辉石中“水”的原位变温红外光谱研究：OH的红外吸收系数温度依赖性和结合机理

OH红外吸收系数的温度依赖性研究是对名义上无水矿物(NAMs)中OH吸收系数校正历程的一大贡献，对于原位直接监测高温下NAMs中的H具有重要的铺垫意义。缺陷OH的结合机理是NAMs含水性研究的基础问题，也是难点之一。本课题拟选择单斜辉石和斜方辉石这两种常见的天然造岩矿物作为研究对象，通过原位变温红外光谱实验，详细观察OH红外积分吸收面积随温度变化，结合前人校正的常温下的红外吸收系数，得出其它温度下OH的红外吸收系数；观察OH峰位随温度变化的规律，结合化学成份和变温下的晶体结构分析，来判断每个红外吸收峰对应的OH周围的化学环境，从而探讨OH的结合机理。相关工作可进一步推动高温下H行为的原位研究，并为深入理解微量H对NAMs的物理和化学性质的影响提供新的信息。

H能够以缺陷的形式进入到名义上无水矿物（NAMs）的晶格中，和骨架中的O结合形成OH（业界称为“水”）。这些微量的水能够显著影响矿物的物理化学性质和重大的地质过程。因此NAMs中含水性的研究方兴未艾。而其中OH的结合机理和红外吸收系数的标定是理解水的物理效应和准确计算水含量的最基础的科学问题。本项目以上地幔主要的造岩矿物透辉石和顽火辉石为研究对象，对其进行原位变温红外光谱测量，实验结果如下：（1）随着温度的升高，顽火辉石中3595 cm-1OH峰的位置位向低波数漂移了将近20 cm-1。透辉石中的三组峰随温度移动的幅度和方向均不同：随着温度升高，3645峰向低波数移动，3464峰几乎不动，而3361峰向高波数移动。峰位对温度不同的响应行为暗示每组OH峰对应的H在晶体结构中有着不同的化学环境，3645峰对应的H处于较弱的氢键环境中，体现了邻近M-O键的负热膨胀；3361峰对应的H处于较强的氢键环境中，体现了H键的热膨胀。（2）整个变温过程中，没有吸收峰之间的消长，而且光谱变化可逆。说明没有脱水和H质子转移的发生。（3）随着温度的升高，总的积分吸收面积减小并且变化可逆，OH红外吸收系数和温度之间存在很好的线性关系。以上结果揭示了辉石中缺陷H在晶体结构中的局部环境，而且警示在非室温条件下对缺陷H进行定量计算的时候，一定要注意红外吸收系数的选择。