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透辉石—钠长石—钙长石体系（Di-Ab-An）快速冷却结晶的枝晶研究

作　者: 黄琼
导　师: 赵珊茸
学　校: 中国地质大学
专　业: 矿物学、岩石学、矿床学
关键词: 枝晶透辉石—钠长石—钙长石体系降温速度枝晶形貌枝晶晶体结构
分类号: P584
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

在晶体生长研究发展过程中，人们对平衡、近平衡条件下的晶体生长研究较多，对远离平衡态的晶体生长研究较少，而实际的晶体生长总是在不平衡的条件下进行的，因此研究远离平衡态的晶体生长，更具有实际意义，因而越来越引起关注。枝晶是指具树枝状形态的结晶体，最初是用来描述金属铸锭中呈现的分支结构，它形成于远离平衡态条件下，在冶金领域的显微组织、陶瓷材料及火山岩中普遍存在，近年来，在生命组织中人们也观察到了大量枝晶生长。枝晶的产生及其伴生的成分偏析和结构缺陷将直接影响到材料的性能；枝晶具有奇异的枝蔓状结构，有些枝晶形貌可构成特殊的分形图案，而分形生长是一个涉及非线形领域的复杂课题，许多理论问题都未解决。对枝晶形貌的研究为晶体形貌学，晶体生长提供了新的研究课题；枝晶的生长过程是一个非线性，非平衡的过程，且其枝状形态都与植物界的花草树木相似，说明无机界与有机界的联系。这方面研究可能与准平衡、非平衡、非线性的生长演化有关，这对无序-有序的转化、无生命-有生命体系转化的联系和区别、稳定态-不稳定态转化等理论认识有重要意义。因此，对枝晶的研究涉及岩石学、结晶学、材料科学、分形学等多个学科领域，对理论研究和实际应用具有重大意义。19世纪初至今，国内外学者对枝晶进行了大量研究工作，这些工作主要集中于对金属、合金材料中枝晶生长的研究，其中，在枝晶的生长模型、枝晶形态学特征的确定方面取得了一些成果。相比较而言，在非金属领域内：材料方面对枝晶的研究特别是对枝晶形貌的研究有一些；在地学领域例如对硅酸盐熔体中枝晶的研究则较少。本文以透辉石—钠长石—钙长石（Di-An-Ab）三元体系为研究体系，采取不同降温速度快速结晶形成枝晶，实验选取1、4两个成分点，选取出有研究意义的8个样品进行正交偏光显微镜整体形貌观察，背散射电子照像微区形貌观察及成像，电子探针微区成分分析测试，X射线粉晶衍射结构测试，激光拉曼光谱结构测试。对枝晶的形貌、成分、结构进行综合的研究，探讨不同条件形成的枝晶的演化规律，为枝晶形成机制的理论研究，枝晶形貌的系统研究提供一些实例。经研究得出以下结论：1. 在样品降温结晶温度区间1350℃—800℃内，如果降温速度过快（﹥10℃/分钟），样品来不及结晶，肉眼见为透明玻璃质，没有结晶块，磨片在偏光显微镜下观察也不见结晶小片，全为玻璃质；当降温速度为10℃/分钟，样品肉眼见为透明玻璃质，没有结晶块，磨片在偏光显微镜下观察可见极少数结晶小片分布于玻璃基质中；当降温速度﹤10℃/分钟（为5℃/分钟、3℃/分钟、1℃/分钟），样品肉眼可见结晶块，为白色不透明，且结晶生<WP=5>长方向是从球状样品边缘向球中心延伸；当降温速度为1℃/分钟，样品全部结晶。相同成分点的样品，在相同降温速度条件下，大的球状样品结晶量比小样品的结晶量要少。2. 1号成分点（位于透辉石首晶区）样品1-6、1-8、1-7的枝晶为透辉石枝晶，4号成分点（位于斜长石首晶区）样品4-6、4-8、4-7的枝晶主要为斜长石枝晶，对比不同斜长石端元组分的X射线粉晶衍射图谱，最终确定为拉长石，样品中还混有少量透辉石物相。3. 不同物相的枝晶形貌有很大差别。1号成分点位于透辉石首晶区，其样品（1-6、1-8、1-7）中透辉石枝晶为主，枝晶为羽毛状或树枝状，主干两侧有规则分枝，有的分枝还有次级分枝；4号成分点位于斜长石首晶区，其样品（4-6、4-8、4-7）以斜长石枝晶为主，枝晶为纤维放射状或细针状集合排列，不具有分支结构。不同物相的枝晶形貌完全不同。4. 降温速度对枝晶形貌也有影响。当降温速度不超过5℃/分钟，对同一成分点的样品，降温速度越慢，其枝晶的枝体越细小，且枝晶形貌变得复杂，但整体形貌仍没变。降温速度（≦5℃/分钟）对枝晶整体形貌的影响不大，1号成分点的样品为树枝状，4号成分点的样品为纤维放射状，它只影响枝晶细节形貌。对同一成分点的样品，降温速度慢，其枝晶的枝体细小。5. 对于透辉石枝晶，随着降温速度变快，Al代替Si进入四面体变多（Al在四面体中的原子系数从0.08 ? 0.12 ?0.17），而Al在硅氧骨干外代替Mg进入八面体变少（Al在八面体中的原子系数从0.42 ? 0.37 ?0.18）。1号成分点样品的玻璃基质中Al多为六次配位，而不代替Si进入四面体。6. 对于斜长石枝晶，Al全部进入硅氧骨干中代替部分Si4+呈四次配位。而且，降温速度变快，Al代替Si进入四面体变多，Al更大程度代替Si，表现为Al在四面体中的原子系数从1.20? 1.21 ?1.37。4号成分点的玻璃基质，降温速度越快，Al进入四面体越多（Al在四面体中的原子系数从0.60? 0.82 ?1.01）。7. 对于透辉石枝晶，随降温速度减小，透辉石枝晶晶胞参数a值呈增加趋势，b值、c值都呈减小趋势，β值呈增加趋势。8. 对于斜长石枝晶，降温速度减小，其晶胞参数b呈减小趋势，c呈增大趋势，β值呈增加趋势。

全文目录

第一章绪论  10-16
  1．1 枝晶研究的发展现状  10-14
    1．1．1 枝晶的形成  10-11
    1．1．2 枝晶形貌的研究  11-12
    1．1．3 枝晶生长理论的研究  12-13
    1．1．4 枝晶研究需进一步探讨的方面  13-14
  1．2 透辉石—钠长石—钙长石体系研究概况  14
  1．3 本文的工作  14-16
第二章实验方法  16-21
  2．1 研究体系相图分析及实验点的选取  16-17
  2．2 实验制样过程  17-21
    2．2．1 配料与混料  17-18
    2．2．2 熔制与淬冷  18-19
    2．2．3 粉碎与压片  19
    2．2．4 熔化与降温结晶  19-21
第三章样品测试  21-31
  3．1 正交偏光显微镜—枝晶整体形貌观察  21-23
    3．1．1 1号成分点样品枝晶形貌  21-22
    3．1．2 4号成分点样品枝晶形貌  22-23
  3．2 电子探针背散射形貌像—枝晶微区形貌观察  23-24
    3．2．1 1号成分点样品枝晶背散射电子像  23-24
    3．2．2 4号成分点样品枝晶背散射电子像  24
  3．3 电子探针微区成分测试  24-25
  3．4 X射线粉晶衍射测试  25-29
  3．5 显微拉曼光谱测试  29-31
第四章测试结果分析  31-41
  4．1 物相及降温速度对枝晶形貌的影响  31
  4．2 降温速度对枝晶成分的影响  31-34
  4．3 降温速度对枝晶的晶体结构的影响  34-41
    4．3．1 样品拉曼测试结果的分析  34-35
    4．3．2 样品X射线粉晶衍射测试结果的分析  35-41
第五章结论  41-44
致谢  44-45
参考文献  45-48
图版  48-56

透辉石—钠长石—钙长石体系（Di-Ab-An）快速冷却结晶的枝晶研究

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