光散射谱学在地球内部物质弹性波速测量中的应用与展望

高温高压下地球内部物质弹性波速的实验测量数据,可直接与地震波观测结果相结合,对地球内部的组成、状态和物质运移方式等进行反演,是了解地球深部信息的重要手段。在金刚石压砧(diamond anvil cell,DAC)中利用布里渊散射对矿物波速进行原位测量,是人们研究地球各圈层弹性性质的重要方法。随着DAC实验技术发展,一方面,可以获得模拟地球各圈层的极高温压条件;另一方面,DAC的光学特性使得各种光学分析和测试方法得到了广泛的应用。要获得高温高压下的弹性波速,首先需要对样品腔中的实验压力和加热温度进行精确的标定和测量;其次需对散射信号进行处理,通过布里渊散射频移,求出样品中的波速;最后结合X射线技术获得的晶格常数,可由固体弹性理论解出矿物的各弹性参数。重点介绍了布里渊散射和拉曼散射等光谱学方法在弹性波速实验研究中的应用,阐述了它们在波速测量、压力和温度标定等方面的基本原理和研究进展。分析了两种光谱学定压方法(荧光光谱压标和拉曼光谱压标)的定压方式和适用范围,以及两种主要的光谱学温标(黑体辐射温标和拉曼光谱温标)在温度测量中的应用。最后,回顾了基于光谱学测量建立起来的布里渊散射系统对下地幔主要矿物(钙钛矿、方镁铁矿、斯石英等)弹性波速测量取得的新成果,深入讨论了它们的地球物理意义,并对其未来的发展进行了展望。

华北克拉通岩石圈地幔熔体与橄榄岩反应及相关高温高压实验

基于大量地幔包体的岩石学和地球化学研究,推断在大陆岩石圈地幔内部发育着熔体与橄榄岩反应,以华北克拉通岩石圈地幔最具典型。依据地幔捕虏体的矿物交代特征和相关元素地球化学指标,华北克拉通岩石圈地幔发育着硅酸盐熔体与橄榄岩反应(如吉林辉南、安徽女山、山东山旺、河北汉诺坝、内蒙古集宁、河北符山等地区)和碳酸岩熔体与橄榄岩反应(如河南鹤壁、山东铁铜沟、河南信阳等地区)。已有的熔体与橄榄岩反应高温高压实验研究的初始熔体也可以归为硅酸盐熔体和碳酸岩熔体两大类。这些实验研究为探讨异剥橄榄岩、纯橄岩、高镁安山岩、高镁埃达克质岩等特殊岩石成因及岩石圈地幔组成的变化提供了直接证据。今后通过进一步的熔体与橄榄岩反应高温高压实验研究,建立反应产物特征与初始熔体性质、组成的对应关系,是揭示华北克拉通岩石圈地幔从古老难熔型向"年轻"饱满型演化的重要途径。

阿尔泰造山带青河地区哈巴河群变质岩地球化学特征及稀有金属背景值研究

新疆阿尔泰造山带是我国重要的稀有金属成矿带。区内众多的稀有金属矿化伟晶岩被认为是地壳深熔的产物,区域上大量发育的哈巴河群变质岩被认为是潜在的物源。青河地区广泛分布哈巴河群变质岩,但该套地层能否通过深熔作用提供适量的成矿物质尚不清晰。本文对采自该套地层的岩石样品开展了岩石学、矿物学及地球化学等研究。样品主、微量元素组成分析结果表明,青河地区哈巴河群变质岩的原岩主要为泥砂质沉积岩,沉积碎屑主要来自酸性弧物源,碎屑成熟度较差,经历了简单的沉积循环。哈巴河群上亚群和下亚群的稀有金属背景值较中亚群高,且相对富集Li、Rb、Cs。部分熔融程度对稀有金属元素在熔融体中富集很重要,小比例的部分熔融有利于稀有金属元素在初始熔体中富集。

高温高压静水压条件下岩石纵波、横波速度和泊松比的实验研究

为了研究高温高压静水压条件下的岩石的弹性物理参数,利用自行研发的高温高压静水压(气压)装置,结合超声脉冲反射法对4块典型灰岩样品进行了高温(25~400℃)高压静水压(0~300MPa)的纵波、横波的速度测量,并对所测岩石的泊松比进行了计算。实验结果表明,在常温高压下,当气体围压小于200MPa时,岩石的纵波和横波速度呈非线性快速增加,当围压大于200MPa时,波速近似呈线性缓慢增加;当气体围压小于200MPa时,岩石的泊松比增加较快,围压大于200MPa时,泊松比变化很小,由此可推测所测实验灰岩样品的孔隙闭合压力大约为200MPa。恒压高温下,当温度小于300℃时,围压限制了裂隙的热扩张,纵波和横波近似呈线性缓慢变化,泊松比表现为不变或者缓慢增加。当温度大于300℃时,300MPa的围压已不能限制温度导致的裂隙扩张,岩石纵波和横波速度降低,泊松比略微降低。

锂辉石在花岗质熔体中溶解度及其成矿意义

本次研究利用快速淬火高温高压实验装置,在100MPa和650~850℃条件下,开展了锂辉石在简单花岗质熔体中溶解度及其影响因素的高温高压实验。实验结果表明温度是影响锂辉石在简单花岗质熔体中溶解度最为重要的因素,其次为铝饱和指数(ASI),而熔体的Na/K比值对锂辉石的溶解度几乎没有影响。结合已有的数据,建立了锂辉石溶解度与温度、铝饱和指数的关系:logLi_(2)O(%)=-0.61×(1000/T)+0.53×ASI+0.10,R^(2)=0.60其中T为绝对温度。该关系式可以用来量化锂辉石的结晶温度或评价花岗伟晶岩的成矿潜力。本次研究结果表明,伟晶岩矿床中锂的成矿潜力受限于初始岩浆中锂的含量和伟晶岩的结晶温度。

赤泥中铁的提取与回收利用研究进展

赤泥是综合利用率较低的工业固体废弃物,其资源属性受到广泛关注。赤泥中的铁资源,具有回收利用潜力,是国内外的研究热点。本文在概述了国内外赤泥物质组成特征的基础上,讨论了铁元素在赤泥中的赋存状态与分布情况。系统综述了国内外赤泥中铁提取回收方法与工艺路线的研究进展,提出将从赤泥中提取回收利用铁的方法归纳为直接物理分选法、还原-磁选法和湿法提取法。阐述了3类方法中分选、还原、提取等过程的基本原理,并从工艺路线的适用性、反应条件的控制、铁回收提取效率以及能耗与成本等角度,指出了不同方法存在的优点和缺点。指出成本是制约赤泥中铁回收技术取得工业推广的主要因素,并提出在回收赤泥中铁的同时,综合回收利用其他伴生元素是重要的发展方向。

赤泥中碱的分布特征与淋滤效果研究

赤泥中含有钠、钾等杂质,在堆存过程中不仅会造成环境污染,还会制约赤泥在水泥等建筑材料领域中的综合利用。利用电子探针、原位剥蚀等离子体质谱等微观分析手段分析研究了赤泥中钠、钾的分布特征。同时考察了不同p H的淋滤液对赤泥中钠、钾的淋滤效果。结果表明,p H为2、4、8这3种体系中,前10次取样共滤出拜耳法赤泥的钠分别大于17.6%、16.8%、19.6%;烧结法赤泥钠的滤出量分别为36.7%、53.1%、54.1%。p H为2、4、8的3种体系中,前10次取样共滤出拜耳法赤泥的钾分别为10.5%、10.1%、11.4%;烧结法赤泥钾的滤出量分别为40.0%、56.8%、57.5%。

黏土型锂矿资源提锂工艺研究进展

黏土型锂矿是自然界中重要的一类锂资源,具有分布广、储量大等特点。根据成因的不同,将其分为火山岩黏土型锂矿、碳酸盐黏土型锂矿和贾达尔锂矿,分类概述了国内外对黏土型锂矿的主要提锂方法,并讨论了各方法的特点。本文指出不同黏土型锂矿中锂的赋存状态存在差异,查清锂的赋存状态是开展锂提取工作的前提。从成本、杂质分离、环保等角度,展望了具有开发利用潜力的技术方法。

滇东南老君山地区伟晶岩年代学研究及其地质意义

利用LA-ICPMS和LA-MC-ICPMS技术,对老君山地区3条伟晶岩脉进行锆石U-Pb定年、Hf同位素组成研究。研究显示,3条伟晶岩脉的形成时代分别为209.6 Ma、381.2 Ma和389.4Ma,形成于晚三叠世和中泥盆世;其对应的Hf同位素组成分别为εHf(t)=2.61~8.63、εHf(t)=1.10~4.96和εHf(t)=–0.11~12.9;其对应的二阶段模式年龄分别为tDM2=694~1077 Ma、tDM2=1060~1304 Ma和tDM2=558~1388 Ma。结合前人对区域中其他伟晶岩中白云母Ar-Ar定年研究,本文提出老君山地区伟晶岩可划分出3个主要形成时期:晚三叠世209 Ma、中泥盆世381~389 Ma和晚侏罗世-早白垩世140~144 Ma。由于2条中泥盆世伟晶岩侵入于老城坡花岗岩中,不太可能是老城坡花岗岩分异演化残余岩浆固结的产物;而研究区未见三叠纪S型花岗岩,可以排除晚三叠世伟晶岩脉由S型花岗岩残余岩浆分异演化而形成的可能。基于上述,本文提出老君山地区伟晶岩形成于碰撞后伸展构造背景下古老沉积岩的减压熔融过程,它对滇东南地区在志留纪-泥盆纪、三叠纪构造-岩浆-成矿事件提供了新的约束。

电感耦合等离子体质谱-X射线衍射法研究云南玉溪和美国内华达地区黏土型锂资源矿物学特征

中国云南玉溪和美国内华达均已发现大量黏土型锂资源,目前关于两地区样品矿物学特征的研究相对不足,而对黏土型锂资源进行充分的矿物学特征研究是锂提取工作开展的重要前提。本文采用X射线荧光光谱、电感耦合等离子体质谱、X射线粉晶衍射、扫描电镜等分析技术,从化学组成、矿物组成、微观形貌等角度对云南玉溪的两个黏土型锂资源样品(YM-1和YM-2)和美国内华达的两个黏土型锂资源样品(Ame-1和Ame-2)进行对比分析。结果表明:玉溪地区和内华达地区样品的锂含量均高于1000μg/g,具有一定的开发利用价值,但这两个地区的黏土型锂资源样品在主要化学成分、矿物组成、微观形貌和锂赋存状态四个方面均存在较大差异。具体来说,(1)主要化学成分差异:玉溪地区样品的主要化学成分为SiO2和Al2O3(硅、铝氧化物总量超过80%),而内华达地区样品的主要化学成分为SiO2(60.39%)或CaO(42.30%)。(2)矿物组成差异:玉溪地区样品的主要矿物为高岭石和蒙脱石,而内华达地区样品的主要矿物为石英、绿脱石、斯皂石或方解石。(3)微观形貌差异:玉溪地区样品是由表面平坦、边缘圆滑且大小相对均一的片层状结构堆叠而成,而内华达地区样品主要表现为大小不一的块状矿物聚集体。(4)锂赋存状态差异:玉溪地区样品中的锂主要赋存于蒙脱石中,而内华达地区样品中的锂主要赋存于蒙皂石族矿物中。本研究结果基本明确了云南玉溪地区和美国内华达地区黏土型锂资源的矿物学特征,可为这两个地区黏土型锂资源后期的开发利用提供科学依据。

固体电解质电位型甲烷传感器的气敏性能研究

研究了甲烷浓度和工作温度对氧化锆基混合电位型传感器响应值的影响。以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为固体电解质,氧化锡(SnO_2)为工作电极的传感器对(200~1 000)×10^(-6)浓度的甲烷具有良好的传感性能,传感器响应值与甲烷浓度的对数值呈良好的线性关系,传感器在650℃时具有良好的传感性能,其中响应时间和恢复时间均低至5 s。

磷在硅酸盐矿物与熔体之间分配系数的研究进展

硅酸盐矿物与熔体之间的磷分配系数对研究岩浆演化和结晶分异程度具有重要意义,也是了解地幔磷储库和建立地球各圈层间磷运移模式的基础。本文分析和总结了前人采用天然样品和合成实验样品研究不同硅酸盐矿物和熔体间的磷分配系数的成果,分析了不同物理化学参数对分配系数的影响,包括熔体组成(如Mg O、Al2O3含量)、矿物结构(分配系数与[Si O4]4-聚合度呈负相关关系)、温度、压力和氧逸度等,指出当前研究中有关更高压力条件(>15 GPa)及有流体存在时分配系数的研究是不足的。

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[SO_(4)^(2-)]∶[Sr^(2+)]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Ba^(2+)相对于SO_(4)^(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。

LCT型伟晶岩及其锂矿床成因概述

花岗伟晶岩具有与低共熔花岗岩相似的矿物和化学组成,通常与高分异花岗岩具有成因联系。花岗伟晶岩划分为富Li-Cs-Ta(LCT)、富Nb-Y-F(NYF)和混合的LCT+NYF型,其中LCT型伟晶岩以过铝质,富集助熔组分(H_(2)O、F、P、B)、稀有元素(Li、Rb、Cs、Nb、Ta、Be、Sn),极其低的Nb/Ta比值(<5)为特征。通常LCT型伟晶岩显示内部分带,主要包括边界带、壁带、中间带和核部带;此外,可能还发育交代体、层状细晶岩和晶洞。大多数LCT型伟晶岩形成与(同造山)-晚造山的过铝质S型、I型或混合的S+I型花岗岩具有成因联系。对于壳源沉积岩小比例部分熔融直接形成的伟晶岩,通常形成于伸展背景下的晚造山和造山后阶段,侵入于典型的低压角闪岩-高绿片岩相的变沉积岩中。伟晶岩外带(包括边缘带、壁带、细晶岩)中的细粒和细晶岩结构、UST(单向固结结构)是液相线过冷所致,而伟晶岩内带(中间带、核部带)中粗大矿物形成、矿物分带以及稀有金属矿物的饱和结晶是助熔组分(H_(2)O、B、P、F)、稀有金属(Li、Rb、Cs、Be、Nb、Ta)通过组成带状纯化方式在边界层聚集的结果。伟晶岩分离结晶作用的开始与液相线过冷状态密切相关,晶体成核延迟、晶体生长速率、晶体成核密度取决于液相线过冷程度(ΔT)。针对LCT型伟晶岩,已提出的稀有金属成矿机制主要有分离结晶作用、岩浆不混溶、超临界流体和组成带状纯化。对于全脉矿化锂辉石伟晶岩成因,尚不清楚是岩浆液态分离还是Li强烈分配进入流体相所致?

新疆可可托海3号伟晶岩脉锆石U-Pb定年、Hf同位素特征及地质意义

研究了新疆可可托海3号伟晶岩脉多个结构带中锆石U-Pb定年及锆石Hf同位素组成,旨在厘定3号伟晶岩脉形成及岩浆-热液演化的时限,探讨岩浆形成的物源特征及大地构造背景。锆石的BSE、CL特征显示,可可托海3号脉岩浆结晶锆石普遍遭受了蜕晶化、流体交代和不同程度重结晶等作用。锆石的LA-ICP-MS U-Pb定年结果显示,3号伟晶岩脉岩钟体部分中II带、IV带和V带以及缓倾斜部分中II带分别形成于(211.9±3.2)、(214.9±2.1)、(212±4.1)和(212.0±1.8) Ma,指示岩浆阶段时限从～220 Ma至215 Ma,岩浆-热液过渡阶段时限从215 Ma至209 Ma,热液阶段时限从209 Ma至195 Ma。3号伟晶岩脉岩钟体部分中IV带和V带锆石Hf同位素组成变化于+1.25～+2.39之间,二阶段模式年龄变化于1103～1173 Ma之间,指示形成3号伟晶岩脉的岩浆很可能与中亚造山带在三叠纪为陆-陆碰撞后的伸展构造背景下导致加厚下地壳沉积物减压熔融有关。

稀有金属矿物溶解度对花岗伟晶岩成矿作用的制约

花岗伟晶岩型矿床是稀有金属矿床重要的类型之一。在花岗伟晶岩中,稀有金属元素Li、Be、Nb和Ta主要以独立矿物的形式存在,前人对稀有金属独立矿物在硅酸盐熔体中的溶解度及其影响因素展开了系统研究。本文综合分析了已有的实验数据,其结果表明,影响稀有金属独立矿物溶解度最为重要的2个参数是温度(T)和铝饱和指数(ASI)。因此本文建立了稀有金属独立矿物,尤其是铌锰矿和钽锰矿溶解度,与温度(T)和铝饱和指数(ASI)之间的定量关系:lg[w(Li)/10^(-6)]=-0.37×[1000/(T/K)]+4.56,R^(2)=0.44 lg[w(BeO)/10^(-6)]=-4.21×[1000/(T/K)]+6.86,R^(2)=0.91 lg[K_(sp)^(Nb)/(mg^(2)·kg^(-2))]=-(2.86±0.14)×ASI_(Mn+Li)-(4.95±0.31)×[1000/(T/K)]+(4.20+0.28),R^(2)=0.86 lg[K_(sp)^(Ta)/(mg^(2)·kg^(-2))]=-(2.46±0.11)×ASI_(Mn+Li)-(4.86±0.30)×[1000/(T/K)]+(4.00+0.30),R^(2)=0.80式中,温度T为热力学温度,ASI_(Mn+Li)(ASI=Al_(2)O_(3)/(CaO+Na_(2)O+K_(2)O+Li_(2)O+MnO),摩尔分数比)和T的适用范围分别为0.6~1.2和1073~1373 K的范围内。上述公式为估算硅酸盐熔体中稀有金属含量提供了便利,为量化花岗伟晶岩成矿模型提供了基础。稀有金属独立矿物溶解度随温度降低和铝饱和指数的增加而急剧降低,因此,在岩浆演化过程中,由岩浆侵位、分离结晶以及流体作用等因素引起的岩浆温度降低和铝饱和指数的增加,是导致稀有金属独立矿物结晶的主要机制。

CaCl_2废液在赤泥脱碱中的应用

采用CaCl_2废液对赤泥进行脱碱处理。分析了脱碱机理,考察了CaCl_2废液对赤泥进行脱碱处理的影响因素。研究结果表明,在赤泥加入量为5 g、CaCl_2废液加入量为4 m L、反应温度为80℃、反应时间为4 h的最佳条件下,Na去除率达75%,脱碱后赤泥中Na的质量分数低于0.8%,脱碱后CaCl_2废液的p H约为7。CaCl_2废液对赤泥进行脱碱处理的脱碱机理为CaCl_2废液中的CaCl_2、Mg Cl2和酸与赤泥中的碱发生离子交换反应,使得赤泥中的Na转化为Na Cl,进入到溶液中,从而脱除赤泥中的碱。

富磷岩浆体系与铌、钽成矿作用的实验研究

铌、钽是具有相同电价和相同离子半径的高产强元素,在各种地质过程中具有非常相似的地球化学特征,具密切的共生关系。铌、钽因具有高强度、抗疲劳、抗变形、抗腐蚀、超导等多种优良特性,成为了电子工业、军事和空间技术及核工业不可或缺的重要材料。铌钽铁矿(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6)是最重要的铌钽矿物之一,其往往赋存于富挥发份的岩浆体系中(Linnen and Cuney,2005)。

黏土型锂矿中锂的浸出试验

黏土型锂矿是一类重要的锂资源,目前关于该类锂矿的研究相对较少。采用氯化铁溶液对碳酸盐黏土型锂矿中的锂元素进行浸出,研究了焙烧温度、氯化铁质量分数、浸出温度和反应时间对锂浸出率的影响。结果表明,氯化铁溶液对样品中的锂元素有较好的选择性浸出作用。当焙烧温度为600℃,氯化铁质量分数为15%,浸出液固比为5mLg,浸出温度为80℃,反应时间为240min,转速为240rmin时,锂浸出率可达82.78%。浸出前后样品的XRD和SEM分析表明,锂的浸出可能是氯化铁溶液中的铁离子与黏土样品中的锂离子进行交换的结果。

藏南吉松铅锌矿流体包裹体特征及其地质意义

吉松铅锌矿床位于喜马拉雅造山带东部,矿体由石英-方解石-硫化物脉组成,主要受北东向断裂构造控制。矿石矿物组合为闪锌矿、方铅矿和少量磁黄铁矿、黄铜矿;脉石矿物包括石英、方解石、毒砂和黄铁矿等。矿床可划分为：Ⅰ.毒砂-黄铁矿-石英阶段;Ⅱ.磁黄铁矿-闪锌矿-方铅矿-黄铜矿-石英阶段;Ⅲ.石英-方解石-黄铁矿阶段;Ⅳ.表生氧化阶段。石英、方解石中包裹体以气液两相水包裹体为主,含少量CO2包裹体和纯液相水包裹体。成矿流体特征为中低温度、低盐度、低密度,显微测温结果显示：Ⅰ阶段的均一温度范围225~345℃,盐度为0.21%~11.93%Na Cl eqv;Ⅱ阶段的均一温度范围145~339℃,盐度为0.35%~13.26%Na Cl eqv;Ⅲ阶段的均一温度范围210~350℃,盐度为0.35%~15.31%Na Cl eqv。流体包裹体特征表明成矿流体发生了沸腾作用,可能是矿质沉淀的主要原因。分析表明该矿床为中低温热液脉型铅锌矿床。