程来获取样品腔内的压力，由上述2中H0为0.50 mm和0.40 mm的T301不锈钢垫片所获得的样品腔内的压力标定值均落在对应石英标压力误差范围内，且前者的误差均明显小于石英标的压力标定误差±50 MPa，但由其它材质或/和尺寸的垫片所获得的压力标定结果与石英标比较无明显的优势。 （3）若在本工作建立的无压标物质压力标定新方法中采用由IAPWS-95运算程序所获得的高精度纯水P-D-T状态方程来获取样品腔内的压力，由上述2中H0为0.50 mm的T301不锈钢垫片所获得的样品腔内的压力标定值均落在对应石英标压力误差范围内，且前者的误差均明显小于石英标的压力标定误差±50 MPa，而由其它材质或/和尺寸的垫片所获得的压力标定结果与石英标比较无明显的优势。 综上不难看出，本论文工作为HDAC系统建立的无压标物质压力标定新方法初步获得成功，该方法与传统的水流体状态方程法和石英拉曼拉曼峰位移法相比，无论在测量精度、体系的适用性还是使用场合的广泛性均具有明显的优势。 |
| 其他摘要 | Diamond anvil cell(DAC) is a kind of delicate and smart device for high temperature and high pressure experiment, hydrothermal diamond anvil cell(HDAC) was the result of several modifications to an old style of DAC to make it more suitable for hydrothermal experiment，it is widely applied to silicate melts under hydrothermal conditions、thermal decomposition of petroleum and organic rocks、the synthetic experiments of methane hydrates、fluid inclusions、activation and transfer and partitioning of element、solubility of minerals、structure and speciation of complexes in water、viscosity of water and so on. Pressure is an essential parameter of HDAC. Recently, the main methods for pressure determination are: the equation of state (EOS) of hydrous fluid and In-situ Raman frequency shift of quartz. The main principle of EOS of hydrous fluid is based on known quantitative relation of isochore density temperature-pressure (which can be obtained from theory calculation or experiment). We can obtain the pressure at a given temperature by means of measuring the homogenization temperature of hydrous fluid of sample chamber in HDAC. This method can make temperature and pressure up to 1100℃ and 2.2GPa. However, the principle of this method is based on the assumption of constant volume of sample chamber during heating, so the obtained result causes error unavoidably. The principle of In-situ Raman frequency shift of quartz is based on quantitative relation of the quartz Raman frequency (464cm-1) shift with pressure and temperature. We can obtain the pressure of sample chamber by means of measuring the Raman frequency (464cm-1) shift of quartz used as a pressure calibrant of hydrous fluid in sample chamber at a given temperature. Recently, this method is suit for experiments at temperature up to 560℃ and pressure up to 2.1GPa, the uncertainty of the pressure is about ±50MPa. However, because of adding quartz as a pressure calibrant, so this method is suit only for simulate SiO2-saturated hydrothermal systems；this method is related to in-situ Raman spectroscopy of quartz , except for Raman spectroscopy, other equipments will not be applied；the uncertainty of the pressure is only ±50MPa，this precision is always hard to meet experimental damands for pressure range involving crust which as a main occurrence site for hydrothermal system in earth interior. According to the above two methods for HDAC pressure determination exist |
| 学科领域 | 地球深部物质与流体作用地球化学
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://ir.gyig.ac.cn/handle/352002/5852
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| 专题 | 研究生_研究生_学位论文
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
陈娟. 热液金刚石压腔(HDAC)无压标物质的压力标定初探[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2013.
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