热液金刚石压腔(HDAC)高温高压实验平台简介

2021-01-22李胜虎熊玉新单伟舒磊迟乃杰

山东国土资源 2021年1期

李胜虎，熊玉新，单伟，舒磊，迟乃杰

(山东省地质科学研究院，国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东济南 250013)

0 引言

HDAC(Hydrothermal Diamond-anvil Cell)，中文一般称之为热液金刚石压腔，是由美国康奈尔大学的W. A. Bassett教授和中国科学院深海科学与工程研究所的I-Ming Chou研究员，于1990年在金刚石压腔(Diamond-anvil Cell，DAC)的基础上发展起来的一种高温高压原位实验模拟设备。后经I-Ming Chou研究员的大力宣传，最终将该技术推广到世界各国，并得到实验地球化学同行们的广泛学习运用[1-2]。近年来，HDAC技术已经在地质科研领域取得了大量成果，多篇重要研究成果被《Science》《Nature》等知名期刊刊发[1-11]。

1 HDAC高温高压实验平台结构与组成

最新式的HDAC-VT主要由不锈钢腔体、陶瓷底座、加热电阻丝、热电偶、金属垫片以及上下两颗金刚石对顶砧等组成(图1)。实验时，样品存放在金属垫片的中央孔洞内，通过旋转螺丝施压，使得上下两颗金刚石紧紧压合在金属垫片上，它们共同组成一个封闭的样品腔。上下两颗金刚石底座的周边缠绕电阻丝，金刚石侧壁黏贴热电偶，达到加热和测量温度的效果。实验一般采用纯H2O作为压力介质，铼片、不锈钢片、铱片等作为HDAC的金属垫片。

图1 最新式HDAC-VT的结构图[8]

一套完整的HDAC高温高压实验平台主要由HDAC腔体、温度控制器、光学显微镜、数码摄像头、图像实时显示和记录电脑以及用于保护金刚石对顶砧在高温时不被氧化的混合气体(氩气和氢气)等组成(图2)。目前，山东省地质科学研究院现已完成最新式HDAC-VT高温高压实验平台的搭建工作，该实验平台已达到投入科学研究的要求。

图2 热液金刚石压腔(HDAC-VT)实验平台照片

2 HDAC高温高压实验平台实验优势

与其他传统的高温高压实验设备相比，HDAC具有以下几个方面的优势：

(1)可以原位观察样品在施加一定外压加热过程中的变化过程以及图像的实时采集。

(2)具有较宽广的温度测量范围(-170～1000℃)，压力最高可达6GPa。

(3)通过与Raman光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪、同步辐射X射线衍射仪等光谱微束分析设备联用，可以实现样品的定性或(和)定量分析。

(4)相对于传统的高温高压实验设备，具有安全系数高的特点。

(5)易于装载样品，无需打开样品腔，仅需通过旋紧或旋松加压螺丝便能改变样品腔内H2O介质的密度也因而改变了样品的压力。以上优点决定了HDAC具有较为宽泛的应用领域，特别适合用于模拟自然界中有水参与的成矿地质流体演化过程中压力-体积-温度-组分性质的变化过程。

3 HDAC高温高压实验平台应用前景

将来，HDAC在以下几个方面具有重要的应用前景：

(1)人工合成流体包裹体。

(2)物质在高温高压条件下的特殊性质、相关系以及超临界现象研究。

(3)水-岩反应热力学和动力学实验模拟研究。

(4)含水矿物在高压(高温)条件下的脱水反应。

(5)成矿元素在不同流体体系中的分配系数研究等。

尤其是在高温岩浆包裹体(熔体包裹体和熔体-流体包裹体)以及富CO2高内压流体包裹体的原位高温高压均一测温实验中具有更为重要的应用空间，前者能够准确测定成岩成矿流体岩浆阶段的温度、压力以及熔体中水含量等，后者则能够成功测得诸如胶东金矿床成矿期富CO2等挥发分流体包裹体的完全均一温度(前人在对该类流体包裹体进行测温时，当温度大于～340℃时包裹体即发生爆裂或泄露，无法获得其有效的热力学参数)，能够有效解决制约成矿流体研究中的技术瓶颈。