熱液金剛石壓腔(HDAC)高溫高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

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(guó)土資源部金礦成礦過(guò)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(guò)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(guó)康奈爾大學(xué)的W. A. Bassett教授和中國(guó)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(lái)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(guó)，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(lái)，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(guò)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(guò)程中的變化過(guò)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(guò)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(wú)需打開(kāi)樣品腔，僅需通過(guò)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(guò)程中壓力-體積-溫度-組分性質(zhì)的變化過(guò)程。

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

將來(lái)，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(wú)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(yǔ)

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。