【摘要】：高溫高壓變形實驗是研究地球深部組成礦物流變學性質(zhì)的重要技術手段之一.D-DIA(deformation-DIA)裝置是最近10年來興起的一種新的高溫高壓變形實驗設備,通�？蓪崿F(xiàn)的最高壓力為15GPa和溫度約為2 000K;而同步輻射X射線衍射已經(jīng)廣泛地應用到物質(zhì)結構科學的研究中,二者相結合,能夠有效原位地研究材料物質(zhì)在高溫高壓下的流變學性質(zhì).以美國布魯克海文國家實驗室配合有同步輻射源的D-DIA裝置為例,介紹該裝置的基本結構、工作原理及D-DIA裝置與X射線結合技術如何實現(xiàn)礦物高溫高壓下變形過程的原位觀測及相關定量力學數(shù)據(jù)的獲取.這一技術突破了傳統(tǒng)流變儀的壓力局限,為在更高壓力(P4GPa)條件下研究地球深部組成物質(zhì)的高溫高壓流變學性質(zhì)提供了有效途徑.
【圖文】：

將６個壓砧同步推向裝置的中心，從而產(chǎn)生準靜水壓力，以使樣品獲得高壓．同時，ＤＩＡ是利用電流變化調(diào)節(jié)溫度的，低壓高電流的交流電可通過加熱樣品裝置中的石墨加熱管使樣品獲得高溫．Ｄ－ＤＩＡ是ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ－ＤＩＡ的簡稱，是在ＤＩＡ的多面壓砧裝置基礎上開發(fā)、改進而來的一套新型高溫高壓變形設備（Ｄｕｒｈａｍｅｔａｌ．，２００２；Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００３）．它是在上下導塊內(nèi)各增加了一個小型液壓缸，驅(qū)動液壓缸內(nèi)的活塞可使得上下兩個壓砧能夠獨立圖２ＤＩＡ模具工作原理示意Ｆｉｇ．２ＣｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｉａｇｒａｍｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｎｇｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅＤＩＡｃｕｂｉｃａｎｖｉｌａｐｐａｒａｔｕｓ據(jù)Ｗａｎｇｅｔａｌ．（２００３）修改于周邊的４個壓砧而上下運動（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００３）．因此，加壓過程中，在產(chǎn)生準靜水壓力以后，，上下壓砧的豎直軸向運動能夠產(chǎn)生差異應力從而對樣品進行可控的變形．Ｄ－ＤＩＡ裝置可產(chǎn)生的最大壓力取決于兩個主要因素：壓砧材料硬度和壓砧截面邊長大�。纾斒褂锰蓟u壓砧時，對于截面邊長為４ｍｍ和３ｍｍ的壓砧，Ｄ－ＤＩＡ裝置可實現(xiàn)的最大壓力分別為１０ＧＰａ和１３ＧＰａ（Ｓｈｉｍｏｍｕｒａｅｔａｌ．，１９９２）．因此，我們可以根據(jù)實驗目的選擇不同的Ｄ－ＤＩＡ裝置壓砧材料和壓砧截面型號．Ｄ－ＤＩＡ裝置的實驗壓力通常可高達１５ＧＰａ（即相當于地球深部大約４５０ｋｍ處的壓力），溫度最高為２０００Ｋ（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００３）．目前實驗中，利用常規(guī)樣品組合

地球科學ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅａｒｔｈ－ｓｃｉｅｎｃｅ．ｎｅｔ第４２卷圖４晶體發(fā)生Ｘ射線衍射示意Ｆｉｇ．４ＣｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｉａｇｒａｍｓｈｏｗｉｎｇＸ－ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｒｙｓｔａｌ很短（２０．００～０．０６姒）的電磁波．由于晶體具有點陣結構，是由原子周期性規(guī)則排列而成的晶胞組成，且這些規(guī)則排列原子之間的距離與Ｘ射線波長屬于相同的數(shù)量級．因此，當Ｘ射線進入晶體之后，由不同原子散射的Ｘ射線相互干涉，從而顯示與晶體結構相對應的衍射現(xiàn)象．入射Ｘ射線（原始Ｘ射線）引起晶體各原子中電子的振動，從而產(chǎn)生二次射線，由此每個原子就作為一個新的Ｘ射線光源向四周放射Ｘ射線．這種射線與入射Ｘ射線的波長相等，但其強度卻非常小．由于在晶體中存在周期重復的原子，這些原子所產(chǎn)生的次生Ｘ射線會發(fā)生干涉現(xiàn)象．干涉的結果是使次生Ｘ射線互相疊加（增強）或互相抵消（減弱）．圖４中各點代表晶體中相當?shù)脑樱�、２、３、４分別是一組平行的晶面，晶面間距為ｄ，假設原始Ｘ射線Ｓ０（波長為λ）沿與晶面成θ角（掠射角，又稱布拉格角）方向入射，并在Ｓ１方向產(chǎn)生“反射”線（實際上是在該方向產(chǎn)生衍射線）．產(chǎn)生“反射”的條件是：相鄰晶面所反射的Ｘ射線的行程差等于波長的整數(shù)倍．由圖４可以看出，在晶體中，由晶面２衍射的Ｘ射線較由晶面１衍射的Ｘ射線所走路程差為ＡＢ＋ＢＣ，且由圖中幾何關系得ＡＢ＋ＢＣ等于２ｄｓｉｎθ．如果在Ｓ１方向能產(chǎn)生衍射，那么所行路程差應該為波長
【作者單位】： 長安大學地球科學與資源學院;長安大學西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室;中國地質(zhì)大學地球科學學院;明尼蘇達大學地球科學系;
【基金】：國家自然科學基金項目(No.41402188) 中央高�；A研究項目(No.310827151059)
【分類號】：P579


本文編號：2534315