李勝虎，熊玉新，單偉，舒磊，遲乃杰

(山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

HDAC(Hydrothermal Diamond-anvil Cell)，中文一般稱之為熱液金剛石壓腔，是由美國康奈爾大學(xué)的W. A. Bassett教授和中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所的I-Ming Chou研究員，于1990年在金剛石壓腔(Diamond-anvil Cell，DAC)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高溫高壓原位實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)備。后經(jīng)I-Ming Chou研究員的大力宣傳，最終將該技術(shù)推廣到世界各國，并得到實(shí)驗(yàn)地球化學(xué)同行們的廣泛學(xué)習(xí)運(yùn)用[1-2]。近年來，HDAC技術(shù)已經(jīng)在地質(zhì)科研領(lǐng)域取得了大量成果，多篇重要研究成果被《Science》《Nature》等知名期刊刊發(fā)[1-11]。

1 HDAC高溫高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)與組成

最新式的HDAC-VT主要由不銹鋼腔體、陶瓷底座、加熱電阻絲、熱電偶、金屬墊片以及上下兩顆金剛石對(duì)頂砧等組成(圖1)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，樣品存放在金屬墊片的中央孔洞內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)螺絲施壓，使得上下兩顆金剛石緊緊壓合在金屬墊片上，它們共同組成一個(gè)封閉的樣品腔。上下兩顆金剛石底座的周邊纏繞電阻絲，金剛石側(cè)壁黏貼熱電偶，達(dá)到加熱和測(cè)量溫度的效果。實(shí)驗(yàn)一般采用純H2O作為壓力介質(zhì)，錸片、不銹鋼片、銥片等作為HDAC的金屬墊片。

圖1 最新式HDAC-VT的結(jié)構(gòu)圖[8]

一套完整的HDAC高溫高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由HDAC腔體、溫度控制器、光學(xué)顯微鏡、數(shù)碼攝像頭、圖像實(shí)時(shí)顯示和記錄電腦以及用于保護(hù)金剛石對(duì)頂砧在高溫時(shí)不被氧化的混合氣體(氬氣和氫氣)等組成(圖2)。目前，山東省地質(zhì)科學(xué)研究院現(xiàn)已完成最新式HDAC-VT高溫高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建工作，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已達(dá)到投入科學(xué)研究的要求。

圖2 熱液金剛石壓腔(HDAC-VT)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)照片

2 HDAC高溫高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)

與其他傳統(tǒng)的高溫高壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比，HDAC具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

(1)可以原位觀察樣品在施加一定外壓加熱過程中的變化過程以及圖像的實(shí)時(shí)采集。

(2)具有較寬廣的溫度測(cè)量范圍(-170～1000℃)，壓力最高可達(dá)6GPa。

(3)通過與Raman光譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀、同步輻射X射線衍射儀等光譜微束分析設(shè)備聯(lián)用，可以實(shí)現(xiàn)樣品的定性或(和)定量分析。

(4)相對(duì)于傳統(tǒng)的高溫高壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備，具有安全系數(shù)高的特點(diǎn)。

(5)易于裝載樣品，無需打開樣品腔，僅需通過旋緊或旋松加壓螺絲便能改變樣品腔內(nèi)H2O介質(zhì)的密度也因而改變了樣品的壓力。以上優(yōu)點(diǎn)決定了HDAC具有較為寬泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別適合用于模擬自然界中有水參與的成礦地質(zhì)流體演化過程中壓力-體積-溫度-組分性質(zhì)的變化過程。

3 HDAC高溫高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用前景

將來，HDAC在以下幾個(gè)方面具有重要的應(yīng)用前景：

(1)人工合成流體包裹體。

(2)物質(zhì)在高溫高壓條件下的特殊性質(zhì)、相關(guān)系以及超臨界現(xiàn)象研究。

(3)水-巖反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究。

(4)含水礦物在高壓(高溫)條件下的脫水反應(yīng)。

(5)成礦元素在不同流體體系中的分配系數(shù)研究等。

尤其是在高溫巖漿包裹體(熔體包裹體和熔體-流體包裹體)以及富CO2高內(nèi)壓流體包裹體的原位高溫高壓均一測(cè)溫實(shí)驗(yàn)中具有更為重要的應(yīng)用空間，前者能夠準(zhǔn)確測(cè)定成巖成礦流體巖漿階段的溫度、壓力以及熔體中水含量等，后者則能夠成功測(cè)得諸如膠東金礦床成礦期富CO2等揮發(fā)分流體包裹體的完全均一溫度(前人在對(duì)該類流體包裹體進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，當(dāng)溫度大于～340℃時(shí)包裹體即發(fā)生爆裂或泄露，無法獲得其有效的熱力學(xué)參數(shù))，能夠有效解決制約成礦流體研究中的技術(shù)瓶頸。

4 結(jié)語

鑒于HDAC高溫高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，山東省地質(zhì)科學(xué)研究院引進(jìn)了最新式HDAC-VT高溫高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并完成搭建工作。經(jīng)嚴(yán)格測(cè)試，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)已達(dá)到精度要求，滿足相關(guān)領(lǐng)域科研工作的需要，現(xiàn)已正式投入使用，歡迎業(yè)內(nèi)科研工作者們交流合作。