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区域变质型晶质石墨矿石墨生成的热力学分析

更新时间:2009-03-28

1 概述

区域变质型晶质石墨矿是我国最主要的石墨矿类型,约占我国石墨矿床的80%。这一类型的石墨矿品位高、规模大,石墨以中-粗鳞片产出(d=0.5~2.0mm),是重要的新兴产业矿物材料。对于区域变质型晶质石墨矿床的地质特征、成矿条件及矿石物质成分已有诸多的研究成果[1-2],对于其成矿作用比较一致的意见是:

(1)主要石墨矿(南墅、柳毛、三岔垭)均分布于前寒武纪古老陆核的结晶基底,如胶辽地块、佳木斯微陆块、黄陵断穹核部,经受过区域性热流型变质作用,变质程度深。

(2)成矿原岩为含碳泥质岩、粉砂质泥岩及碳酸盐组合,属孔兹岩系(Khondalite series),经区域变质后变成含石墨云母片岩、含矽线石榴片岩片麻岩,夹石英岩、大理岩及钙硅质岩组合。

① 墙体变形情况分析:两测点深度12.5 m部位向基坑内位移接近60 mm;墙顶向基坑内位移接近20 mm,两处变形值均过大。

(3)形成石墨的碳质来源于微古生物,属有机碳。浮游藻类(已鉴定出:Leiominuscula aff. minuta NaumLeiopsophosphaera sp.,Protoleiosphaeridium SolidumTrematosphaeridium sp.,Polyporata obsolea等)在元古代陆间海或陆缘海滨海带繁衍、聚集、埋藏,导致碳质的富集。

沉积形成的有机碳在区域变质作用中转化成石墨。

2 石墨矿形成的热力学分析

学生自主思索,在独立思考的基础上相互交流,教师巡视观察,展示有代表性的解答(不完整的也可以),展示的时候让学生本人自己先讲思路的依据,然后其他同学点评和补充,需要的时候教师进行追问.解题后抽象概括出元素的“确定性、互异性、无序性”特征.

数据库中关键业务数据表包含:1)接口配置表,保存接口信息;2)学分申请流程记录表,记录学生申请学分各个审批环节状态;3)流程审核人关联表,保存各个流程对应的审核人信息;4)学生活动表,保存学生参加活动的各项信息;5)学分规则表,保存满足相应学分的条件;6)学分项目配置表,保存各级别项目对应的学分;7)流程历史实例表、流程抄送表、流程历史实例表、流程历史任务表等,该部分表用以保存流程处理的相关信息。其中,接口配置表如表1所示,学分申请流程记录表如表2所示,学生活动表如表3所示。

2.1 有机碳转化为单质碳

2.1.1 生物碳沥青化

沉积岩腐泥质中的生物碳主要成分为蛋白质、脂肪,含少量纤维素,均为复杂的高分子有机化合物。水层将沉积物和空气中的氧隔开,在成岩过程中经埋藏、压实,蛋白质(基本成分为氨基酸)在还原条件下发生沥青化,伴之以氧的贫缺和碳、氢的富集(斯米尔诺夫,1985)[3]。这一过程可简单的表述为:

 

沥青的主要成分为烷烃,由氨基酸转变为烷烃其结构中要脱除氨基(-NH2)和羧基(-COOH),这一过程为非自发过程,因为只有获得氨基和羧基与碳原子的键解离能,反应才成为可能。据热力学键能数据:C-C的键能为347.0 kJ·mol-1,C-N的键能为288.9 kJ·mol-1,因此,氨基酸转化为烷烃需要能量635.9 kJ·mol-1,这部分的能量来自上覆岩层的压力和埋深后的地热增温。沉积岩的负荷压力可达到1~2kPa,地热温度可达到100℃~200℃,提供了键解离能,使这一过程得以完成。煤矿床中褐煤变成烟煤的过程与此类似,褐煤随地层加深,地温升高,发生脱水、脱羧、脱氧和缩聚,碳含量不断升高,氧、氮含量不断下降。

服务后抵赖主要出现在电子商务中。移动用户通过网络商店和电子支付系统进行商品的选择和支付,但是其中一方在交易完成中不承认参与了交易行为。服务后抵赖行为包括两种,一种是客户收到商品后不承认参与过交易行为,拒绝支付费用;一种是客户支付后商家不承认收到货款拒绝交付商品。

2.1.2 沥青碳化

为解决杂波理论模型与实际不符导致的杂波抑制性能下降,需寻找新的非高斯统计模型来刻画杂波。目前已经有一些针对非高斯杂波模型的研究,如韦布尔分布、K分布、广义Gamma分布、Alpha稳定分布等[11],其中Alpha稳定分布可调整参数逼近其他分布,而在采用Alpha稳定分布拟合杂波数据时发现,与高斯分布相比其统计特性与数据更为吻合。因此,若将Alpha稳定分布统计模型引入SAR-STAP算法中,导出新算法实现杂波抑制,必将提高原有SAR/GMTI系统的性能。本节将给出新算法的推导过程,并采用仿真实验对算法性能进行验证。

Kamenelsky等(2004,2008)[7-8]利用金伯利岩中橄榄石内的辉石和石榴石的包裹体成分,推断金伯利岩形成压力相当于5GPa,温度为900℃~1000℃,其温压范围位于金刚石-石墨平衡线之上,固此碳以金刚石形式出现。区域变质型石墨矿共生岩石组合为含石墨斜长片麻岩、石墨云母片岩、矽线石榴片麻岩、石榴斜长角闪岩等,其形成的温压条件可利用Spear和Cheney(1989)[9]的泥质岩变质成岩格子(图2)来推断。

组成沥青的烷烃碳化(即脱除氢原子,转变成碳单质)也是非自发过程。现以最简单的烷烃甲烷为例,分析这一过程。CH4→C+2H2的反应标准自由能因此过程不能自发进行。甲烷CH4分子中C原子的1个2s轨道和3个2p轨道杂化而形成4个sp3杂化轨道,各与1个氢原子上的1s轨道重叠,形成4个共价键。只有获得离解这4个共价键的能量,才能获得单质碳。实验数据证明[4],4个键离解先后不同,它们的离解键能也各不相同。

CH4(气)→CH3·(气)+H·(气)

由于碳的熔点很高,蒸气组成也很复杂,液态碳的性质直至20世纪90年代仍有争议。20世纪80年代后,激光及大电流脉冲放电等加热加压技术、拉曼光谱等检测手段及更加深入的理论分析,碳相图的范围逐渐扩大,内容也日趋丰富。1989年邦笛总结了前人的研究成果,提出了1989新版邦迪相图(图1),明确地划分出石墨相的稳定范围。在相图中还根据克拉伯龙方程计算出等体积增量的P-T线。

·CH2·(气)H(气)+H·(气)

H(气)·(气)+H·(气)

因此,要使甲烷转变成碳(气)和氢(气)需要获得离解键能1655 kJ·mol-1。在工业生产中利用焦煤生产焦炭即类似于这一过程,炼焦是在高温高压下进行的,在自然界,则只有靠温压很高的区域变质作用。

2.2 无定型碳结晶成为石墨

无定型碳(焦炭、木炭)曾被认为是完全无序的碳,与石墨、金刚石并列作为固态碳的三种同素异形体。实际上,无定型碳是无序碳和有序碳的过渡类型。无定型碳可产生模糊不清的X衍射线,因此从总体上看是非晶态的,但并非完全无序,存在着部分有序状态。在现有的物理化学手册中,尚无无定型碳的标准熵的数值,但据此可推测其标准熵应在石墨和C(气)之间。根据上述各种形式碳的数值和化学反应的熵判据:ΔS>0自发过程;ΔS<0不可能发生的过程。可以确定,无定型碳不可能自发结晶变成石墨,因为石墨(无定型)<0。

2.2.1 熵值

碳以不同形式存在状态的标准熵数据[6]

食品药品网格化管理“涵江经验”已上升为“福建模式”,列入国家和福建省食品药品安全监管“十三五”规划,先后得到国务院食安办主任、国家食品药品监管总局毕井泉局长和全国人大常委会食品安全法执法检查组的充分肯定,福建省政府办公厅《今日要训》以增刊形式予以刊登,得到福建省副省长梁建勇的批示肯定,并在全省范围推广。

C(气):

石墨矿的形成由一系列物理化学过程组成,其中两个基本环节是:有机碳裂解成单质碳和碳质结晶成石墨。本文拟从热力学角度对这两过程做初步分析。

C(无定型):石墨无定形碳(气态碳)

C(石墨):

C(金刚石):

再次,创新管理技术。农业科研管理者应具备创新意识和创新能力,提高自己的工作技能和方法,在创新中发展农业科研管理。农业科研中心应充分利用信息技术,克服传统管理概念的限制[2]。

金刚石石墨无定型碳碳气体

对这一过程拟用熵变定律进行讨论。物理化学中熵定义为即过程发生中能量的变化除以过程发生时的绝对温度所得的商。熵的微观意义是体系中无序程度的量度,波尔兹曼给出了熵(S)与系统质点无序度()的关系:S=kln,式中的k为波尔兹曼常数[5]。因此我们可以直接用熵值来判断系统质点的无序性并确定自发反应的方向。

2.2.2 无序度

通过考察物质内部原子排列无序状态也可判定无定型碳不能自发结晶成石墨。4种形式碳原子凝集体的质点的无序程度见表1。

 

1 碳不同凝集体原子的有序度Table 1 Degree of order of different carbon agglomerated atoms

  

凝集体原子聚集状态物理性质无序度C气体自由的单个原子,相互引力小,运动方向随意变化气态,无一定形状,能充满容器。完全无序无定型碳凝集成固态,质点不能自由移动,有小部分结晶成微晶石墨,有模糊的X衍射线。粉末状固体基本无序石墨碳原子排列成六方网状,同层碳原子以sp2杂化轨道与相邻碳原子的杂化轨道重叠,形成牢固的σ键。六方层间有与其垂直的相互平行的p轨道重叠形成大π键,电子可在每一层平面间移动。六方鳞片状,可导电,硬度小。基本有序(3/4有序,1/4无序)金刚石每个碳原子形成4个sp3杂化轨道与其他4个碳原子形成共价键。八面体晶体,极高硬度。完全有序

根据区域变质型石墨矿的矿物共生组合推断形成石墨矿变质岩的T-P区:

马克思主义唯物史观的人民群众观则也强调人本思想的重要性。认为人民群众是实践的主体,是历史的创造者,是社会变革的决定性力量,要求坚持“从群众中来,到群众中去”的群众路线,一切为了群众,一切依靠群众。

综上所述,单质碳结晶成石墨的过程必须借助于外界提供能量。对比不同类型石墨矿床即可发现,石墨结晶形成的温压条件相当高。例如接触变质型矿床(含碳层经与火成岩接触变质形成的石墨矿),由于中酸性岩浆通过接触带提供的能量有限,所以形成的石墨结晶小(<1m),碳质石墨化不彻底,部分为半石墨。而只有在区域动热变质的温压条件下,才能提供形成鳞片状结晶石墨的能量。当然,碳在区域变质作用中形成石墨是一个复杂的自然过程,不完全是能量问题,能量效应只是表明了反应的方向,其他因素对反应也有重要的作用。例如,流体的加入对晶质石墨化有至关重要的影响,有流体加入的韧性剪切带比剪切带外围的同一岩性含碳质岩石的晶质石墨程度往往要高得多,可能与流体状态下有利于质点运动和晶体的生长等有关,即晶质石墨化程度还与晶体生长要素有关。

2.3 碳的相图和石墨生成温压条件的推断

CH3·(气)→·CH2·(气)+H·(气)

二是情感激发无力。学生觉得爱迪生的故事比较遥远,不易产生共鸣。这也反映出教师选择“故事”的一个视角—“宏大叙事”,即较多关注英雄人物、道德楷模的典型事例,缺少学生自己的故事的参与。教师在讲述爱迪生故事后生硬地归纳出“坚持到底就是胜利”的主题,缺乏对事实逻辑的深刻分析,更缺少对学生心理的关注。

泥质岩变质成岩格子图主要基于热力学计算而成,泥质变质岩被看作是Al2O3-FeO-K2O-SiO2-H2O六组分系统[6]。每一条线代表一个变质反应的平衡线,平衡线相交组成的“格子”则代表具有特定矿物共生组合的温压区域。

  

图1 碳相图Fig.1 Carbon phase diagram(据邦笛,1989;A、G、E、K、I点为笔者所加)A—区域变质型石墨矿形成区 K—金伯利岩形成区 I—工业合成金刚石区 E—榴辉岩区 G—麻粒岩区 等体积增量线:1-ΔV=0 2-ΔV=0.5 3-ΔV=0.7 4-ΔV=0.9

  

图2 泥质变质岩成岩格子(据Spear和Cheney,1989)[9]Fig.2 Petrogenetic grid diagram of argillaceous metamorphic rocks

由表1知,无定型碳变成石墨是一个有序化的过程,碳原子凝集体将从基本无序转变成基本有序。热力学研究表明,系统的自发过程是系统微观无序度(混乱度)增加的过程,而不可能向相反方向进行,因此无定型碳不可能自发变成石墨。

(1)富铝矿物以矽线石(Sil)为主,兰晶石(Ky)和红柱石(And)出现少,因此成岩T-P区应在图2①线和②线之间。

(2)最常见的矿物共生组合为白云母(Ms)+石英(Q)+矽线石(Sil)+钾长石(Kfs),故T-P应沿③线变化。

(3)堇青石(Crd)少见,黑云母(Bi)+矽线石(Sil)常见,故T-P区应在④线之上。

(4)石榴石和黑云母中FeO/(FeO+MgO)>0.7,T-P区应在⑤线左侧。

据(1)~(4)可推断区域变质型石墨矿形成的温压区应在图2点划线区(图中点划线区为笔者添加),即T=600℃~700℃,P=0.55~0.65GPa。在碳相图中,则位于图1的A区。温度和压力范围相当的变质岩相为高压角闪岩相。

3 结论

(1)根据形成石墨反应的等热力学参数可以确定由有机碳变成单质碳及单质碳结晶成石墨,在常温常压下均不能自行发生,对应地质环境,即在表生条件下有机碳不可能变成结晶石墨。要实现这些反应必须借助于外界的能量。

周岱翰强调,饮食要均衡。一年到头,他雷打不动要吃的“宝贝”,是最平常不过的苹果,每天1~2个。有人问他:“苹果就那么好吃吗,吃多了不厌烦吗?”“苹果如果不好吃,就当药吃嘛!”他说。

其次,还可以看出《纽约时报》中的心理过程和行为过程都多于《中国日报》;而物质过程和关系过程《中国日报》多于《纽约时报》。这反映出中国记者在报道“一带一路”使更多的强调中国与其他国家的合作关系;而美国记者则多用一些表达情感的词汇来暗示他们对中国“一带一路”的看法,且多用没有行为目标的行为过程,反映出他们对此战略的不重视与漠不关心。

为方便讨论,记tA (x)为tx ,记fA (x)为fx, 有tx +fx≤1。运用Vague进行评价的具体步骤为:

(2)由腐泥质中的氨基酸转变成烷烃,需要的能量较低,只在浅埋藏、低地温条件下(P=1~2Kb,T=100℃~200℃)即可发生。

(3)由烷烃变成单质碳需要较高的C-H键离解能,这一过程需在区域变质的温压条件下才能完成。

(4)在区域变质作用中石墨以“渐进的地热石墨化作用和突变相变模式”生成,即随地层的深埋程度逐渐升高,一旦到达碳质有序化的温度,石墨的结晶以突变形式完成。

(5)区域变质型石墨矿石墨生成温压条件为:T=600℃~700℃,P=5.5~6.5Kb,相当于区域变质高压角闪岩相的形成环境。

(6)热力学分析只是从物理化学基本原理上指明反应的方向和所需的能量,在研究区域变质型石墨矿石墨形成的机制时还需综合考虑多种地质因素。

参考文献

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[2] 《中国矿床》编委会.中国矿床:下册[M].北京:地质出版社,1989.

[3] 斯米尔诺夫. 矿床地质学[M].北京:地质出版社,1985.

[4] 叶锡模. 普通化学[M].杭州:浙江大学出版社,2004.

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[8] KAMENETSKY V S,KAMENETSKY M B,SOBOLEV A V,et al. Olivine in the Udachnaya-East Kimberlite (Yakutia, Russia):types,compositions and origins[J]. Journal of Petrology,2008,49(4):823-839.

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边敏,程林,姚敬劬
《矿产与地质》 2018年第01期
《矿产与地质》2018年第01期文献

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