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岩石高温高压实验,窥探地球深部的窗口

2019-11-13 9:14:01 来源:中国矿业报 作者:刘贵 郭长宝

从16世纪地理大发现开始,人类知识的边界飞速向外扩张。可以这么说,在目所能及的范围内我们飞速积累着知识,然而在目不能及的地方,人类举步维艰,最典型的例子就是我们脚下的地球。目前世界上最深的科学钻探位于俄罗斯科拉半岛,深达12千米;石油油井钻孔也没有超过13千米——这是汇聚人类近500年来的知识和技术所能达到的深度。然而,地球的半径达6357~6378千米,我们眼睛能直接看到的刚刚达到0.2%。“上天容易入地难”成为全世界地质学家共同面对的一个难题。

地球内部是一个复杂的高温高压系统,依靠机械技术向下钻探的难度和成本随深度的增加而急剧增大。如何才能获取地球内部的信息呢?地质学家/地球化学家利用火山岩浆从地幔深部零星携带上来的岩石碎片进行直接的观测和实验;地球物理学家则通过地震波等方法对地球内部结构进行间接推测分析。这两种方法本质上都是“反演”。有没有一种途径,让我们能够直接观察到地球深部条件下物质与性质呢?高温高压实验正是这样的一种方法。作为“正演”的手段,它是窥视地球内部物质组成、性质和状态的一个重要窗口。

熔融盐固体介质三轴活塞圆筒高温高压仪

什么是高温高压实验

高温高压实验,有时也被称为超高压实验,是采用现代科学技术模拟地球内部的极端温压条件,研究岩石和矿物在这种条件下的物理化学性质等,从而推断岩石矿物(地学材料)在地球深部的性质和状态。高温高压实验另辟蹊径,成为传统地球化学/地质学和地球物理学方法之外研究固体地球的“利器”。它摆脱了采样地点的限制,可以模拟绝大部分地球内部环境,开展广泛的矿物(岩石)相变实验、流变学实验、熔融实验等;结合同步辐射技术,可以对高温高压状态下的样品实现实时原位观测分析,分析结果与这些物质在地球内部的真实状态更加接近,具有极其重要的意义。

高温高压实验既是和传统的矿物学、岩石学、地球化学和地球物理学相并列的一门学科,又能充当“桥梁”把传统学科有机的联系起来,具有灵活性、综合性和交叉性的特点,在地球科学研究的应用非常广泛。

顾名思义,高温高压实验要求高温(温度)和/或高压(压强)两个关键参数,按温压条件可简单分为三类:高温常压实验、高压常温实验和高温高压实验。其中,温度和压强是相对独立的两套体系。高温的产生和维持主要基于特定的加热器,不同高压设备使用的加热器不同,常用的包括石墨加热器、惰性金属丝加热器、铬酸镧(LaCrO3)加热器和激光加热器等。为保证样品附近均匀的压强和恒定的温度,还需要特定的传压介质(可以是液体、气体或固体,比如水、酒精、氖气、氧化镁等)和冷却系统(可以用水或空气)。

高温高压实验地球科学研究中典型的高温高压设备包括:常压高温炉、冷封釜、内加热釜、活塞圆筒压机、多面砧压机和金刚石压腔。

研究地球深部的利器

高温高压实验在地球科学中的应用很广泛,但主要集中在以下几个方面:高温高压下物质的结构变化、高温高压下物质的化学键变化、高温高压下物质的物理-化学性质。它为地质学、地球物理观测结果提供了重要的物质解析证据。地质学中对很多来自地球深部的特殊样品进行分析时,都必须依靠高温高压实验的结果来解释。

出露在地表的岩石进入到地幔中以后,会发生脱水和相变,形成新的高压矿物。这些高压矿物与地表(常温常压)矿物在结构和物性上有很大差异,波速会升高,密度会增大。另外还可以研究这些矿物的含水性、导电性、物理弹性、地球化学分异、流变学特征等,这对于认识地球内部物质的形变和运动状态非常重要。

高温高压实验变形前石英集合体形态与变形试验后石英的结构变化

高温高压实验通过对岩石矿物在地球内部对应高温高压状态下的结构和性质研究,不仅可以观测到矿物在地球内部化学成分的变化,而且可以获得矿物在地球内部物理性质和结构的转变。将这些矿物的物性和地球物理数据进行对比分析,获得了一致性的认知,从而为地球物理观测解析提供了重要的佐证。

与工程地质相辅相成

工程地质中的岩石力学,通过长期研究和大量实践,获得了丰富的科学积累,为高温高压岩石力学的发展提供了宝贵的经验。同时,高温高压岩石力学拓展了对于岩石变形、破坏、失稳全过程的认识,从而有可能为工程岩石力学的进一步深入研究提供借鉴和线索。

例如,川藏铁路规划区东起四川成都,经雅安、康定、昌都、林芝至拉萨,全长约1543千米,全线桥隧比达81%。深埋隧道高地温与高地应力(岩爆、软岩大变形)等工程地质问题对铁路工程规划工作提出了严峻的挑战。

高地应力意味着深埋隧道开挖过程中,在硬岩(石灰岩、花岗岩、砂岩等)分布区将不可避免地出现岩爆灾害,而在泥质岩、断裂破碎带等软弱岩体分布区会出现隧道大变形,给地下工程建设安全带来很大隐患。因此,需要在隧道工程地质条件分析基础上,对可能发生岩爆的岩石进行高温高压的真三轴岩石力学试验测试,并结合原位地应力测量结果,确定不同工况下岩爆模拟试验的三向应力量值和加载、卸载方式,以及模拟高温后岩爆的过程等,预测典型隧道围岩高风险地段,为隧道开挖及铁路施工提供指导。

面临的挑战

由于高温高压地球科学在国内起步较晚,目前还面临着较大的挑战,受多方面因素的制约:一方面,高温高压实验技术在很大程度上依赖物理、化学、材料学的发展,在产生高温高压的过程中必须使用极高强度的(耐高温)材料来维持稳定的高温高压状态,这就要求首先开发出适用的材料;另一方面,高温高压实验的成本非常高,实验中需要使用一些贵重金属(如Re)、耐高温加热材料(如LaCrO3),以及用来产生高压条件的超硬材料(如碳化钨、金刚石),高温高压装置以及配套设施的建设和维护也需要一定的资金支持。

(作者单位:中国地质调查局地质力学研究所)

网站编辑:宫莉

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