中国地质科学院矿产资源研究所

地球深部高温高压流体实验和原位探测方法、技术及应用

荣获2006年国土资源科学技术奖二等奖

      该项目由我所张荣华研究员主持完成，并荣获2006年国土资源科学技术奖二等奖。研究成果：重点仪器发明原理方法、新应用和新数据。最新主要进展：
一、研制高温超高压原位观测流体的核心技术和前沿技术
     1.用高温高压化学传感器和高压窗口谱学原位观测流体。水热金刚石压砧与同步辐射光源技术、与红外显微镜连接技术。
     2.结合国内外同步辐射光源技术，发展通过高温超高压窗口对流体(物质)的原位谱学实验研究手段，获得超高压高温下研究地球深部流体的新途径，创建新机遇。
     3.发明四种具有自主知识产权的高温高压化学传感器：在400℃，400巴下使用探测含矿流体的pH、H2、H2S和Eh传感器。并且，200℃/400巴高温高压电导率装置也试验成功。极端条件实验领域研究取得新进展，使我国有了国际先进的适于大洋中脊、洋底热液多参数快速检测手段。
     4.研制成功Zr/ZrO2高温高压化学传感器替代YSZ/HgO/Hg传感器有很大科学价值。大洋喷口的高温条件下大梯度变化，国际上现研制的YSZ传感器在<200℃条件不灵敏。用我们研制成功的Zr/ZrO2传感器可以弥补2°～200℃这一测量空白区，可以连续观测、监测热液（到400℃和更高温度）。创建了探测高温高压流体的化学传感器标定、校正和检测实验平台。这些都属于国际前沿新进展。
二、在基本科学原理上发展实验原理
     传感器：原位探测高温高压流体化学性质的Zr/ZrO2传感器原理，它优越于现时美欧研制的YSZ/HgO/Hg，化学稳定性强(价态不变在温压范围使用的)更坚硬。高温高压Zr/ZrO2氧化/还原电极数据是国际首次获得。
     极端条件反应过程与直测：高温高压流动反应过程与直测方法结合，有两种方法，一是高压窗口，二是探头（高温高压化学传感器）。两种方法结合是一种创新。不仅对反应产物输出的时实时监测，而且，对反应器内部做高温高压流动反应过程直测。让我们可更深入认识高温高压流体内部的成分、性质，如流体的pH、H2、H2S、Eh，电导率等。准确测量这些参数，再与谱学直测结合，是新的实验途径。
     超高压实验原理的发展，水热金刚石压砧与同步辐射光源技术、与红外显微镜连接后，不仅使测量的温压条件升高到1200℃/30Gpa，而且由定性观测发展到定量研究。红外谱方法测量液体成分的变化(均匀相)，容易获得状态方程。
三、获得一系列具有重要价值的科学数据和科学发现
     由于实验方法创新，在超临界流体和临界态性质研究有新发现。
      1．Zr/ZrO2，是国际首次研制成功的高温高压化学传感器Zr/ZrO2电极，涉及过渡金属/氧化物界面、膜材料科学的新领域。ZrO2膜功能取决其非化学计量性质。分析发现Zr/ZrO2界面分多个带，最外层由富氧ZrO2膜开始，直到高氧的Zr，纯Zr金属。
      2.获得高温高压Zr/ZrO2的pH、H2、H2S、Eh化学传感器等一批关于电极电位△E与实验选择材料的基本物质之间关系，△E和流体的最基本参数pH、H2、H2S、Eh对应关系。
      3．奠定了以高温高压Zr/ZrO2化学传感器为核心的实验检测技术，促进深海快速探测技术的发展。
四、2004年第一次使用具有我国自主知识产权的海试高温高压化学传感器装置，获得南海3100米深海数据 pH、H2、H2S，和1800米深海Eh电导数据。有重要科学价值，能与国际对比。五、建立高温高压化学传感器和研制、标定方法及其检测实验平台。在国际材料通讯、材料科学等核心刊物发表新论文。并公开了5项发明专利和申请一项PCT国际专利。