名义上无水矿物水含量的非偏振红外光谱测定

论文摘要

地球内部的水除了以分子水等形式存在于熔体、流体和流体包裹体等载体中,还以结构水的形式赋存在名义上无水矿物中。名义上无水矿物,是指那些理想化学式中不含氢但其晶体结构中含有微量缺陷形式氢的矿物。名义上无水矿物中的氢主要通过电荷平衡替代或占据晶体间隙,以OH-、H2O、H2、NH4+等结构水的形式赋存于矿物晶体结构中。常见的名义上无水矿物包括石英、长石、单斜辉石、斜方辉石、橄榄石、石榴石等,一直以来都深受矿物学家和高温高压实验学家的青睐。名义上无水矿物中的水含量很少,通常为数ppm到数千ppm,但却对地幔矿物的物理化学性质和地球内部物理化学过程具有显著影响。另外,由于深部地幔主要是由辉石、橄榄石、石榴子石以及他们的高压相变矿物等名义上无水矿物组成,因此,名义上无水矿物成为地球内部非常重要的水储库。水的存在对地球内部的物理化学性质和地球动力学过程具有极其重要的影响。矿物和熔体中的水可以提高离子扩散速率、降低矿物熔点、促进部分熔融,还可以增强电导率、降低地震波速、改变流变强度,影响矿物和岩石的物理性质。另外,水对板块运动以及全球水循环也具有一定的影响。名义上无水矿物中的水对地球内部水的分布和储存、地球内部矿物的物理化学性质、地质过程、地球内部演化和地球内部和外部的水循环等的影响,与其在名义上无水矿物中的赋存形式和含量密切相关。因此,对名义上无水矿物中水含量的准确测定是了解地球内部很多物理化学性质和效应的重要前提。近些年来,随着测量仪器的日益精密和技术手段的不断创新,名义上无水矿物中的水含量的分析测定方法获得了重大发展。目前国际上有很多方法可以测定名义上无水矿物中的水含量,比较常用的分析测定方法有傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析、二次离子质谱（SIMS）分析、弹性反冲探测（ERDA）分析、核磁共振（NMR）等。其中,傅里叶变换红外光谱分析具有经济、简便、灵敏、无损、微区、有效区分氢污染、高分析精度等优点,使其仍然是目前应用最广泛的分析方法。在校正系数可靠的前提下,采用偏振红外光谱测定名义上无水矿物中水含量的方法越来越精确。但很多情况下,受样品数量、大小以及时间成本等的影响,国内外学者往往采用非偏振红外光谱分析来测定非定向性名义上无水矿物中的水含量。无论从理论推导层面还是实验评估层面来看,非偏振红外光谱分析都有不同的方法,但是这些方法的准确度都没有经过实验验证。本文对实验生长的宝石级含水橄榄石、单斜辉石和斜方辉石单晶的水含量测定的准确度进行了仔细评估。我们对样品分别进行了偏振和非偏振红外光谱测定,通过获得的两种光谱进行水含量计算。研究结果显示,无论采用哪种计算方法,对矿物晶体的单次非偏振测定都不足以得出精准的水含量,而且其相对误差可能高达约80%。Paterson（1982）的分析方法是基于线性吸光度强度理论的,其单次分析及多颗粒平均分析结果往往都低估了晶体真实水含量,最高可能低估了～6倍。另外一种非偏振校正方法是通过计算多个非定向颗粒的平均积分吸光度来计算水含量的,结果显示,2个相互垂直方向的平均积分吸光度得出的计算结果相对误差范围多在±25%以内,10个任意方向的平均积分吸光度得出的计算结果相对误差范围则更小,通常在±10%以内。因此,如果有足够数量的任意方位颗粒可供分析,应用后一种计算方法定量化名义上无水矿物中水含量可能会更精准一些。然而,这些相对误差是非系统性的,在实际测定过程中,高估或低估了矿物水含量都是有可能的。这些结果为定量化名义上无水矿物中的水含量及记录其对母岩的物理性质的定量化影响提供了重要基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
•   1.1 选题依据与意义
•   1.2 研究历史与现状
•     1.2.1 地球上的水
•     1.2.2 地幔中水的起源
•     1.2.3 硅酸盐地幔的含水性
•     1.2.4 硅酸盐地幔中水的赋存形式
•     1.2.5 硅酸盐地幔中水的地质意义
•   1.3 名义上无水矿物及水含量分析方法
•     1.3.1 名义上无水矿物中的水
•     1.3.2 几种常见的水含量分析方法
•   1.4 红外光谱测定方法
• 第二章 实验技术和方法
•   2.1 样品
•   2.2 高温高压实验
•   2.3 傅里叶变换红外光谱分析
• 第三章 结果与讨论
•   3.1 样品中结构水的类型
•   3.2 水含量的非偏振定量化分析
• 第四章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 邱杨杨

导师: 杨晓志

关键词: 结构水,水含量,定量分析,非偏振光谱,傅里叶变换红外光谱,名义上无水矿物

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 南京大学

分类号: P575

总页数: 64

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