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NaCl-H2O体系普遍存在于岩浆岩、热液矿床、沉积岩,以及变质岩等各种地质环境,是各种地质作用过程中最重要的二元流体体系之一。水中具有独特的氢键结构,使其对外界环境条件(温度、压力、成分等)的变化非常敏感,对应的水的拉曼伸缩谱峰(简称:水峰)会随之发生相应的变化,在高温高压实验和流体包裹体的研究中有着重要的应用。
本文利用水热金刚石压腔(HDAC)研究了高温高压下各种不同浓度的NaCl-H2O体系的拉曼光谱,系统地进行了利用水峰标定体系压力的研究,得到了水峰标定HDAC内部压力的计算公式:
P=(0.1316W2-3.7W-32.24)×(△ν)-0.03286T2+41.29T+51.688W-9684.98式中△ν是水峰的波数变化量,0≤W(盐度)≤10%(质量百分比),298≤T(温度)<594(K),0.1<P(压力)<2100(MPa),压力误差为5.2%。
地质压力的确定是地质学研究中的重要内容之一,然而现有的确定地质压力方法(矿物对地质压力计、流体包裹体地质压力计等)仍存在着误差大和可靠性差的问题。充满样品的HDAC体系和天然的流体包裹体两者具有共性,因此HDAC标定压力的方法可以移植到包裹体的压力测定中,水峰标定HDAC内部压力的计算公式可以用于确定流体包裹体的内压。同时,根据实测等容线的方法即可得到包裹体捕获时的地质压力。
流体包裹体的盐度是包裹体的重要参数之一,它的精确测定对于流体包裹体的研究有着重要的地质意义,然而现有的盐度测定方法仍然存在着测试复杂、费时费力、误差较大的问题。为此,本文提出了利用水峰的偏移斜率测定盐度的方法。在等高压的条件下,对于不同浓度的NaCl.水溶液,其水峰的波数随温度的变化的斜率明显不同。利用这一性质可以用来确定包裹体的盐度,计算公式如下:W(盐度,wt%)=-45.45A(斜率)+19.27,盐度误差为5.4%。
纯水和NaCl水溶液的在高压下的性质的变化一直都足人们致力于探索的问题之一。关于水在高压下的性质研究已经证明:高压下水的性质是不连续的,但是关于其产生不连续的变化时的压力条件及其形成机理至今没有一个定论。本文在高压下对纯水和10%(质量分数)的NaCl水溶液拉曼光谱进行了研究,探讨了高压下其内部氢键结构的变化。液态水的常温高压Raman光谱表明:液态水在压力为约450MPa和800MPa时存在不连续现象;而且随着压力的增加,氢键的强度逐渐增强,液态水趋向于形成更大的分子团簇。NaCl水溶液的常温高压Raman光谱表明:溶液在压力约300MPa和800MPa时存在不连续现象,溶液中的氢键(O-H…Cl-)发生了相应的变化,溶液中出现了结构的重新排列,产生了较为复杂的结构构型。