高温高压下石膏相变的原位观察.pdf

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高温高压下石膏相变的原位观察*

郑海飞，段体玉，周兴志
北京大学地球与空间科学学院，造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京，100871

摘要采用水热金刚石压腔进行了温度25-300℃和压力500MPa条件下石膏的脱水相变原位实验观察。观

察结果表明，石膏在200℃先发生溶解，并几乎在同时发生针状的半水石膏的析出。在300℃时又发生针状

的半水石膏的溶解，并同时发生板状的无水石膏的析出。另外，两种相变都伴随着压力的突变，即由石膏

向半水石膏的相变作用使压力由246MPa增加到284MPa，而由半水石膏向无水石膏的相变使压力由476MPa

增加到522MPa。这表明，矿物的脱水作用是体积增大的过程。

关键词半水石膏，无水石膏，高温高压，拉曼光谱，脱水，体积

1.引言

石膏是地壳中重要的含水矿物。已有的研究资料表明，石膏的脱水对于沉积作用中蒸发

岩的成因和演化起着非常重要的作用；在工程地质方面，相转变造成的体积变化将引发重大

的工程问题。因此，有关影响石膏脱水方面，如温度、加热速率、晶体大小和形状、缺陷密

度、溶剂等相关的研究已经有不少报道(Deutschetal.1994;Changetal.1996;Fatu2001;

FreyerandVoigt2003）。然而，有关石膏在含水且同时高温高压下的脱水实验研究却未见报

道。最近作者采用水热金刚石压腔并配合显微激光拉曼光谱测量进行了石膏在常压至

500MPa和常温至300℃下石膏的脱水原位观察研究。本文是该实验研究的报道。

2.实验方法

实验采用的金刚石压腔类似于Bassat[5]的水热金刚石压腔（图1）。该压腔通过上下两

个微型电炉对金刚石压腔进行加温，温度由K型热电偶进行测量，其测量精度为±0.5℃。

实验用垫片为0.35mm厚的钛片，样品孔直径为0.3mm。

实验样品用Renishaw1000型显微激光拉曼光谱仪进行测量，仪器的狭缝宽度为50微

米；用氩离子激光器激发样品，其激光波长为514.5nm，功率为50mW，收集时间为10秒。

实验的石膏样品采用天然石膏样品。实验前首先将作为压力标定的石英装入样品孔

中，再装入石膏样品，最后装入1.5mNaSO4的溶液。

金刚石压腔中的压力由石英的464cm-1拉曼峰与压力和温度的关系确定（ChristianS，

*博士点基金资助项目(资助号:20030001053);国家自然科学基金资助项目(批准号:40173019，10299040）

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2000[6]）：

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P(MPa)=0.36079•[(∆Vp)464]+110.86•(∆Vp)464

-1-114-83-52
(∆Vp)464,p=0.1MPa(cm)=2.50136•10•T+1.46454•10•T–1.801•10•T–0.01216

•T+0.29

式中0<(∆Vp)464≤20。该式的适用条件是：-196≤T(℃)≤560和压力小于2.0GPa下。

3.实验结果及讨论

在100℃以下，一般以25℃为间隔升温，100℃以上以50℃为间隔升温。达到设定的

温度后恒温10分钟。实验从30℃加温到350℃，其相应的压力为136.97MPa至550.61MPa。

实验过程中的初始矿物石膏以及新形成的矿物（半水石膏和无水石膏）均可以由其拉曼光谱

测量进行监测（图3）。

实验中可以观察到（图2，照片），在低于200℃的温度下，初始石膏样品一直保持

稳定。当温度达到200℃时，石膏开始发生溶解反应，并几乎在同时形成了一些针状的半水

石膏。当温度达到300℃时，针状的半水石膏开始缓慢消失，并逐渐出现呈板状的无水石膏。

由于在石膏脱水的温度范围内，实验的温度间隔为50℃，因此其脱水的实际温度应该分别

在150-200℃和250-300℃之间。另外，从整个由石膏向半水石膏到无水石膏的转变过程看，

相变过程并不是原地的。即新矿物的形成并不是原矿物的内部重新进行调整的产物。这与常

压下，且在非饱和水条件下的石膏脱水反应完全不同。

图1水热金刚石压腔的原理图

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石膏的脱水反应在其拉曼峰的波数和宽度上的表现为：从石膏到半水石膏再到无水石

膏，其拉曼峰的波数存在着不连续的跳变，即其从石膏的1008cm-1到半水石膏的1010cm-1，

然后到无水石膏的1016cm-1。相应地，其拉曼峰的半高宽也发生着跳变，即拉曼峰的半高宽

从9cm-1跳变到14cm-1，最后到11cm-1。

另外，从实验的温度和压力变化看，石膏脱水形成半水石膏