熱液金剛石壓腔(HDAC)高溫高壓實驗平臺簡介

李勝虎，熊玉新，單偉，舒磊，遲乃杰

(山東省地質科學研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013)

0 引言

HDAC(Hydrothermal Diamond-anvil Cell)，中文一般稱之為熱液金剛石壓腔，是由美國康奈爾大學的W. A. Bassett教授和中國科學院深海科學與工程研究所的I-Ming Chou研究員，于1990年在金剛石壓腔(Diamond-anvil Cell，DAC)的基礎上發展起來的一種高溫高壓原位實驗模擬設備。后經I-Ming Chou研究員的大力宣傳，最終將該技術推廣到世界各國，并得到實驗地球化學同行們的廣泛學習運用[1-2]。近年來，HDAC技術已經在地質科研領域取得了大量成果，多篇重要研究成果被《Science》《Nature》等知名期刊刊發[1-11]。

1 HDAC高溫高壓實驗平臺結構與組成

最新式的HDAC-VT主要由不銹鋼腔體、陶瓷底座、加熱電阻絲、熱電偶、金屬墊片以及上下兩顆金剛石對頂砧等組成(圖1)。實驗時，樣品存放在金屬墊片的中央孔洞內，通過旋轉螺絲施壓，使得上下兩顆金剛石緊緊壓合在金屬墊片上，它們共同組成一個封閉的樣品腔。上下兩顆金剛石底座的周邊纏繞電阻絲，金剛石側壁黏貼熱電偶，達到加熱和測量溫度的效果。實驗一般采用純H2O作為壓力介質，錸片、不銹鋼片、銥片等作為HDAC的金屬墊片。

圖1 最新式HDAC-VT的結構圖[8]

一套完整的HDAC高溫高壓實驗平臺主要由HDAC腔體、溫度控制器、光學顯微鏡、數碼攝像頭、圖像實時顯示和記錄電腦以及用于保護金剛石對頂砧在高溫時不被氧化的混合氣體(氬氣和氫氣)等組成(圖2)。目前，山東省地質科學研究院現已完成最新式HDAC-VT高溫高壓實驗平臺的搭建工作，該實驗平臺已達到投入科學研究的要求。

圖2 熱液金剛石壓腔(HDAC-VT)實驗平臺照片

2 HDAC高溫高壓實驗平臺實驗優勢

與其他傳統的高溫高壓實驗設備相比，HDAC具有以下幾個方面的優勢：

(1)可以原位觀察樣品在施加一定外壓加熱過程中的變化過程以及圖像的實時采集。

(2)具有較寬廣的溫度測量范圍(-170～1000℃)，壓力最高可達6GPa。

(3)通過與Raman光譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀、同步輻射X射線衍射儀等光譜微束分析設備聯用，可以實現樣品的定性或(和)定量分析。

(4)相對于傳統的高溫高壓實驗設備，具有安全系數高的特點。

(5)易于裝載樣品，無需打開樣品腔，僅需通過旋緊或旋松加壓螺絲便能改變樣品腔內H2O介質的密度也因而改變了樣品的壓力。以上優點決定了HDAC具有較為寬泛的應用領域，特別適合用于模擬自然界中有水參與的成礦地質流體演化過程中壓力-體積-溫度-組分性質的變化過程。

3 HDAC高溫高壓實驗平臺應用前景

將來，HDAC在以下幾個方面具有重要的應用前景：

(1)人工合成流體包裹體。

(2)物質在高溫高壓條件下的特殊性質、相關系以及超臨界現象研究。

(3)水-巖反應熱力學和動力學實驗模擬研究。

(4)含水礦物在高壓(高溫)條件下的脫水反應。

(5)成礦元素在不同流體體系中的分配系數研究等。

尤其是在高溫巖漿包裹體(熔體包裹體和熔體-流體包裹體)以及富CO2高內壓流體包裹體的原位高溫高壓均一測溫實驗中具有更為重要的應用空間，前者能夠準確測定成巖成礦流體巖漿階段的溫度、壓力以及熔體中水含量等，后者則能夠成功測得諸如膠東金礦床成礦期富CO2等揮發分流體包裹體的完全均一溫度(前人在對該類流體包裹體進行測溫時，當溫度大于～340℃時包裹體即發生爆裂或泄露，無法獲得其有效的熱力學參數)，能夠有效解決制約成礦流體研究中的技術瓶頸。

4 結語

鑒于HDAC高溫高壓實驗平臺實驗優勢和應用前景，山東省地質科學研究院引進了最新式HDAC-VT高溫高壓實驗平臺并完成搭建工作。經嚴格測試，該實驗平臺測試數據已達到精度要求，滿足相關領域科研工作的需要，現已正式投入使用，歡迎業內科研工作者們交流合作。