实验岩石学的历史演变和实验技术的发展

实验岩石学研究高温高压下各种矿物及相关相的形成和转化，常被称为“实验矿物学”。在人类文明史上，知识观念的创新、工业的发展和材料技术的进步一直推动着实验岩石学的发展。表1-1根据美国卡内基学会地球物理实验室前主任Yoder(1980)在法国矿物学会第100届年会上的发言补充。从这张表可以看出实验岩石学和实验技术发展的历史沿革。中国东汉末年(~公元220年)出现了世界上最早符合现代标准的瓷器(方等，1990)。18的20世纪20年代，雷奥穆尔混合各种矿物复制了中国的耐火瓷器，被约德(1980)称为实验矿物学之父。从这个角度来看，是制瓷的中国技术工人在人类历史上更早地开始了实验矿物学和实验岩石学的实践和尝试。从1727到1729，Réaumur报道了许多天然矿物和岩石的熔融特征(Yoder，1980)。J .霍尔第一次在高压下对矿物进行了实验。杠杆和重锤测得的最大压力为270bar，温度在银的熔点以上。他在1812用纯方解石做实验，发现压力可以阻止方解石的分解。他首创的压力釜被后来的研究人员使用，只是略有改进。19世纪上半叶已经合成了很多矿物。19世纪下半叶(1850 ~ 1884)，许多新概念的出现促进了实验矿物学的发展。吉布斯相律为解释矿物之间的平衡提供了理论框架，1894 L？温赫兹拍出了第一张照片，美国地质调查局在1882建立了物理实验室，也就是华盛顿卡内基研究所(Yoder，1980)地球物理实验室的前身。日与时。艾伦在1905研究了钠长石-钙长石系统，但未能确定这种二元长石的固相线。淬冷法发明后，Bowen在1913完成了斜长石固溶体的液相线和固相线的制作，钠长石-钙长石相图一直沿用至今，未作实质性修改。鲍文确定了fo-di-SiO _ 2和Di-Ab-An三元系，结合an-fo-SiO _ 2三元系和贝克尔、伊丁斯关于分离结晶的思想，提出了鲍姆-温度反应系列，发表了有影响的专著《火成岩的演化》，认为大多数火成岩是由玄武质岩浆分异形成的。现在看来，这种观点有些绝对，但在当时，它开创了用实验结果和物理化学原理解释野外地质现象的新时期(Yoder，1980)。到第一次世界大战开始时，大部分实验仍在敞口坩埚中进行，也尝试了密封容器中高压下的实验。早期使用蒸压釜时，压力是根据水的充满程度计算的(水的密度是通过进入密封蒸压釜的水量来计算的，然后用水的密度除以蒸压釜的体积)。由于高压釜钢在高温下强度有限(外加热)，在1912中，加热炉放入高压釜中加热(内加热)。二战前，实验技术的重要进步是“莫雷高压釜”的设计。这个装置直接连接水泵和高压灭菌器。水泵根据需要向高压釜内抽水，高压釜内的压力可直接从压力表上读出。第二次世界大战后，新材料的应用使高温高压实验技术发展更快，如塔特尔设计了“热密封”和“冷密封”高压釜；Yoder的内部加热装置可以使实验条件达到10kbar/1650℃。早期使用气体(如氩气)和液体(如水)作为传压介质。固体介质(如叶蜡石)传压装置发明后，实验系统压力可达45kbar/1650℃。此后，各种利用固体介质传递压力的装置不断更新，出现了对面顶、活塞缸顶、四面顶、八面顶、二十面顶等多种顶面(Yoder，1980)。H.T.Hall在带状装置(后来发展成四面顶)中首次合成金刚石，不仅让实验岩石学的同行们兴奋不已，也带来了商业利益。钻石砧(DAC)的发明使人们能够模拟地球更深处的地质状态。中国科学家毛(H.K.Mao)和合作者贝尔(Bell)改进的金刚石砧座，可以达到地球核幔边界1978的温度和压力(1720kbar，激光可以通过金刚石将样品加热到3500℃)。从20世纪80年代到90年代，实验地质学家不断改进金刚石压砧槽，以满足各种研究课题的需要。实验产物的物相和精确成分的测定也从光学显微镜鉴定、粉末X射线物相分析和X射线荧光光谱(XRF)发展到电子探针、激光拉曼光谱、等离子体光谱质谱(ICP-MS)和同步辐射分析(南京大学地质系矿物岩石系，1980；埃尔德等人，1947；日期等，1989；泰尔田等人，1982；Sham等人，2002年).

表1-1公元前300年至现代重要思想、原理或实验创新综述。