一种水相变的探测方法

技术领域

本发明涉及高压物理技术和物质结构领域，特别是涉及一种水相变的探测方法。

背景技术

水是自然界最丰富、最重要的物质之一，在地球演化过程中起着重要的作用。水侵蚀地球上的岩石土壤，以羟基形式广泛存在于硅酸盐地幔中，表现出很多独特的甚至反常的性质。地球深部的水会影响矿物岩石物理和化学性质的变化、板块的运动、地幔的对流、地球的化学元素分配及地球起源等地球物理过程和地球化学过程，因此，了解地球深部水的存在状态、相变以及分布，对认识地球内部动力学过程和地球化学演化过程有着重要的意义。

地球内部是一个复杂的高温高压系统，由于水以不同形式广泛分布于地球内部，因此研究水在高压、高温下的电学性质和相图对于进一步理解地球内部物质性质至关重要。近年来，随着高温高压实验设备的不断完善，实现了不同温度和压强下物质物理化学性质的探索，促进了人们对地壳、地幔及核幔边界层结构，组成和动力学过程等方面的认识，丰富了人们对时间和空间尺度上地球深部水循环的认知。

目前，超高压实验技术分为两大类型：动态超高压实验技术和静态超高压实验技术。动态超高压实验技术是利用各种爆轰装置产生冲击压力，同时在瞬间产生高温，一般适用于熔融态物质的电学特性研究。在地球内部，物质一般处于静高压状态。多项高压实验发现在室温下，水在2.1GPa时冰VI相变为冰VII。

静态高压实验条件下，不同探测手段得到的冰的相变曲线有很大差异，实验手段可分为如下几种：

(1)Bridgman用活塞圆筒装置测量冰VI和冰VII的体积变化，确定了在3.9GPa以下冰的融化曲线。

(2)利用光学探测系统通过冰、水两种状态吸收太赫兹波信号强度的明显差异，探测冰的融化曲线。

(3)利用冰VII的X射线衍射峰(110)的出现和消失确定了20-38GPa范围内冰VII的融化曲线。

(4)利用拉曼光谱通过OH

(5)利用放置在试样内的应变敏感电阻的变化来确定冰VII的融化曲线。

动态高压实验仅用于在极高温度、压力条件下液态水电学特性的瞬态研究；而静态高压下不同的实验判据得到的融化曲线也不尽相同，在对水电学性质测量方面，借助于应变敏感材料间接性测量水的电阻率，测量灵敏度弱，精度低，易受干扰。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种静态高压下通过电导率变化规律探测水相变的方法，探测在静态压力下，水相界面附近电阻率变化，记录水相变引起电阻率突变现象，确定冰VI、冰VII的融化曲线和二者的相变曲线，根据水电阻率数据判断水的存在状态、相变以及分布。

实现本发明的技术方案是：一种水相变的探测方法，利用金刚石对顶砧压机，其特征是，它包括以下步骤：

(1)启动金刚石压砧，上金刚石对顶砧在密封垫上产生压痕，在密封垫上的压痕中心设置通孔，将密封垫上的通孔作为压腔；

(2)将金刚石对顶砧用硫酸和硝酸体积比4:1进行化学清洗，去除其表面的油脂和灰尘；

(3)在上金刚石对顶砧砧面上，利用射频溅射的方式，沉积0.3微米的金属钼薄膜作为导电层，沉积时间为4分钟；

(4)利用光刻和化学腐蚀的方法，将上金刚石对顶砧砧面上的金属钼薄膜，加工成范德堡电极的图形，电极排布的位置完全由精密的光刻机控制台确定；

(5)利用射频溅射的方法，把1.5微米-2.5微米的氧化铝薄膜，沉积到上金刚石对顶砧砧面的钼电极上，作为绝缘层；

(6)在绝缘层上，用光刻和化学腐蚀方法露出电极探测窗口，检测时，四根引线分别与直流电源和电压表连接；

(7)组装金刚石压砧，将带通孔的密封垫设置在下金刚石对顶砧砧面上，首先将8微米厚的云母片压入到垫片凹痕中，然后在压腔底部放置红宝石，最后将去离子水滴样品填满压腔，将集成微电极的上金刚石对顶砧装配到压机上，构成原位高压检测装置；

(8)室温下，用扳手均匀缓慢地转动加压螺丝对样品施加压力，根据红宝石荧光峰R

(9)将原位高压检测装置放入对流炉中，用两对镍铬型热电偶标定温度，其中热电偶1放置炉内，实现炉内温度测量，热电偶2与金刚石对顶砧相连，用两个热电偶平衡测量温度，实现温度调节，使用对流炉对去离子水滴样品进行加热至T

(10)控制T

其中d是去离子水滴样品的厚度，由千分尺测得；根据电阻率随压力变化曲线的突变范围，拟合出在T

(11)使用对流炉升高到不同温度T

(12)室温下，用扳手均匀缓慢地转动加压螺丝对去离子水滴样品施加压力，根据红宝石荧光峰R

(13)对去离子水滴样品施加不同压力P

在所述的步骤(1)中，所述的金刚石对顶砧压机把厚度为250微米的T-301钢片预压成100微米压痕，用激光在压痕中心烧灼一个直径为400微米的孔作为压腔。

本发明一种水相变的探测方法的有益效果体现在：

1、一种水相变的探测方法，可利用金属电极准确探测地球内部固态冰的电导率，避免空间电荷层效应对电导率数据的干扰，记录水相变引起电阻率突变现象，确定冰VI、冰VII的融化曲线和二者的相变曲线；

2、一种水相变的探测方法，根据水电阻率数据判断水的存在状态、相变以及分布，测量灵敏度强，精度高，不易受干扰。

附图说明

图1是是在一种水相变的探测方法中采用的原位高压检测装置示意图；

图2是图1中原位高压检测装置的件6上金刚石对顶砧A向视图；

图3是在图1中原位高压检测装置的件6上金刚石对顶砧砧面上集成微电路方法示意图；

图4是将原位高压检测装置设置在对流炉内，加热过程中的装置图；

图5是在一定温度、不同压力作用下，水样品的电阻率变化规律示意图；

图6是在一定压力、不同温度作用下，水样品的电阻率变化规律示意图；

图7是水的三相图；

图中：1.微电极第一端，2.微电极第二端，3.微电极第三端，4.微电极第四端，5.样品，6.上金刚石对顶砧，7.下金刚石对顶砧，8.红宝石，9.密封垫，10.铜导线，11.氧化铝，12.钼。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照附图1—附图3，构建构成原位高压检测装置：

(1)利用金刚石对顶砧压机把厚度为250微米的T-301钢片预压成100微米压痕，用激光在压痕中心烧灼一个直径为400微米的孔作为压腔；

(2)将金刚石对顶砧用硫酸和硝酸体积比4:1进行化学清洗，去除掉表面的油脂和灰尘，以提高金属导电薄膜在金刚石压砧上的附着力；

(3)利用射频溅射的方式，在上金刚石对顶砧砧面上，沉积金属钼薄膜作为导电层，沉积时间为4分钟，钼膜厚0.3微米；

(4)利用光刻和化学腐蚀的方法，将金属钼薄膜加工成范德堡电极的图形；

(5)再利用射频溅射的方法把2微米的氧化铝薄膜沉积到钼电极上，作为绝缘层；

(6)然后用光刻和化学腐蚀方法露出电极探测窗口，引出铜导线；

(7)将8微米厚的云母片压入到凹痕中；

(8)将集成微电极的上金刚石对顶砧装配到压机上；

(9)在压腔底部放置红宝石，将去离子水滴加入压腔；

参照附图4，

(10)将原位高压检测装置放入对流炉中，用两对镍铬型热电偶标定温度，其中热电偶1放置炉内，实现炉内温度测量，热电偶2与金刚石对顶砧相连，用两个热电偶平衡测量温度，实现温度调节，使用对流炉对去离子水滴样品进行加热至T

(11)室温下，用扳手均匀缓慢地转动加压螺丝对样品施加压力，根据红宝石荧光峰R

(12)使用对流炉对去离子水进行加热至T

(13)控制T

其中d是样品的厚度，实验中由千分尺测得，实现水电阻率的原位测量；

(14)根据电阻率随压力变化曲线的突变范围，拟合出在T

(15)使用对流炉升高到不同温度T

(16)对去离子水施加一定压力P

(17)保持压力P

(18)根据电阻率随温度变化曲线的突变范围，拟合出在P

(19)使用高压装置对冰施加不同压力P

(20)根据测得的水相变数据点(T

参照附图5，通过一定温度下水样品的电阻率随压力的变化关系可知，在340K条件下，当压力为2.09GPa时，水的电阻率发生突变，电阻率导数曲线出现单峰，冰VI相变为冰VII。2.09GPa即为温度在340K时冰的相变压力，相变数据点记为(340，2.09)。

参照附图6，通过一定压力下冰样品的电阻率随温度的变化关系可知，在1.2GPa，2.2GPa和2.9GPa条件下，温度升高一个较窄范围，冰的电导率急剧上升1-2个数量级，电阻率的导数拟合曲线出现单峰，冰融化为水。出现单峰时的温度即为对应压力下冰的融化温度，融化数据点分别记为(310，1.2)，(360，2.2)，(410，2.9)。

参照附图7，在不同温度和压力条件下，测出水的若干对相变数据点和融化数据点，最终拟合出水的三相图如图所示。

以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。