2019年12月13日 星期五
中國礦業報訂閱

巖石高溫高壓實驗,窺探地球深部的窗口

2019-11-13 9:14:01 來源:中國礦業報 作者:劉貴 郭長寶

皇家社会主场 www.vgfpej.com.cn 從16世紀地理大發現開始,人類知識的邊界飛速向外擴張??梢哉餉此?,在目所能及的范圍內我們飛速積累著知識,然而在目不能及的地方,人類舉步維艱,最典型的例子就是我們腳下的地球。目前世界上最深的科學鉆探位于俄羅斯科拉半島,深達12千米;石油油井鉆孔也沒有超過13千米——這是匯聚人類近500年來的知識和技術所能達到的深度。然而,地球的半徑達6357~6378千米,我們眼睛能直接看到的剛剛達到0.2%。“上天容易入地難”成為全世界地質學家共同面對的一個難題。

地球內部是一個復雜的高溫高壓系統,依靠機械技術向下鉆探的難度和成本隨深度的增加而急劇增大。如何才能獲取地球內部的信息呢?地質學家/地球化學家利用火山巖漿從地幔深部零星攜帶上來的巖石碎片進行直接的觀測和實驗;地球物理學家則通過地震波等方法對地球內部結構進行間接推測分析。這兩種方法本質上都是“反演”。有沒有一種途徑,讓我們能夠直接觀察到地球深部條件下物質與性質呢?高溫高壓實驗正是這樣的一種方法。作為“正演”的手段,它是窺視地球內部物質組成、性質和狀態的一個重要窗口。

熔融鹽固體介質三軸活塞圓筒高溫高壓儀

什么是高溫高壓實驗

高溫高壓實驗,有時也被稱為超高壓實驗,是采用現代科學技術模擬地球內部的極端溫壓條件,研究巖石和礦物在這種條件下的物理化學性質等,從而推斷巖石礦物(地學材料)在地球深部的性質和狀態。高溫高壓實驗另辟蹊徑,成為傳統地球化學/地質學和地球物理學方法之外研究固體地球的“利器”。它擺脫了采樣地點的限制,可以模擬絕大部分地球內部環境,開展廣泛的礦物(巖石)相變實驗、流變學實驗、熔融實驗等;結合同步輻射技術,可以對高溫高壓狀態下的樣品實現實時原位觀測分析,分析結果與這些物質在地球內部的真實狀態更加接近,具有極其重要的意義。

高溫高壓實驗既是和傳統的礦物學、巖石學、地球化學和地球物理學相并列的一門學科,又能充當“橋梁”把傳統學科有機的聯系起來,具有靈活性、綜合性和交叉性的特點,在地球科學研究的應用非常廣泛。

顧名思義,高溫高壓實驗要求高溫(溫度)和/或高壓(壓強)兩個關鍵參數,按溫壓條件可簡單分為三類:高溫常壓實驗、高壓常溫實驗和高溫高壓實驗。其中,溫度和壓強是相對獨立的兩套體系。高溫的產生和維持主要基于特定的加熱器,不同高壓設備使用的加熱器不同,常用的包括石墨加熱器、惰性金屬絲加熱器、鉻酸鑭(LaCrO3)加熱器和激光加熱器等。為保證樣品附近均勻的壓強和恒定的溫度,還需要特定的傳壓介質(可以是液體、氣體或固體,比如水、酒精、氖氣、氧化鎂等)和冷卻系統(可以用水或空氣)。

高溫高壓實驗地球科學研究中典型的高溫高壓設備包括:常壓高溫爐、冷封釜、內加熱釜、活塞圓筒壓機、多面砧壓機和金剛石壓腔。

研究地球深部的利器

高溫高壓實驗在地球科學中的應用很廣泛,但主要集中在以下幾個方面:高溫高壓下物質的結構變化、高溫高壓下物質的化學鍵變化、高溫高壓下物質的物理-化學性質。它為地質學、地球物理觀測結果提供了重要的物質解析證據。地質學中對很多來自地球深部的特殊樣品進行分析時,都必須依靠高溫高壓實驗的結果來解釋。

出露在地表的巖石進入到地幔中以后,會發生脫水和相變,形成新的高壓礦物。這些高壓礦物與地表(常溫常壓)礦物在結構和物性上有很大差異,波速會升高,密度會增大。另外還可以研究這些礦物的含水性、導電性、物理彈性、地球化學分異、流變學特征等,這對于認識地球內部物質的形變和運動狀態非常重要。

高溫高壓實驗變形前石英集合體形態與變形試驗后石英的結構變化

高溫高壓實驗通過對巖石礦物在地球內部對應高溫高壓狀態下的結構和性質研究,不僅可以觀測到礦物在地球內部化學成分的變化,而且可以獲得礦物在地球內部物理性質和結構的轉變。將這些礦物的物性和地球物理數據進行對比分析,獲得了一致性的認知,從而為地球物理觀測解析提供了重要的佐證。

與工程地質相輔相成

工程地質中的巖石力學,通過長期研究和大量實踐,獲得了豐富的科學積累,為高溫高壓巖石力學的發展提供了寶貴的經驗。同時,高溫高壓巖石力學拓展了對于巖石變形、破壞、失穩全過程的認識,從而有可能為工程巖石力學的進一步深入研究提供借鑒和線索。

例如,川藏鐵路規劃區東起四川成都,經雅安、康定、昌都、林芝至拉薩,全長約1543千米,全線橋隧比達81%。深埋隧道高地溫與高地應力(巖爆、軟巖大變形)等工程地質問題對鐵路工程規劃工作提出了嚴峻的挑戰。

高地應力意味著深埋隧道開挖過程中,在硬巖(石灰巖、花崗巖、砂巖等)分布區將不可避免地出現巖爆災害,而在泥質巖、斷裂破碎帶等軟弱巖體分布區會出現隧道大變形,給地下工程建設安全帶來很大隱患。因此,需要在隧道工程地質條件分析基礎上,對可能發生巖爆的巖石進行高溫高壓的真三軸巖石力學試驗測試,并結合原位地應力測量結果,確定不同工況下巖爆模擬試驗的三向應力量值和加載、卸載方式,以及模擬高溫后巖爆的過程等,預測典型隧道圍巖高風險地段,為隧道開挖及鐵路施工提供指導。

面臨的挑戰

由于高溫高壓地球科學在國內起步較晚,目前還面臨著較大的挑戰,受多方面因素的制約:一方面,高溫高壓實驗技術在很大程度上依賴物理、化學、材料學的發展,在產生高溫高壓的過程中必須使用極高強度的(耐高溫)材料來維持穩定的高溫高壓狀態,這就要求首先開發出適用的材料;另一方面,高溫高壓實驗的成本非常高,實驗中需要使用一些貴重金屬(如Re)、耐高溫加熱材料(如LaCrO3),以及用來產生高壓條件的超硬材料(如碳化鎢、金剛石),高溫高壓裝置以及配套設施的建設和維護也需要一定的資金支持。

(作者單位:中國地質調查局地質力學研究所)

網站編輯:宮莉

签到赚钱新app 梨视频投稿赚钱 最新任务赚钱软件 棋牌麻将辅助器怎么使用 新乡到郑州包车跑车赚钱吗 易点彩票网址 2015年零成本加盟赚钱好买卖 卖宠物狗能赚钱吗 99彩票群 好友赣南麻将钻石 搞鱼塘开坑赚钱吗 一点咨询怎么赚钱 任务帮怎么提现的 能不能赚钱 金誉彩票游戏 东北打麻将必胜绝技 辽宁台快乐麻将规则