压力01－900mpa下方解石拉曼光谱的试验研究-北京大学教务部.docVIP

压力0.1-900MPa下方解石拉曼光谱的 实验研究( 赵金 郑海飞 （北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室， 北京大学地空学院地球化学研究所，北京，100871） 摘要 本文利用石英的拉曼谱峰与温度和压力的关系检验了在金刚石压腔中用方解石的拉曼谱峰确定体系压力的可行性，并初步确定了在常温下方解石的拉曼谱峰与压力的关系。实验研究结果表明：在实验的压力范围内方解石稳定，且其在1085cm－1的谱峰具有较高的强度，因此非常适合作为热液金刚石压腔的压力标定物。在温度26℃，压力0.1－900Mpa条件下，方解石的拉曼谱峰（1085cm－1）随着压力的增加，呈线形增大，其关系式为： P(Mpa) = 191.75*△(VP)1085 - 21.742，（0△(VP)1085，T＝26℃（cm－1）5）。 关键词 水 水溶液 压腔 高温高压 压标 石英 方解石 1 前言 高温高压实验是认识地球内部物质组成、状态以及化学作用等重要的研究手段。目前，除了动高压外，可进行高温高压实验的装置有三种类型：金刚石压腔、压力机和高压釜。相对于水热高压釜和六面顶（或两面顶等）压力机，金刚石压腔具有可进行X光衍射、拉曼光谱、红外光谱等原位测量的优点，但其缺点是不能直接测定压腔中的压力，只能通过压腔中的物质间接确定压力，例如用红宝石或者石英的谱峰位移与压力的关系等。 用红宝石标定水热金刚石压腔中的压力，在低压的情况下存在较大的误差，红宝石的荧光效应也会影响拉曼谱峰的准确度。而Christian S.(2000)等提出了用石英确定水热金刚石压腔中压力的方法，其使用范围为25-600℃和压力0.1-2000MPa。但是石英的拉曼谱峰的强度不大，很容易受到干扰峰的影响，进而影响压力标定的准确度。通过对多种压力标定物的比较，我们发现方解石不但在高温高压条件下较为稳定，而且在1085cm－1的谱峰存在较高的强度，非常适合作为热液金刚石压腔的压力标定物。于是，我们在实验中试图探索方解石的拉曼谱峰与热液金刚石压腔的即时压力的关系。 2 实验方法 实验样品为Na2CO3溶液（0.945mol·L-1）。 实验的高温高压设备与Bassett（1993）[1]的热液金刚石压腔装置（如图1）类似，但我们使用的是立方氧化锆作为顶砧。由于立方氧化锆在石英及方解石的拉曼峰464和1083cm-1处无任何干扰峰，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0.35mm，样品垫片为0.60mm厚的铜片。 采用英国产Renishow1000型激光拉曼光谱仪进行原位测量。用氩离子激光器激发样品，功率为50mw，扫描波数范围为100－4000cm-1，入射狭缝为50微米。 实验步骤：首先将用于压标定的石英(厚约0.05mm的两面抛光的石英片)、方解石和实验样品装入样品室中，将顶砧压上。而后放于激光拉曼光谱仪下，分别对准石英及方解石，进行拉曼光谱测试，并逐步加压，直至预定压力为止。 3 结果和讨论 图2是本实验中的600Mpa压力下的拉曼图谱。由图可以看出，方解石的1085cm－1拉曼谱峰明显比石英的464cm-1拉曼峰强。同时也可以看出，水的伸缩振动峰和弯曲振动峰均较清楚，因此它们的峰均未互相干扰。 图3是实验获得的26℃时各压力下，方解石的拉曼峰与压力之间的关系图。其中压腔中的压力由作为压标的石英拉曼峰（464cm-1）与压力的关系计算获得，具体公式如下：P(Mpa)=((△Vp)464-2.50136*10-11*T4-1.46454*10-8*T3+1.801*10-5*T2 +0.01216*T-0.29)/0.009+0.1[2]。 由图3可以看出：在温度26℃，压力0.1－900Mpa条件下，方解石的拉曼谱峰（1085cm－1）随体系压力的增加，呈线性增大，这与前人所得到的结果[4][5]类似。但前人在该压力范围内只有数个数据，因此他们的拉曼峰与压力之间的关系误差较大。在我们的实验中，方解石拉曼峰与压力的关系可以通过线性拟合得到，其样品压力P和方解石峰位变化值△(VP)1085之间的关系可以表示为： P(Mpa) = 191.75*△(VP)1085 - 21.742 （0△(VP)1085，T＝26℃（cm－1）5） R＝0.975 对于Na2CO3溶液的实验，由于在实验过程中没有观察到CO2的出现，实验过程中金属垫片的显微镜研究未观察到反应产物，因此体系中不存在溶液与金属垫片的反应。另外，样品室压力最高为900Mpa，小于方解石的相变压力（方解石的相变压力为1.4Gpa）[3][4][5]。 结论 由实验可以得出如下结论： 与石英作为压标相比，方解石的拉曼峰更强，因此更适合于热液金刚石压腔中作为压力标定矿物； 在常温下，可以