《实验与理论岩石学》从介绍岩石物理化学知识和高温高压实验技术入手，围绕固相线下的反应、地幔结构、各种地质环境中岩浆的形成、熔体结构特征及矿物结晶动力学等方面，介绍实验岩石学的新近研究成果和经实验证实的岩石成因理论。

目录
序言
**章 实验技术 1
**节 实验岩石学及实验技术发展的历史沿革 1
第二节 实验装置 3
一、冷封高压釜水热装置 3
二、活塞-圆筒装置 4
三、金刚石砧压腔 4
第三节 实验初始材料的制备 6
第四节 氧逸度的控制 7
第五节 不同XCO2流体的配制 11
参考文献 12
第二章 岩相平衡 13
**节 相和相律 13
一、相 13
二、相律 13
第二节 相图 14
一、液-固相图 14
二、固-固相图 33
参考文献 43
第三章 实验岩石学的热力学基础 44
**节 热力学基本原理 44
一、主要概念 44
二、重要的定律和公式 44
第二节 相平衡的热力学机理 58
一、自由能-组成*线 58
二、从自由能-组成*线推导相图 59
三、旋节分解 61
参考文献 68
第四章 固相线下矿物间的反应 69
**节 低级变质作用的实验研究 70
一、Liou等的成岩参数坐标图 70
二、绿片岩相向角闪岩相的过渡 76
三、绿片岩相向蓝片岩相的过渡及蓝片岩相中的变化 78
第二节 中高级变质作用的实验研究 79
一、角闪岩相 79
二、榴辉岩相 83
三、麻粒岩相 85
参考文献 89
第五章 地幔各层圈矿物组合及其相转换 91
**节 上地幔的矿物组合及其相转换 92
一、莫霍面到约400km深度的不连续带 92
二、520km深度上可能的不连续带 98
三、660km深度上的不连续带 99
第二节 下地幔的物质组成 103
一、概述 103
二、下地幔D''层 104
第三节 地幔中的H2O 109
一、上地幔及过渡带可能存在的含水相 109
二、下地幔中的含水相 110
参考文献 111
第六章 上地幔中岩浆的形成 115
**节 H2O、CO2在硅酸盐熔体中的溶解特性 115
一、H2O 在硅酸盐熔体中的溶解度 115
二、CO2 在硅酸盐熔体中的溶解度 117
第二节 上地幔条件下地幔岩部分熔化的可能性 118
第三节 橄榄岩的部分熔化 119
一、在干条件下的部分熔化 119
二、含“过量水”条件下的部分熔化 119
三、含CO2条件下的部分熔化 121
四、含H2O+CO2橄榄岩的部分熔化 122
五、导致岩浆多样性的重要机制 125
第四节 各种岩浆成因的实验模拟 128
一、科马提岩 128
二、洋中脊玄武岩(MORB) 133
三、金伯利岩 136
四、洋岛玄武岩(OIB) 142
五、溢流玄武岩 143
六、超钾质岩 146
七、碳酸岩 152
八、关于霞石岩和碳酸岩熔体的不混溶性 154
九、相关岩石在成因上的联系 158
参考文献 162
第七章 造山带及地壳中岩浆的形成 166
**节 俯冲带岩浆作用 166
一、俯冲地壳岩石的相关系 166
二、俯冲带岩石中的韭闪石 175
三、俯冲带中钾的循环 176
四、俯冲带岩浆中的微量元素 179
五、俯冲带高铝玄武岩中的高钙斜长石 182
六、俯冲带几种岩浆的形成 184
第二节 碰撞带岩浆作用 190
一、大陆碰撞带的热结构 191
二、大陆碰撞带岩浆的形成 192
第三节 大陆壳花岗岩 197
一、Qz-Ab-Or系统的模拟实验 198
二、花岗质熔体的水含量 207
三、Qz-Ab-Or-An四元系的相关系 211
四、脱水熔融与花岗质岩浆的形成 212
五、对天然花岗岩和有关岩石的熔化实验 222
六、花岗质熔体中金云母的稳定性 225
参考文献 228
第八章 硅酸盐熔体的结构 232
**节 概述 232
一、什么是熔体结构 232
二、熔体与相应玻璃结构的相似性 233
三、硅酸盐熔体的聚合模型 234
四、硅酸盐熔体的结构特征 236
五、硅酸盐熔体结构的测定 238
六、硅酸盐熔体的不混溶性 240
七、天然岩浆中的不混溶现象 243
第二节 各种组分在熔体中的结构作用 245
一、Al3+的结构作用 245
二、Ti4+的结构作用 246
三、P5+的结构作用 248
四、Fe的结构作用 249
五、H2O在硅酸盐熔体中的溶解机制 250
六、CO2在硅酸盐熔体中的溶解机制 250
七、F–在硅酸盐熔体中的结构作用 251
第三节 硅酸盐熔体的结构与熔体物理化学性质 252
一、熔体的黏度与熔体结构的关系 252
二、熔体结构与元素在熔体中的扩散 253
三、岩浆中元素的分配与熔体结构 256
参考文献 259
第九章 晶体生长动力学 261
**节 扩散 261
一、扩散方程及其制约因素 261
二、索瑞特(Soret)效应及其研究方法 264
三、两种岩浆之间的相互扩散 264
四、岩浆房内的扩散作用 265
第二节 均匀成核作用 266
第三节 非均匀成核作用 270
第四节 晶体生长速度 271
一、晶-液界面特性 271
二、晶体生长机制及生长速度 271
第五节 矿物生长与岩石结构 275
一、造岩矿物的晶体生长测定资料 275
二、过冷度与晶体形态的关系 278
参考文献 279

**章实验技术
　　**节实验岩石学及实验技术发展的历史沿革
　　实验岩石学研究高温、高压条件下各种矿物和有关相的形成及相互转换关系，又常被称为“实验矿物学”。在人类文明史上，总是知识理念的创新、工业的发展、材料及工艺技术的进步推动着实验岩石学的发展。表1-1是根据美国卡内基研究所地球物理实验室前主任YoderJr.（1980）在法国矿物学会100周年年会上的讲话加以补充形成的。从该表可以看出实验岩石学及实验技术发展的历史沿革。
　　中国的东汉末年（约公元220年），出现了世界上*早的合乎近代标准的瓷器（方邺森等，1990）。Réaumur在18世纪20年代用各种矿物进行混合，以复制中国耐火的瓷器，被YoderJr.（1980）称为实验矿物学之父。这样看来，还是制造瓷器的中国技术工人在人类历史上更早地开始了实验矿物学、实验岩石学方面的实践和尝试。
　　1727～1729年，Réaumur报道了许多天然的矿物和岩石的熔化特征（Yoder Jr.，1980）。J.Hall**次用矿物在高压下做实验，利用杠杆和重锤度量的*大压力为270bar，温度在银的熔点之上。他在1812年用纯的方解石做实验，发现压力能阻止方解石的分解。他*创的压力釜一直为后来的研究者沿用，只是被稍作改进。
　　19世纪前半叶人们已合成了不少矿物；19世纪后半叶（1850～1884年），很多新概念的出现推动了实验矿物学的发展。吉布斯（Gibbs）相律为解释矿物间的平衡提供了理论框架，1894年L？wenherz作了**张相图，美国地质调查局在1882年成立了物理实验室，即美国卡内基研究所地球物理实验室的前身（Yoder Jr.，1980）。
　　Day和Allen在1905年就研究了钠长石-钙长石系统，但没有测定这二元长石的固相线。在发明了淬火法后，鲍温（Bowen）在1913年完成了斜长石固溶体液相线、固相线的制作，钠长石-钙长石相图一直沿用至今，没有实质性的修改。Bowen在测定了Fo-Di-SiO？、Di-Ab-An三元系后，结合An-Fo-SiO？三元系和Becker、Iddings关于分离结晶的思想提出鲍温反应系列，发表了很有影响的专著《火成岩的演化》，认为大多数火成岩是由玄武岩浆分异形成的。现在看起来这种观点有些绝对化，但在当时这开创了利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 Jr.，1980）。
　　到**次世界大战开始的时候，大多数实验仍在敞开的坩埚中进行，同时也开始尝试密封容器中的高压实验。早期使用高压釜时，根据水的充填度（用进入密封的高压釜的水量计算水的密度，然后除以高压釜的容积）计算压力。因为（外加热）高温下高压釜钢材的强度有限，1912年出现把加热炉放入高压釜内部进行加热（内加热）的实验。
　　在第二次世界大战前，实验技术的重要进步是“Morey高压釜”的设计，这种装置把水泵与高压釜直接相连，水泵把水按需要泵入高压釜，釜内的压力可以从压力表上直接读出。
　　第二次世界大战后，新材料的应用使高温、高压实验技术有了更快的发展，如Tuttle设计了“热封”和“冷封”高压釜，Yoder的内加热装置可以使实验条件达到10kbar/1650℃。早期使用的传压介质是气体（如氩气）和液体（如水），在固体介质（如叶蜡石）传压的装置发明后，实验系统的压力可达到45kbar（1650℃）。此后，各种以固体介质传压的装置不断更新，先后出现对面顶、活塞-圆筒、四面顶、八面顶以及20面顶等多面顶结构（Yoder Jr.，1980）。
　　H.T.Hall在带状装置（后来发展为四面顶）中*次合成金刚石，这不仅使实验岩石学的同行很兴奋，而且带来了商业利益。金刚石砧压腔（diamond-anvil cell，DAC）的发明使人们能模拟地球更深处的地质状态。经过华人科学家Mao及合作者Bell改进的金刚石砧压腔在1978年的时候就能达到地球核幔边界的温度、压力（1720kbar，激光可以透过金刚石给样品加温到3500℃）。
　　20世纪80～90年代，实验岩石学家对金刚石砧压腔进行不断的改进，以满足各种类型研究的需要。对实验产物的相及精确成分的测定也从光学显微镜鉴定、粉晶X射线物相分析、X射线荧光光谱发展到电子探针、激光拉曼光谱、等离子光谱质谱和透射电镜同步辐射分析。
　　第二节实验装置
　　这里不准备详细介绍各种实验装置的构成及技术细节，而是简要介绍冷封高压釜水热装置、活塞-圆筒（piston-cylinder）装置和金刚石砧压腔（DAC）这些*重要、所获研究成果*多的装置的构造及工作原理。
　　一、冷封高压釜水热装置
　　冷封高压釜水热装置又称Tuttle装置（图1-1）。在冷封高压釜水热装置中样品装在贵金属样品管（银、金、铂、钯-银合金等）中，样品管放在高压釜中，传压介质是惰性气体、气体混合物或流体，如氩、CO？+H？O或H？O等。
　　高压釜用合金钢制成，这种合金钢在700～900℃高温下仍有很高的伸张强度，高压釜大部分放在炉内进行加热。样品管放在高压釜的热端，并尽可能接近从外部插入的热电偶（thermal couple）。留在炉子外面的高压釜冷端用锥形合金钢密封塞头密封。冷端在炉外可以免却高温变形，防止装置的密封遭到破坏。
　　压力介质通过泵压入高压釜，压力大小可通过每只与高压釜相通的压力表读出，这是这种装置的重要优点。炉内温度由控温仪控制、测温仪测定。图1-1中的水平裂式炉的长处是温度场稳定，压力釜与样品管经受同样高的温度，其工作的温度、压力范围决定于合金钢的强度，一般为950℃/0.5kbar、900℃/1kbar、850℃/2kbar和700℃/6kbar。
　　这种装置一般用来模拟地壳中的变质作用和岩浆作用，是应用较广、取得实验成果较多的装置。
　　二、活塞-圆筒装置
　　在这种装置（图1-2A）中用软的固体介质传递压力，样品装在贵金属样品管中，样品管放在圆柱形的石墨电阻炉内（图1-2B），石墨炉放在由滑石、叶蜡石、氧化硅玻璃这些固体传压介质构成的圆筒中，该圆筒再向外为碳化合金压力釜、硬钢支撑环和软钢安全环。
　　上述装置安在压锤和活塞之间，以维持压力。热电偶末端靠近样品，另一端引出装置之外。用专门的水压机推动碳化钨活塞对圆筒中的炉子和样品进行加压。压力通过活塞两端面积比进行计算，并根据活塞的摩擦阻力进行校正，利用有关介质的相转换资料可以对压力进行精确校正。整个钢质支撑由水冷却。
　　这种装置的优点是在高温、高压下具长时间的稳定性，工作的压力为9～60kbar，温度为1600～1700℃。这种装置多用来研究上地幔的固相线下的反应及熔化过程。对干体系的研究，样品管可以不封焊，如传压介质（如叶蜡石）脱水，当样品管中要加水、挥发分时，样品管则要封焊。20世纪80年代初世界上有数百个这样的装置用于研究地幔的矿物学问题。
　　三、金刚石砧压腔
　　这种装置把样品放在金刚石砧之间，开始是从外部用螺旋推进加压（图1-3）。两粒钻石级的透明金刚石的顶部要被磨制得严格平行，边部具小的角度（图1-4）。样品装在不锈钢的垫衬内，样品中掺有红宝石粉末，利用高压下红宝石发出的荧光的强度测定压力，用能透过金刚石的激光给样品加热。
　　即使是金刚石，在这样的高压、高温下也容易变形。为了防止金刚石砧变形，后来改用含氮金刚石，减少金刚石砧的面积，改变边部的倾角。到1984年，这种装置的压力已达2800kbar（Yoder Jr.and Wetherill，1984）。
　　初始的金刚石砧压腔是上、下对面加压，现在发展到从八个方向给样品加压。这就是比较常用的MA-8型装置，又称复式压砧（multianvil apparatus）。MA-8型装置由2000吨压机上的导块驱动、加压（Herzberg et al.，1990），工作原理是把单轴压力负荷通过八个碳化钨压砧传送到样品上，每个碳化钨压砧呈立方体，每个立方体都有一个角顶被削掉呈现为三角形平面，当八个立方体的三角形平面相对时，就构成一个八面体的空隙，装有样品的八面体压力组件（pressure assembly）就安置在这个八面体空隙中。
　　MA-8型装置中心的八面体压力组件如图1-5所示。该八面体组件（Dalton and Presnall，1998）由95%MgO+5%Cr？O？组成，边长18mm，样品放在铂管中，加热元件是石墨炉；石墨炉与样品管之间有MgO相隔，石墨炉内上下为Al？O？充填，Al？O？也为热电偶的封套；热电偶的上部还安有ZrO？的顶塞。
　　另外，人们把X射线分析技术与金刚石压力装置结合起来，在高温、高压实验的同时进行原位（insitu）X射线分析（图1-6）。利用研究核物理的同步加速器加速电子，加到所需要的速度后再去轰击金属靶，经过处理后能得到单色性极好、强度极强的X射线。这就是同步辐射（synchrotron radiation）技术。利用这种装置可以在较短的时间内把金刚石压砧装置中的高温、高压相的相变结果直接鉴定出来，免去了淬火6-压力媒介；7-样品的中间过程。
　　这里应该提到的是，华人科学家H.K.Mao与他的同事在20世纪70～80年代利用他们设计的金刚石压砧装置做出了令人注目的成绩。其中一个例子是他们在室温条件（25℃）下对氢气加压到650kbar，通过金刚石窗口连续观察到气态氢变成液态氢、进而再变成透明的固态氢，在世界上**次获得室温固态氢，并对单晶氢利用同步辐射X光源进行了结构分析。在更高的压力下，这些透明固态氢逐渐变成棕褐色的固态氢，*终变成金属氢。这一开创性成果为人类研究行星内部结构、探索宇宙发展奥秘提供了科学依据。同时，金属氢由于其超高密度、超导电性能，而具有极大的经济价值（Mao and Bell，1979）。他认为，高压研究在21世纪将成为自然科学的重要分支（Mao，2002）。
　　第三节实验初始材料的制备
　　用来做实验的物料又称为初始材料（starting material）。按性质的不同，可以把初始材料分为天然的矿物、岩石，人工玻璃及凝胶①。(1)天然的矿物、岩石：必须准确测定其成分，天然矿物必须很纯。(2)人工玻璃：用化学药品、较纯的天然材料（如石英）制备成的非晶质物质。为了保证成分的纯度，多用光谱纯、化学纯的化学试剂制备。如要合成钠长石玻璃，将需要的