一种高钙、高锰和高含水的顽火辉石单晶的制备方法与流程

1.本发明属于高温高压条件下矿物单晶样品合成的技术领域，尤其涉及一种高钙、高锰和高含水的顽火辉石单晶的制备方法。


背景技术：

2.顽火辉石(分子式：mg2[si2o6])，隶属于链状结构硅酸盐，是斜方辉石族中的一个亚种。斜方辉石族矿物是由一系列复杂体系的铁镁硅酸盐固溶体组成的，顽火辉石是重要的镁端元组分的辉石。在链状结构的顽火辉石中，络阴离子为[sio4]四面体共角顶相连而成，并沿一维方向无限延伸的链状硅氧骨干。在顽火辉石的晶体结构中，链状硅氧骨干依靠骨干外的二价镁阳离子而互相联系。顽火辉石是广泛存在于地球的上地幔区域、月球的上地幔区域和火星地幔区域，仅次于橄榄石的，第二大重要的造岩矿物，地表常出露在基性和超基性岩及层状侵入岩、火成岩，变质岩等岩石中，是研究岩石成因重要的标志性矿物，主要产地有澳大利亚、缅甸、印度和南非。
[0003]
顽火辉石矿物的化学通式可表示为x2[t2o6]，而斜方辉石族的顽火辉石中的x组阳离子通常为二价的金属镁离子，也含有一定量的ca
2
、mn
2
、fe
2
、na

、li

等其它杂质的金属阳离子，在晶体结构中主要占据m2位置。t组离子主要为正四价的硅离子，占据硅氧骨干相对应的四面体位置。由于晶格位置的金属阳离子mg
2
与众多的杂质离子(ca
2
、mn
2
、fe
2
、na

、li

等)之间，可以发生等价或异价、完全或不完全的类质同象替代，因此在地球表面出露了种类繁多和成分复杂的含不同杂质离子的顽火辉石矿物。通常，高温条件下顽火辉石有四种主要的同质多像变体：原顽火辉石(稳定于1gpa和1000-1557℃，具有斜方晶系的pbcn型结构)、顽火辉石(630-1000℃，具有斜方晶系的pbca型结构)、高温单斜顽火辉石(》980℃，具有单斜晶系的c2/c型结构)和低温单斜顽火辉石(《630℃，具有单斜晶系的p21/c型结构)。
[0004]
金属元素钙和元素锰，原子序数分别为20和25。金属钙是碱土金属中最活泼的一种元素，仅次于氧、硅、铝、铁，在地壳中丰度最高和分布最广含量的前十种元素位居第五位(3％)，多以游离态或化合态形式存在。元素锰位于第四周期ⅶb族，属于典型的过渡族金属元素，可见的主要的含锰矿物，包括软锰矿、黑锰矿、锰结核等。一般而言，在地幔中，水是以晶格点缺陷的形式，存在于名义无水的硅酸盐矿物的结构中。近来，高温高压条件下上地幔名义无水矿物水溶解度实验的研究结果表明，尽管在地球地幔区域在矿物含量上辉石远远低于橄榄石，但水在辉石中的溶解度是远高于橄榄石，辉石可能是上地幔深度范围的主要储水矿物。而前人已有的辉石在高温高压条件下电导率、介电常数、超声波弹性波速、热导率、热扩散系数、同步辐射的微区单晶x射线衍射谱、共聚焦显微拉曼光谱、高分辨率布里渊散射谱、真空傅里叶变换红外光谱等的原位实验和理论计算结果表明，矿物岩石中含有的微量的水，可以提高或降低辉石物理学迁移性质几个数量级。通常，现有技术采用高温化学沉降法、高温水热法、高温溶胶凝胶法等合成方法，制备得到的纯顽火辉石单晶均是不含水的，并且产物纯顽火辉石单晶的颗粒粒度比较小(一般是纳米数量级)。因此，有效地合成出
一种大颗粒的高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶满足各式高温高压实验室模拟的科学研究需求，尤其是高压下单晶矿物晶格优选方位和晶轴各向异性研究，变得尤为迫切。


技术实现要素：

[0005]
本发明要解决的技术问题是：提供一种高钙、高锰和高含水的顽火辉石单晶的制备方法，以解决现有技术高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶的制备技术空白，以获取大颗粒的高含钙的、高含锰的和高含水的顽火辉石单晶实验样品。
[0006]
本发明技术方案是：
[0007]
一种高钙、高锰和高含水的顽火辉石单晶的制备方法，所述制备方法是：按照顽火辉石化学计量学，以固态的六水合硝酸镁粉末、固态的四水合硝酸钙粉末、固态的四水合硝酸锰(ii)粉末、液态的正硅酸乙酯和无水乙醇浓度作为起始原料，制备出混合物圆柱体样品；以固态的天然蛇纹石粉末、固态的天然片水锰矿粉末和固态的天然熟石灰粉末作为原料制备出水源圆片；将水源圆片放置在混合物圆柱体样品两端后；混合物圆柱体样品和水源圆片放入金钯合金样品管内进行高温高压反应制备出高钙、高锰和高含水的顽火辉石单晶。
[0008]
所述混合物圆柱体样品的制备方法，具体包括：
[0009]
步骤1、在250毫升广口玻璃瓶中，先放入55毫升的无水乙醇；
[0010]
步骤2、按照顽火辉石((mg,ca,mn)2si2o6)化学计量学，称量出10克固态六水合硝酸镁粉末、50毫克固态四水合硝酸钙粉末和40毫克固态四水合硝酸锰(ii)粉末加入无水乙醇溶液中；
[0011]
步骤3、用移液枪将9.1376毫升的液态正硅酸乙酯加入55毫升的无水乙醇中；
[0012]
步骤4、在广口瓶中加入磁力搅拌转子，用厚度0.5毫米的塑料薄膜对广口瓶瓶口进行密封；
[0013]
步骤5、将广口瓶放在高温磁力搅拌热盘上使高温磁力搅拌热盘在室温和940转/分钟转速下搅拌20小时；
[0014]
步骤6、打开广口瓶的塑料薄膜封口，往混合液中加入45毫升浓度69-70％的浓硝酸溶液，再对广口瓶瓶口进行密封
[0015]
步骤7、在塑料薄膜表面扎无数0.1毫米的小孔洞；
[0016]
步骤8、将广口瓶放在高温磁力搅拌热盘上，调高热盘的温度至86℃，使混合液在86℃和1068转/分钟的转速条件下搅拌25小时；
[0017]
步骤9、移除广口瓶瓶口的塑料薄膜，将高温磁力搅拌热盘温度调至113℃，直至整个广口瓶内混合溶液全部蒸干；
[0018]
步骤10、取出磁力搅拌转子，用药勺将广口瓶内全部混合粉末取出放在白金坩埚中；
[0019]
步骤11、将装有混合物粉末的白金坩埚，放在高温马弗炉里，以760℃/小时的升温速率升温至1020℃，焙烧1.6小时；自然冷却至室温取出混合物样品粉末；
[0020]
步骤12、将混合物样品粉末在玛瑙研钵里研磨混合均匀，在压片机上将混合物压成φ14.8mm
×
7.6mm圆片，三片叠加在一起，放在白金坩埚中；
[0021]
步骤13、将装有圆片状的混合物样品的白金坩埚，用白金丝连接白金坩埚壁，悬挂
在底端开放的高温氧气氛炉的正中间，顶端充氢气、氩气和二氧化碳的混合气体；
[0022]
步骤14、在氧气氛炉的炉体的正下方放置一杯700毫升二次去离子水的冷水；
[0023]
步骤15、将装有圆片状的混合物样品的白金坩埚，以680℃/小时的升温速率，升高温度至1690℃，恒温焙烧35分钟熔化成玻璃态的顽火辉石；
[0024]
步骤16、将连接白金坩埚壁上的白金丝通入10安培的电流，电流作用下白金丝将熔断，进而装有样品的白金坩埚将从氧气氛炉的炉膛中坠落到二次去离子水的冷水中，以实现高温下样品直接淬火获得成分均匀的顽火辉石玻璃；
[0025]
步骤17、将淬火后的顽火辉石玻璃从白金坩埚中取出，在玛瑙研钵中研磨成均匀的样品粉末；
[0026]
步骤18、将粉末样品压成φ3.8mm
×
3.4mm的圆柱体，得到混合物圆柱体样品。
[0027]
以固态的天然蛇纹石粉末、固态的天然片水锰矿粉末和固态的天然熟石灰粉末作为原料制备出水源圆片的方法为：采用重量比4:3:1的天然蛇纹石、片水锰矿和熟石灰作为水源，放在压片机上压成φ3.8mm
×
0.2mm的两圆片。
[0028]
所述混合物圆柱体样品和水源圆片放入金钯合金样品管内进行高温高压反应制备出高钙、高锰和高含水的顽火辉石单晶的方法为：将装有混合物圆柱体样品和水源圆片的金钯合金管，放在kawai-1000t多面顶大腔体压机上，设定升压速率和升温速率分别为2.0gpa/小时和50℃/分钟，将压力和温度分别升至7.0gpa和1100℃条件下，进行热压烧结，反应时间为恒温恒压18小时；恒温恒压18小时后，以5℃/分钟的降温速率，将样品腔体内的温度从1100℃降低至室温，温度降低至室温后，以0.7gpa/小时降压速率，将样品腔体内的压力从7.0gpa降低至常压；高温高压制备反应完成后，将得到的实验样品从样品腔中取出，采用金刚石切切片机，打开金钯合金样品管，在显微镜下挑选出顽火辉石单晶。
[0029]
高温高压反应时，高压样品腔体内的温度采用b型高温铂铑贵金属热电偶来进行标定，每一组高温铂铑贵金属热电偶是由两种材质不同的铂铑合金丝组成的，热电偶的正极(bp)化学成分：pt
70％
rh
30％
；热电偶的负极(bn)化学成分：pt
94％
rh
6％
；对应的每根正负极铂铑合金丝bp和bn的直径0.2mm，将每一组高温铂铑贵金属热电偶对称安放在金钯合金管样品腔的外壁的上下两侧，实现样品腔体内的温度标定。
[0030]
本发明的有益效果：
[0031]
本发明有机结合结晶学与矿物学、岩浆岩岩石学、沉积岩岩石学、变质岩岩石学、高等地球化学、行星地质学、陨石学、高压矿物物理学等相关学科背景，即在地球上地幔氧化还原条件下缓慢形成一种高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶的原理。采用实验室kawai-1000t多面顶大腔体高温高压实验设备，在高温高压条件下模拟一种高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶的形成过程，本发明涉及的主要化学反应方程式为：
[0032]
2[mg(no3)2·
6h2o] 2[ca(no3)2·
4h2o] 2[mn(no3)2·
4h2o] 2c8h
20
o4si
→
[(mg,ca,mn)2si2o6] 12(nh3·
h2o) 16co 18h2o 10o2[0033]
5[mg6si4o
10
(oh)8]
→
12mg2sio4 2[mg3(si4o
10
)(oh)2] 18h2o2[mg3(si4o
10
)(oh)2]
→
3mg2si2o6 2sio2 2h2o
[0034]
mn(oh)2→
mno h2o
[0035]
2mn(oh)2→
mn2o3 h2o h2[0036]
[ca(oh)2]
→
cao h2o
[0037]
本发明在高温高压条件下，所选的初始原料固态的六水合硝酸镁(分子式：mg(no3)2·
6h2o)，提供了合成高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶必不可少的镁元素。初始原料固态的四水合硝酸钙(分子式：ca(no3)2·
4h2o)，提供了合成高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶必不可少的钙元素。初始原料固态的四水合硝酸锰(ii)(分子式：mn(no3)2·
4h2o)，提供了合成高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶必不可少的锰元素。初始原料液态的正硅酸乙酯(分子式：c8h
20
o4si)，提供了合成高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶必不可少的硅元素。初始原料固态的天然蛇纹石(分子式：mg6si4o
10
(oh)8)，在本发明设定的压力7.0gpa条件下，当温度升高至615℃时，蛇纹石会发生第一次脱水反应，脱水产物-镁橄榄石(mg2sio4)和滑石(分子式：mg3(si4o
10
)(oh)2)；在7.0gpa条件下，当温度升高至802℃时，第一次脱水产物滑石会发生第二次脱水反应，脱水产物-顽火辉石(分子式：mg2si2o6)和石英(分子式：sio2)，镁橄榄石、顽火辉石和石英的矿物组合可很好控制高压样品腔体内的硅活度，同时释放出大量的水。所选的初始原料片水锰矿[分子式：mn(oh)2，又称为羟锰矿]，也属于典型的含锰的含水矿物，片水锰矿在温度300℃时，发生第一次脱水反应，生成软锰矿(mno)；当温度升高至560℃时，发生会发生第二次脱水反应，生成mn2o3，同时释放出大量的水。所选的初始原料熟石灰(分子式：ca(oh)2)，也属于典型的含钙的含水矿物，熟石灰在温度580℃时，发生脱水反应，生成生石灰(cao)，释放出大量的水。在高压样品腔体内，放置一定配比含水矿物的天然蛇纹石、片水锰矿和熟石灰，高温高压条件下会发生脱水反应，产生大量的水，为合成高含钙的、高含锰的和高含水的顽火辉石单晶提供很好的水源。在反应产物中，加入浓硝酸，产生的nh3·
h2o、co和o2均是易挥发物质。
[0038]
本发明需要合成含较高的钙含量(5000-6000ppm wt％)、较高的锰含量(4000-5000ppm wt％)和较高的水含量(3000-4000ppm wt％)的顽火辉石单晶，合成出的样品中含有与地球、火星、水星等类地行星地幔相匹配的钙含量、锰含量和水含量的顽火辉石单晶，并将其广泛应用于高温高压条件下类地行星地幔物质的物理化学性质实验模拟的高温高压研究中。相比天然陨石样品可能存在一些类质同象的钙离子和锰离子的杂质替代，本发明高钙的、高锰的和高水含量的顽火辉石单晶的制备过程中，实验室环境纯净，试样处于密封环境中，不与杂质接触，得到的高含钙的、高含锰的和高含水的顽火辉石单晶为纯净物，化学稳定性好，为高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶的物理学性质参数测量，尤其探究高压下单晶矿物的晶轴各向异性和晶格优选方位研究提供了重要的实验样品保障。
[0039]
相比前人可见到的人工合成的纯顽火辉石单晶，采用的高温化学沉降法、高温水热法、高温溶胶凝胶法等合成方法，本发明的制备方法具有操作过程简单、反应时间短等明显优势，获得的顽火辉石单晶具有纯度高、尺寸大、化学性能稳定等优越性能，尤为重要的是，钙含量、锰含量和水含量高且可控。顽火辉石单晶颗粒尺寸大，完全可以满足高温高压条件下金刚石对顶砧设备上电学性质、弹性性质、谱学性质、扩散性质等的高温高压实验模拟的样品需求，该方法为高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶的物理学性质参数测量，尤其探究在高压下单晶矿物晶格优选方位和晶轴各向异性研究提供了重要的实验样品保障，突破了现有顽火辉石单晶合成的技术瓶颈。
具体实施方式：
[0040]
本发明所述的制备方法，它具体包括：
[0041]
使用固态的六水合硝酸镁粉末(纯度：》99.99％)、固态的四水合硝酸钙粉末(纯度：》99.99％)、固态的四水合硝酸锰(ii)粉末(纯度：》99.99％)、液态的正硅酸乙酯(纯度：》99.99％)、固态的天然蛇纹石粉末(纯度：》99％)、固态的天然片水锰矿粉末(纯度：》99％)、固态的天然熟石灰粉末(纯度：》99％)和无水乙醇浓度(浓度：》99.9％)作为起始原料。
[0042]
步骤1、在250毫升广口玻璃瓶中，先放入55毫升的无水乙醇。
[0043]
步骤2、按照顽火辉石((mg,ca,mn)2si2o6)化学计量学，在高精度的分析天平上，准确称量出高纯度的10克固态六水合硝酸镁粉末、高纯度的50毫克固态四水合硝酸钙粉末和高纯度的40毫克固态四水合硝酸锰(ii)粉末，将其小心加入55毫升的无水乙醇溶液中。
[0044]
步骤3、按照顽火辉石化学计量学，用移液枪，将高纯度的9.1376毫升的液态正硅酸乙酯，小心加入55毫升的无水乙醇中。
[0045]
步骤4、在含有固态的六水合硝酸镁、固态的四水合硝酸钙、固态的四水合硝酸锰(ii)和液态的正硅酸乙酯的无水乙醇混合液的广口瓶中，加入磁力搅拌转子，用厚度0.5毫米的厚塑料薄膜，对广口瓶瓶口进行封口密封，以避免广口瓶内初始溶液在高速搅拌过程喷溅出，从而影响样品合成的精度。
[0046]
步骤5、将装有密封的初始混合液和磁力搅拌转子的广口瓶，放在高温磁力搅拌热盘上，为了使初始物料的六水合硝酸镁、四水合硝酸钙、四水合硝酸锰(ii)和液态的正硅酸乙酯溶解在无水乙醇溶液中，使高温磁力搅拌热盘在室温和940转/分钟转速下搅拌20小时，以实现物料之间充分溶解和无残留。
[0047]
步骤6、打开广口瓶的塑料薄膜封口，为加速顽火辉石制备反应发生，在混合液中加入45毫升浓度69-70％的浓硝酸溶液，再进行塑料薄膜的封口密封，以避免广口瓶内初始溶液在高温搅拌过程喷溅出，从而影响样品合成的精度。
[0048]
步骤7、用尖口的镊子在薄膜表面扎一些0.1毫米的小孔洞，为了使反应产生的nh3·
h2o、co和o2等挥发物质更容易挥发掉，同时还可以避免广口瓶内浓硝酸在高速搅拌过程喷溅出，从而影响样品合成的精度。
[0049]
步骤8、将广口瓶放在高温磁力搅拌热盘上，调高热盘的温度至86℃，使混合液在86℃和1068转/分钟的转速条件下，高温高速搅拌25小时，使得所有初始试剂全部充分溶解在无水乙醇和浓硝酸的混合溶液中。
[0050]
步骤9、移除密封口的密封薄膜，将高温磁力搅拌热盘温度，调高至113℃，直至整个广口瓶内混合溶液，全部蒸干。
[0051]
步骤10、取出磁力搅拌转子，用药勺将广口瓶内全部混合粉末，小心全部取出，放在白金坩埚中。
[0052]
步骤11、将装有混合物粉末的白金坩埚，放在高温马弗炉里，以760℃/小时的升温速率，升高温度至1020℃，焙烧1.6小时，高温煅烧主要为了去除混合物粉末中残留的硝酸和有机物。
[0053]
缓慢自然冷却至室温，取出混合物样品粉末。
[0054]
步骤12、将煅烧后的粉末混合物样品，在玛瑙研钵里研磨混合均匀，在压片机上将混合物压成φ14.8mm(直径)
×
7.6mm(高度)圆片，三片叠加在一起，放在白金坩埚中。
[0055]
步骤13、将装有圆片状的混合物样品的白金坩埚，用白金丝连接白金坩埚壁，使其
悬挂在放在底端开放的高温氧气氛炉的正中间，顶端充氢气、氩气和二氧化碳的混合气体，以实现高温煅烧过程中炉体内控制氧气氛的目的。
[0056]
在氧气氛炉的炉体的正下方放置一杯700毫升二次去离子水的冷水，以实现样品高温下直接淬火的目的。
[0057]
步骤14、将装有圆片状的混合物样品的白金坩埚，以680℃/小时的升温速率，升高温度至1690℃，恒温焙烧35分钟，使之熔化成玻璃态的顽火辉石。通常，顽火辉石的熔点是1610℃，当温度高于1610℃时，顽火辉石即可呈现出玻璃态。此控制氧气氛的高温焙烧过程目的在于：使本发明实现合成大颗粒的高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶，提供更加纯净的混合物初始物顽火辉石玻璃；氧气氛条件下的高温煅烧可更好地控制产物中变价元素金属锰的价态；相对较短的焙烧时间，因为在温度高于1610℃下顽火辉石会发生快速熔化成玻璃相，并且影响样品制备的可能残存的水、有机物、硝酸等物质均已全部挥发。
[0058]
步骤15、待样品在温度1690℃下焙烧35分钟后，将连接白金坩埚壁上的白金丝通入10安培的大功率电流，大功率电流作用下白金丝将熔断，进而装有样品的白金坩埚将从氧气氛炉的炉膛中，瞬间坠落到二次去离子水的冷水中，以实现高温下样品直接淬火获得成分均匀的顽火辉石玻璃，快速淬火目的在于很好保存了高温下玻璃态的顽火辉石样品。
[0059]
步骤16、将二次去离子水的冷水淬火后的顽火辉石玻璃，从白金坩埚中取出，在玛瑙研钵中充分研磨，使其成均匀的样品粉末。
[0060]
步骤17、将其放在压片机上，将粉末样品压成φ3.8mm(直径)
×
3.4mm(高度)的圆柱体，为得到高水含量的顽火辉石，我们采用重量比4:3:1的天然蛇纹石(分子式：mg6si4o
10
(oh)8)、片水锰矿(分子式：mn(oh)2，又称为羟锰矿)和熟石灰(分子式：ca(oh)2)作为水源。天然蛇纹石、片水锰矿和熟石灰是典型的含水矿物，因设定的压力7.0gpa条件下，在温度高于802℃即会发生脱水反应，因此广泛应用于高温高压实验模拟中常见的提供水源的矿物组合。选择天然蛇纹石，是因为含水矿物在高温高压下的脱水产物中，除了释放出足够多的水，以用于合成高水含量的顽火辉石提供水源，同时还产生大量的镁橄榄石、顽火辉石和石英，可以很好地控制高温高压条件下样品腔体内高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶制备过程中的硅活度。除此之外，选择的重量比4:3:1的天然蛇纹石、片水锰矿和熟石灰作为水源，脱水反应产物均是含镁的硅酸盐矿物(镁橄榄石和顽火辉石)和氧化物(石英、软锰矿、三氧化二锰和生石灰)，均不与顽火辉石样品发生反应，有效避免了样品制备过程中污染问题。
[0061]
步骤18、将提供水源的重量比4:3:1的天然蛇纹石、片水锰矿和熟石灰，放在压片机上，将其压成φ3.8mm(直径)
×
0.2mm(厚度)的两圆片，依次安放在样品的两端，将样品和两水源片(提供水源的重量比4:3:1的天然蛇纹石、片水锰矿和熟石灰)密封在φ3.8mm(内径)
×
4.0mm(高度)和壁厚为0.1mm的金钯合金样品管内，金钯合金管是一种可有效避免高温高压条件下样品制备过程水从样品管中逃逸的最佳密封材料。
[0062]
顽火辉石是地球与其它类地行星地幔区域中重要的含镁的硅酸盐矿物之一，为真实模拟地球及其它类地行星地幔深度顽火辉石的生长环境，以及反演顽火辉石矿物相的稳定存在的温度和压力条件，将装有样品和两水源片(提供水源的重量比4:3:1的天然蛇纹石、片水锰矿和熟石灰)的金钯合金管，放在kawai-1000t多面顶大腔体压机上，设定升压速率和升温速率分别为2.0gpa/小时和50℃/分钟，将压力和温度分别升至7.0gpa和1100℃条
件下，进行热压烧结，反应时间为恒温恒压18小时。
[0063]
本发明，高压样品腔体内的温度采用b型高温铂铑贵金属热电偶来进行精确标定，因其具有准确度高、稳定性强、测量温度区间宽、使用寿命时间长、测温上限高等优点，广泛应用于玻璃及陶瓷及工业盐浴炉等测温。该高温铂铑热电偶是国内外众多高温高压矿物物理学研究实验室比较常见的贵金属热电偶，可实现最高温度为2315℃，每一组高温铂铑贵金属热电偶是由两种材质不同的铂铑合金丝组成的；热电偶的正极(bp)化学成分：pt
70％
rh
30％
；热电偶的负极(bn)化学成分：pt
94％
rh
6％
；对应的每根正负极铂铑合金丝(bp和bn)的直径：0.2mm)，将每一组高温铂铑贵金属热电偶对称安放在金钯合金管样品腔的外壁的上下两侧，即可实现样品腔体内的温度精确标定。
[0064]
步骤19、在压力7.0gpa条件下，当温度升高至802℃，密封在金钯合金样品管两端的提供水源的重量比4:3:1的天然蛇纹石、片水锰矿和熟石灰，会发生脱水反应，释放出足够多的水，提供很好的水源。同时，高温高压条件下蛇纹石和熟石灰发生脱水反应，会产生大量的镁橄榄石、顽火辉石、生石灰和石英矿物组合，它可以很好地控制高温高压条件下样品腔体内的高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶制备过程中的硅活度。
[0065]
步骤20、恒温恒压18小时后，以5℃/分钟的降温速率，将样品腔体内的温度从1100℃降低至室温，相对于样品制备的升温速率(50℃/分钟)，以较为缓慢的恒压降温速率，将更有利于大颗粒的顽火辉石单晶的晶体生长。
[0066]
待样品腔体内的温度降低至室温后，以0.7gpa/小时降压速率，将样品腔体内的压力从7.0gpa降低至常压。
[0067]
高温高压制备反应完成后，将得到的实验样品从样品腔中取出，采用金刚石切切片机，打开金钯合金样品管，在高倍奥林巴斯显微镜下挑选出顽火辉石单晶。
[0068]
所获得的顽火辉石单晶是单一物相，无任何其他杂质相；电子探针(epma)检测结果，获得的顽火辉石单晶分子式为mg2[si2o6]；多功能离子质谱仪(icp-ms)检测结果，获得的顽火辉石单晶中钙含量和锰含量分别为5427ppm wt％和4085ppm wt％；真空傅里叶变换红外光谱(ft-ir)检测结果，获得的顽火辉石具有较高的水含量为3819ppm wt％。
[0069]
所获得的高含钙的、高含锰的和高含水的顽火辉石单晶为斜方晶系，空间群为pbcn(no.60)，晶格参数为pbcn(no.60)，晶格参数为晶胞体积为平均粒径尺寸为201微米，最大粒径尺寸为472微米。
[0070]
该发明得到的高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶纯度高、尺寸大、化学性能稳定等优越性能，尤为重要的是，钙含量、锰含量和水含量高且可控。通过改变加入的初始物质固态四水合硝酸钙粉末的化学试剂量从46.0691毫克到55.2829毫克，最终实现对应得到的高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶样品中的钙含量从5000ppm wt％到6000ppm wt％；通过改变加入的初始物质固态四水合硝酸锰(ii)粉末的化学试剂量从39.1742毫克到48.9678毫克，最终实现对应得到的高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶样品中的锰含量从4000ppm wt％到5000ppm wt％；通过改变提供水源的含水矿物天然蛇纹石粉末、天然片水锰矿粉末和天然熟石灰粉末的重量比以及对应的两水源片的不同高度，进而达到控制封闭在金钯合金样品管内含水矿物脱水反应产生的总水量，最终实现调节高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石单晶样品中的水含量。得到的高钙的、高锰的和高含水的顽火辉石
单晶完全可以满足地球与其它类地行星地幔区域矿物在高温高压条件下物理学实验模拟的需求，突破了现有的顽火辉石单晶合成的技术瓶颈，为探究高温高压条件下地球与其它类地行星地幔区域的单晶矿物晶格优选方位和晶轴各向异性研究提供了重要的实验样品支撑。