常温高压下石膏在水中的溶解度突变现象及其意义.pdfVIP

http//: 常温高压下石膏在水中的溶解度突变现象及其意义* 郑海飞 段体玉 刘源 孙樯 （北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室， 北京大学地质学系，北京，100871） 摘要 我们在 26 ℃和 0.1-900MPa 压力下进行了纯水中石膏的溶解实验。实验结果发现在低于 608MPa 的压力下石膏一直保持稳定，而在高于该压力下石膏才开始发生溶解。在其后的八次加压过程中，尽 管体积在缩小，但压力却并不线性上升，且石膏也不发生进一步的溶解。当加压使体系压力增加，且 压力超过 668MPa 时石膏才突然全部溶解完。这种现象一方面表明压力对矿物在水中的溶解具有某种 控制作用，另一方面，也可能说明水在高压下具有完全不同于常压下的性质。这意味着地壳内在约 18 公里深度处可能存在着一种物理化学界面，该界面将对矿物、岩石及其地球物理性质产生重要影响。 关键词 高压 石膏 溶解度 突变性质 1.引言 矿物的溶解与元素的迁移、集中和分散密切相关。因此有关矿物的溶解度，包括大气压 力下各种物质的溶解度以及地球内部高温高压下矿物的溶解度都已经有大量的研究成果 [1-7] 。其中有关压力对物质溶解度的影响则只针对含气相反应的体系，已有的矿物在高温高 压下的研究总是侧重于温度、氧逸度、酸碱度对溶解度的影响，而压力对矿物溶解度影响的 实验研究尚鲜有报道。最近我们在进行常温高压下石膏的拉曼光谱研究时，观察到石膏在不 同的压力段具有非常不同的溶解性质。这反映了高压下，矿物在水溶液中的溶解度随压力存 在着突变现象。本文是该实验观察的报道。 2.实验方法 实验的高温高压设备与 Mao-bell[8] 的金刚石压腔装置类似，但我们使用的是立方氧化锆 作为对顶砧。由于立方氧化锆在石英及石膏的拉曼峰处不存在任何干扰峰，因此可以获得可 靠的数据。压砧顶面直径为 0.8mm，样品室孔径 0.3mm，样品垫片为 0.65mm 厚的铜片。所 用的水是二次去离子水，并同时作为传压介质。 采用北京大学地球与空间科学学院的英国产 Renishow1000 型激光拉曼光谱仪进行原位 测量。用 514cm-1 氩离子激光器激发样品，实验的功率为 50mw，入射狭缝为 50 微米，扫描 波数范围为 100－4000cm-1 ，扫描时间为 10min。实验体系的压力用石英的464cm-1 拉曼位移 [9] 确定，其压力测量的误差在 50MPa 以内 。 将用于压力标定的石英砂和石膏颗粒置于样品室中，然后将水装入，再用对顶砧压上。 实验时，首先在激光拉曼光谱仪上，将需要进行拉曼分析的矿物（石英或石膏）置于激光拉 曼光谱仪的显微镜上进行观察和照相，并将需要进行研究的样品置于十字丝中心进行拉曼光 谱测试，然后每加一次压力都经过约 3-4 分钟的平衡后即进行显微镜下观察、照相和拉曼光 谱测量，直至预定压力为止。实验中需要注意的是每次加压都要尽量相同（使加压旋转螺丝 的角度相同），以保证具有相同的体积变化间隔。另一方面也要避免作为压力标定物质的石 英与垫片接触，以保证获得的压力值为静水压。 3.结果和讨论 图1 是实验过程获得的各压力下的照片。其中右下角的数字是加压过程的序次（实验点）， * 受教育部博士点专项基金项目资助（批准号：20030001053 ）和国家自然科学基金重大和面上项目资助（批 准号40173019 ） 1 http//: 体系的压力也标在各照片上。由这些照片可以清楚地看出，石膏在压力逐渐增大时并没有出 现明显大小上的变化，而是存在着突变现象。从实验点 2 至 5 的照片上看，石膏的形状和大 小几乎没有任何差别，表明压力增加至 389MPa 一直没有发生石膏的溶解作用（实验点 2 照 片中的石膏与 0.1MPa 下的完全相同）。在实验点 6 时，石膏似乎开始发生溶解，其压力值 为 533GPa