1 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036
4 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室, 北京 100029
5 5. School of Earth Sciences, University of Bristol, Bristol BS81RJ, United Kingdom
6 中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 四川 绵阳 621999
碳酸盐是碳在地球内部的重要载体之一, 其在地幔高温高压条件下的晶体化学是理解地球深部碳的赋存状态和循环过程的关键, 而结构稳定性和相变是晶体化学最基本的研究内容。 碳酸钠(Na2CO3)是一种常见的碱性碳酸盐矿物, 在产自地幔过渡带-下地幔的金刚石中已发现含钠的碳酸盐矿物包裹体, 这成为碳酸钠能够俯冲进入地幔深部的直接矿物学证据。 前人利用拉曼光谱技术研究了Na2CO3在常温常压下的晶格振动模式, 但其在高压下的稳定性和结构变化却鲜有报道。 利用金刚石压腔装置结合先进的共聚焦拉曼光谱技术, 以硅油作为传压介质, 在准静水压力条件下, 在0.001~27.53 GPa压力区间对Na2CO3粉末在600~1 200 cm-1波段的振动特征进行了细致地分析。 本次实验重点分析了[CO3]2-基团振动模式在升压和卸压过程中的行为。 结果表明, 在0.001~11.88 GPa压力范围内, [CO3]2-基团对称伸缩振动γ1(1 088.06和1 070.76 cm-1)、 反对称伸缩振动γ3(865.10和797.50 cm-1)和面内弯曲振动γ4(720.10和696.71 cm-1)都出现了振动峰的分裂。 随着压力增加, 所有振动峰都向高频率漂移, 半高宽也逐渐增加。 在13.40 GPa时, Na2CO3发生结构相变, 具体表现为690.08 cm-1处出现1条新的拉曼峰, 并且随着压力升高该峰的强度逐渐增大。 同时反对称伸缩振动峰γ3以及面内弯曲振动峰γ4的强度持续减弱, 半高宽也继续变大。 这些现象表明Na2CO3结构相变源于[CO3]2-内部晶格变化。 当压力卸载到4.18 GPa时, [CO3]2-的振动模式与常温常压下的完全吻合, 相变出现的新峰也已经消失, 表明该相变是由[CO3]2-基团畸变引起的并且具有可逆性。 继续升压至27.53 GPa, 拉曼光谱继续蓝移, Na2CO3的拉曼谱线再没有变化, 说明高压相在这一压强范围内保持稳定。 在整个加压过程中, 反对称伸缩振动γ3和面内弯曲振动γ4处的拉曼峰出现强度减弱现象。 同时也计算了各个峰频率对压力的依赖系数dγ/dP, 结果显示[CO3]2-基团内各个振动模式对压力的响应是不同的, 这很可能与C—O键的键长有关。 最后, 对比发现, 对称伸缩振动γ1峰的强度比反对称伸缩振动γ3和面内弯曲振动γ4峰的强度大, 并且[CO3]2-基团对称伸缩振动γ1受压力影响相对较小, 可以用来区别不同种类的碳酸盐矿物。
碳酸钠 拉曼散射 高压 相变 Sodium carbonate Raman scattering High pressure Phase transition 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2087
1 中国地震局地震预测重点实验室(中国地震局地震预测研究所), 北京 100036
2 防灾科技学院, 河北 燕郊 065201
测量获得了金刚石压腔系统中碳化钨基座单轴下的总压应力(F/N)-应变(ε/μm/m)关系: F=3.395ε+12.212(R2=0.999 9), 研制出可以在定量单轴压力下原位测试样品谱学特征的装置。 利用该装置测试了单轴压力在2548.664 MPa下单晶硅片的拉曼谱峰。 测试结果表明, 当压力垂直于单晶硅样品［100］结晶面时, 样品的519.12 cm-1谱峰随压力增大有规律的向高频方向偏移, 谱峰频移量(Δω/cm-1)与压力(σ/MPa)的增加呈显著的线性关系, 线性方程为σ=365.80Δω+10.19。 式中的常数项在一定程度上反应了样品本身存在的残余应力; 一次项系数与理论计算得到的结果存在一定差异, 可能是由于本实验考虑了样品受力的定向性。 Δω-σ线性关系式中的常数项可能代表两层含义: 一是实验过程中存在的误差; 二是在一定程度上反应了硅片本身存在的内应力的大小。
单轴压力 单晶硅片 拉曼谱峰 残余应力 Uniaxial pressure Monocrystalline silicon wafer Raman spectrum peak Residual stress 光谱学与光谱分析
2016, 36(4): 1261
1 中国地震局地质研究所, 中国地震局活动构造与火山重点实验室, 北京 100029
2 中国地震局地震预测重点实验室(中国地震局地震预测研究所), 北京 100036
3 防灾科技学院, 河北 燕郊 065201
对汶川地震断裂带深溪沟出露的基岩错动面两侧岩脉中的石英矿物进行了拉曼谱峰测定, 并根据所测石英的464 cm-1拉曼谱峰向高波数的偏移量估算了断裂带中的压应力分布。测试结果表明, 错动面附近岩脉中石英的464 cm-1拉曼谱峰向高波数偏移量为3.29 cm-1, 相应的压应力值为368.63 MPa, 明显低于错动面两侧应力积累, 这可能是由于错动面的多次活动导致了应力不断得到释放。断裂南东盘(下盘)远离错动面, 岩脉中石英的464 cm-1拉曼谱峰向高波数偏移量具有增加的趋势, 相应的应力积累也逐渐增强, 距错动面21 m处的石英样品的464 cm-1拉曼谱峰向高波数偏移4.40 cm-1, 相应压应力可达到494.77 MPa。剖面北西盘(上盘)在距错动面10 m处, 样品464 cm-1拉曼谱峰的偏移量达到最大值, 相应的应力积累为519.87 MPa, 其后远离错动面应力积累开始减弱, 在北西盘17 m处, 应力积累骤然下降至400.37 MPa。在西北盘距错动面27 m处, 岩脉石英的464 cm-1拉曼谱峰向高波数偏移量下降至3.21 cm-1, 应力已经减弱到359.59 MPa, 这可能是由于该处位于断裂带的边缘, 远离错动面, 受到了较小的断层活动的影响。因此, 汶川地震断裂带内的应力虽然得到部分释放, 但剩余的应力分布并不均匀, 而且在局部还存在较高的应力积累, 这反应了断裂带中岩石的力学性质在空间上具有不均匀性。
岩脉 石英 断裂带 拉曼谱峰 应力 Veins Quartz Fault zone Raman spectrum Stress
1 中国地震局地震预测重点实验室（中国地震局地震预测研究所）, 北京100036
2 湖南省防震减灾工程研究中心, 湖南 长沙410001
3 中国科学院计算地球动力学重点实验室, 中国科学院大学, 北京100049
在3 GPa, 1 200 ℃条件下, 分别以碱性玄武岩粉末和等化学计量光谱纯试剂为原料进行高温高压熔融结晶实验, 对实验产物进行了电子探针测试和拉曼光谱分析, 确定结晶产物为绿辉石, 其拉曼谱峰的半高宽较窄且形态尖锐, 表明绿辉石晶体中Si—O四面体结构稳定, 矿物内部有序度高。 结合前人研究成果探讨了绿辉石成因的影响因素及其原始岩浆, 结果表明绿辉石的形成可能受母岩成分、 体系流体含量和温压条件等多种因素影响。 本实验结果为绿辉石和榴辉岩成因学研究提供可能的实验依据。
高温高压 绿辉石 拉曼光谱 碱性玄武岩 成因 High pressure and high temperature Omphacite Raman spectra Alkali basalt Genesis 光谱学与光谱分析
2013, 33(11): 2993
1 中国地震局地质研究所, 中国地震局活动构造与火山重点实验室, 北京100029
2 中国地震局地震预测研究所(地震预测重点实验室), 北京100036
系统测定了汶川地震断裂带深溪沟剖面断层泥中石英和方解石颗粒的拉曼谱峰。 测试结果表明, 受到断层滑动、 断裂带构造挤压应力作用, 所有样品的特征拉曼谱峰向高波数偏移。 所测样品中微裂隙发育、 与绿泥石等粘土矿物共生的石英颗粒的464 cm-1谱峰向高波数偏移量为2.50 cm-1, 而比较完整的纯净石英颗粒的464 cm-1谱峰偏移量为3.78 cm-1。 这可能是由于石英颗粒早期发育大量微裂隙, 并填充了松散的粘土矿物, 增加了石英颗粒的表面积, 从而加速了石英内应力的释放。 断层泥中方解石颗粒的1 085 cm-1谱峰向高波数偏移2.70 cm-1, 为汶川8.0级地震断层面所受构造压应力所致。 根据方解石颗粒拉曼谱峰的变化及已有的实验数据, 估计汶川地震发生时断层面所受压应力的下限为496 MPa。 研究表明, 对断裂带内矿物颗粒进行拉曼谱峰测试, 可以为推测断层活动时断层面所受到的力学机制提供依据。
断层泥 石英 方解石 拉曼谱峰 应力 Fault gouge Quartz Calcite Raman spectrum Stress 光谱学与光谱分析
2013, 33(6): 1562
常温、 1.0～4.4GPa下， 利用激光拉曼光谱研究了奥长石晶体结构随压力的变化。 发现， 压力为2.9 GPa时， 517 cm-1附近出现新的谱峰， 奥长石开始相变。 3.4 GPa时， 源于奥长石结构中M—O伸缩振动的288 cm-1拉曼谱峰频移发生突变， 517 cm-1附近谱峰消失， 奥长石由三斜晶系完全相变为单斜晶系（P1-I1）。随压力增加， 归属于奥长石四面体结构中Si—O—Si弯曲振动的458 及516 cm-1谱峰随压力增加有规律地向高频方向偏移， 斜率分别是1.667 cm-1/GPa和3.560 cm-1/GPa， 而源于Al—O—Al弯曲振动的480 cm-1谱峰与压力没有明显的线性变化关系。 卸压过程中， 288 cm-1拉曼谱峰频移保持不变， 458， 480及516 cm-1谱峰向低频偏移。 长石类矿物的相变压力与结构中八元环所含阳离子种类有关。
奥长石 拉曼光谱 压力 相变 阳离子 Oligoclase Raman spectroscopy Pressure Phase transition Cation
