研究生知识库

矿物中的元素扩散系数是一个非常重要的地球物理参数，对矿物中元素的扩散系数进行研究可以为地球内部的许多物理化学过程提供准确记录和定量约束，还可以通过扩散系数对地质过程进行反演。石榴子石作为地球中广泛分布的矿物，其内部元素的扩散问题已经得到了一定的研究，但是水的存在对石榴子石中元素扩散性质的影响还没有相关报道。本文以石榴子石中Fe-Mg系数为研究对象，从高温高压实验的角度出发，获得了第一组含水条件下石榴子石中Fe-Mg互扩散数据讨论了水对石榴子石中Fe-Mg互扩散系数的影响。本文的主要工作包括：(1)含水石榴子石的合成：通过在合成石榴子石的氧化物玻璃中加入不同质量百分数的Al(OH)3，使用多面顶压机在高温高压条件下合成一系列含水石榴子石。合成后的晶体经过拉曼光谱分析的确认，石榴子石具体的水含量通过傅里叶变换红外光谱计算获得。(2)含水石榴子石的扩散实验：将合成的水含量相近的铁铝榴石和镁铝榴石组成扩散偶，利用YJ-3000吨压机在3 GPa，1200 °C条件下进行了Fe-Mg互扩散实验，结果显示水的存在可以显著提高石榴子石中Fe-Mg互扩散系数。除了恒温恒压的扩散实验之外，我们还对水含量相同的石榴子石扩散偶进行了恒压变温的扩散实验，以得到扩散系数随温度变化的阿伦尼乌斯方程。在通过扩散曲线计算扩散系数的过程中发现Fe-Mg互扩散系数受扩散偶中元素浓度的影响，使用Fe元素扩散曲线计算时，扩散系数随Fe元素浓度增大而减小。所以在计算阿伦尼乌斯方程时，选择了与前人在无水条件下进行Fe-Mg互扩散实验时相同的Fe元素浓度用于对比。(3)尝试性地将实验获得的含水条件下石榴子石中的Fe-Mg互扩散系数应用于天然石榴子石环带中的元素浓度曲线中，计算得到天然石榴子石所经历的冷却过程的时间尺度和冷却速率，推断该石榴子石所处地质体经历过一段长时间的缓慢冷却后被抬升剥露。除了计算降温速率外还通过能斯特-爱因斯坦方程计算了不同水含量石榴子石对应的离子电导率，发现随扩散系数的增加。