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高温高压条件下成岩成矿作用的实验研究对于认识地球内部物质的状态及其演化等具有重要意义。成矿实验主要的研究内容都是围绕成矿作用的基本问题来进行的,即矿床形成的物化条件,成矿物质的来源,成矿元素的迁移形式和沉淀条件,及矿床的成因模式等。 至今已有的大量成矿作用实验是采用高压釜等封闭装置进行研究的。但其存在如下问题:操作复杂;无法进行原位观察;容器自身温度梯度对矿物溶解产生影响;淬火产物能否代表高温高压下的真实组分有待商榷;淬火取样过程中样品的损失等。因此,寻找一种新的简便可靠的实验方法将能够大大改善上述高压釜高温高压实验中存在的问题。 金刚石压腔具有原位镜下观察、谱学分析,实验效率高等特点;避免了温度梯度及淬火等过程中产生的许多不确定性因素。我们尝试利用金刚石压腔结合拉曼光谱技术进行了与成矿作用相关问题的实验方法研究:金刚石压腔结合激光拉曼光谱进行高温高压下水溶液中矿物溶解度的原位测量;“矿物消失法”确定高温高压下水溶液中矿物的溶解度;成矿元素迁移中可能的络合物组分—羧酸的稳定性实验研究;以及富CO2流体包裹体内压标定的方法。 采用金刚石压腔结合激光拉曼光谱技术研究水溶液中矿物溶解度的原理是同一体系中的两种具有拉曼活性的物质,其相对浓度的比值与其拉曼谱峰的强度(面积)成正比。通过对常温常压下不同浓度Na2SO4溶液进行拉曼光谱分析,得到了常温常压下可以用来定量溶液中SO42-离子浓度的线性方程:C(SO42-)=4.7796·R(r2=0.9994)式中C(SO42-)为待测溶液中SO42-离子的浓度,单位为。Mol·l-1;R为拉曼谱峰强度的比值R(SO42-/H2O)。对于溶液中具有拉曼活性的物质均可以采用类似的方法进行定量分析。 研究表明,温度和压力将影响拉曼谱峰强度(面积)的比值与SO42-浓度的关系。通过对高温高压下不同浓度Na2SO4溶液的拉曼光谱实验研究,获得了不同温度和压力下确定溶液中SO42-离子浓度的定量方程:C(SO42-)=4.7796·(R+1.469×10-4·△T+1.340×10-4·△P)式中C(SO42-)为待测溶液中SO42-离子的浓度,单位为mol·1-1;R为拉曼谱峰强度的比值R(SO42-/H2O);△T为相对于常温(23℃)时的温度差;△P为相对于常压(0.1MPa)时的压力差。该定量方程的适用范围为23℃≤T≤360℃。在浓度0.5-1.5mol·1-1范围内,利用上式定量溶液中SO42-离子浓度的相对误差为6.5％。 通过对石膏的溶解度进行实测,获得了温度23℃-184℃、压力200-1336MPa,下1mol·1-1的Na2SO4溶液中石膏溶解度的定量方程为:C(SO42-)=0.1799-1.118×10-3·T(℃)+1.128×10-3·P(=Mpa)(r2=0.998)式中C(SO42-)为石膏的溶解度,单位为mol·l-1。在浓度0.5-1.5 mol·l-1范围内,利用上式定量溶液中石膏溶解度的相对误差为11.5％。 采用“矿物消失法”对石英的溶解度进行了测定。其方法原理是根据矿物样品的质量(m)和溶液的体积(V)来估算矿物在溶剂中的溶解度,即当矿物刚好完全消失时其质量相对于溶剂的质量(确定温度和压力下)即为该矿物的溶解度。研究结果表明,在温度361℃、压力562MPa下,石英在1mol·l-1的Na2CO3溶液中的溶解度为50.02g/l,该方法的相对误差为2.3％。实验的误差可能来自:①石英颗粒的垂直截面不规则;②样品室垫片孔上下不规则;③热电偶温度校正中所用的样品受潮导致校正后的温度偏高。矿物消失法对平衡时间较快、淬火影响较大的矿物非常适用。利用金刚石压腔及“矿物消失法”对此类矿物进行溶解度的测定具有非常大的潜力。 通过对草酸的热分解实验,获得了草酸分解的P-T关系线性拟合方程为:P(MPa)=-5172.37+26.76T(℃)(r2=0.96)草酸在高压低温条件下可以稳定存在,而在低压高温条件下将分解为CO2,这可以很好地解释造山型矿床具有富CO2包裹体的特征。即在造山带成矿条件下有机羧酸可能与金属形成有机络合物,当成矿流体遇到破裂带或裂隙而发生减压沸腾时,可以使成矿流体中的有机络合物迅速发生分解产生大量CO2,从而造成金属元素在有利的空间沉淀、富集成矿。 对CO2拉曼光谱的研究表明,在温度20-160℃、压力10-226MPa条件下,气相中CO2的拉曼位移在1386.5-1385.8cm-1之间变化。在温度20-400℃、压力10-2000MPa范围内,液相中CO2的拉曼位移在1382.0-1388.3cm-1之间变化,其与温度和压力之间的关系可以拟合为平面方程:P(MPa)=-384235.66-1.302·T(℃)+278.351·v(cm-1)(r2=0.983)式中v为CO2的拉曼位移,T为温度,P为压力。由上式计算拉曼位移v的标准偏差为±0.2cm-1,压力P的误差为±56MPa。此方程适用的温度范围为23℃≤T≤390℃。CO2包裹体压力标定方程为确定流体包裹体的内压提供了一种温度压力范围更宽的压力标定方法。