（无机化学专业论文）磁性矿物的模拟合成与交叉科学问题研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 含铁矿物在地球、火星上分布十分广泛，因此含铁矿物的实验室模拟合成以 及稳定性等问题的研究对于阐明地球、火星早期的气候特征和演化过程有着重要 的意义。在本论文中，我们选取了具有重要地质学意义的铁一硫体系矿物，研究 了外加磁场对胶黄铁矿向热力学稳定相矿物转化的影响特征，发现磁场能加速亚 稳相胶黄铁矿向热力学稳定相的转化，表明磁场对磁性矿物的生长有显著的影 响。在此基础上，研究了外加磁场对磁铁矿和磁赤铁矿纳米粒子的成核、生长以 及组装行为的影响。探索发现，火星表面存在大量的灰色赤铁矿，它被认为是火 星曾经存在液态水的证据。合成化学的知识告诉我们，很多物质的形成条件并不 是唯一的，人们已经发现火星大气和地球大气组成有很大区别，9 5 以上是c 0 2 ， 我们认为这可能是有机物彻底氧化的产物，那么可以进一步推测早期的火星曾经 存在有机物的海洋。因地球曾经大量喷发过甲烷，这一过程在火星上也可能发生 过，甲烷氧化可以生成甲醇、甲醛、甲酸，最后彻底氧化变成c 0 2 。在此分析基 础上，我们在甲醇热液体系中开展了合成赤铁矿的研究，根据实验结果首次提出 了“火星可能曾经存在有机物的海洋”的新观点。富含橄榄石的玄武岩的实验室 模拟风化研究进一步验证了我们的观点。详细内容归纳如下： 1 在f e c l 3 - - c h 4 n 2 s 和f e c l 2 - - c h 4 n 2 s 两种反应体系中研究了磁场对亚稳相胶 黄铁矿向热力学稳定相矿物的转化过程的影响。实验结果表明0 2 一o 4t 的 外加磁场提高了转化速率，转化速率提高的程度依赖于所加磁场的磁场强度， 随磁场强度的增加而增加。例如在f e c l 3 - - c i - h n 2 s 体系中反应进行1 2 小时后， 无磁、0 2t 、0 4t 外加磁场的反应速率分别为3 6 9x1 0 4 ，4 2 2 1 0 4 ，4 9 9 1 0 4 ，s 。n d f e b 永磁铁产生的不均匀磁场能诱导溶液产生对流，从而 促进了胶黄铁矿的溶解以及稳定相的结晶成核和生长的质量传输过程。基于 实验的结果，我们推测地磁场可能对地球上原生磁性矿物的形成和演化产生 过重要影响。 2 以摩尔盐，柠檬酸三钠，p v p 为原料，在温度为1 8 0o c 时通过一个简单的低 温水热方法制备出高产量的单晶磁铁矿纳米线。室温下测得样品的饱和磁化 强度( m s ) 和矫顽力( h c ) 分别为6 9 6e m u g 和9 7o e ，低于通常报道的块 a 中固科学技术大学博士学位论文 状样品的相应值，这可能与磁铁矿纳米线的形状各向异性和纳米尺寸有关。 在单晶磁铁矿纳米线的形成过程中，柠檬酸盐起着非常重要的作用。一方面， 柠檬酸盐和金属离子之间强的配位作用降低了溶液中自由f c 2 + 离子的浓度， 使得反应能够更加缓慢的进行，晶粒得以取向生长。另一方面，柠檬酸盐吸 附在晶体的表面，使得晶粒沿一个方向择优生长。这种方法不需要j h j n 模板、 前驱物、外加磁场的诱导，从而为大规模制备磁铁矿纳米线提供了一个简单、 经济的方法。 3 研究了0 2 0 4t 外磁场诱导下新颖的多磁畴的磁赤铁矿核桃球超结构( 由 米粒形基本粒子构成) 的成核、生长及自组装行为。o 2 一o 3t 的外磁场能诱 导多磁畴的核桃球超结构在三维空间的组装，形成圆筒状或者长方体三维有 序结构。实验结果表明米粒形基本粒子之间强的表面相互作用力促使粒子首 先聚集成类似核桃一样的球，随后在磁场的诱导下组装成三维有序纳米结构。 当磁场强度增加到0 4t 时，核桃球超结构在没有完全形成之前就被磁场诱导 沿磁力线方向排列，形成高度有序的一维链状结构。表明磁场强度达0 4t 时，磁场与米粒形基本粒子之间的相互作用力要大子粒子之间的表面相互作 用，阻止了核桃球形超结构的形成。磁场下磁性纳米粒子的组装有希望成为 制备高度有序的纳米结构的新方法，具体的组装结构类型取决于参与组装粒 子的磁畴结构和外磁场的大小。同时该实验结果也给我们提供了一个直观的 途径来认识磁场与磁性纳米粒子相互作用的特征。 4 现在的火星大气中含有9 5 的c 0 2 ，我们猜想可能是有机物彻底氧化后形成 的。研究报道甲烷有可能是地球早期的温室气体。在火星的早期，它与地球 十分相似，那么早期的火星大气中也可能存在大量的甲烷。甲烷的氧化和光 化学反应得到不同程度氧化的有机物，如甲醇、甲醛等，在特定的温度和压 力条件下火星上可能存在有机物( 如甲醇) 的海洋。事实上，在火星的大气 中已经检测到甲烷和甲醛的存在。基于上述分析，我们开展了在甲酵的热液 体系中合成赤铁矿的研究。以无水f e 0 3 为原料在甲醇环境中模拟合成了灰 色的赤铁矿，反射谱也与所报道的灰色赤铁矿类似，通过深入分析有关结果 和火星大气的演化历史，我们提出了“火星曾经存在有机物的海洋”的观点。 为了进一步验证我们的观点，也为了探究火星表面探测到的大面积檄榄石的 b 中国科学技术大学博士学位论文 风化规律，在8 0 1 6 0 。c 温度条件下，我们继续在甲醇热液体系中开展了富 含橄榄石的玄武岩的实验室模拟风化研究。研究结果表明在甲醇热液体系中 橄榄石以物理风化作用为主，没有化学风化发生，而橄榄石在有水的环境中 会被彻底的风化。该实验结果进一步验证了我们曾经提出的“火星表面曾经 存在有机物的海洋”这个观点。预示着至少在橄榄石形成之后，火星的表面 不再有过大量的液态水。 c 中国科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t i t o n - b e a r i n gm i n e r a l s a r ea b u n d a n to i lt h es u r f a c eo fe a r t ha n dm a r s 1 1 壕 f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n de v o l u t i o np r o c e s s e so fl a b o r a t o r y - s i m u l a t e di r o n - b e a r i n g m i n e r a l sm a yh o l ds i g n i f i c a n tc h e m i c a lc l u e st ot h ee a r l ye n v i r o n m e n t so fe a r t ha n d m a r sa n ds u b s e q u e n te v o l u t i o n ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w ei n v e s t i g a t et h ei n f l u e n o f a n e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l do nt h ec o n v e r s i o no fg r e i g i t ep h a s et os t a b l ei r o nd i s u l f i d e s d u et ot h eg e o l o g i c a lh n p o r t a n c eo ft h e s em i n e r a l s n ec o n v e r s i o np r o c e e d sa ta f a s t e rr a t ei nt h ep r e s e n c eo fa ne x t e m a im a g n e t i cf i e l dt h a nt h a tw i t h o u ta ne x t e r n a l m a g n e t i cf i e l d , c l e a r l yi n d i c a t i n gt h a tt h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l dh a sas i g n i f i c a n t e f f e c to i lt h eg r o w t ho fm a g n e t i cm i n e r a l s b a s e do i lt h er e s u l t ，w eh a v ei n v e s t i g a t e d t h en u c l e a t i o n ，g r o w t ha n dd i r e c t i o n a la g g r e g a t i o no fm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e si nt h e p r e s e n c eo fa ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d 弛ed e t e c t i o no fl a r g eq u a n t i f i e s o f c o a r s e - g r a i n e d g r a yc r y s t a l l i n eh e m a t i t ed e p o s i t so i lm a r sh a sb e e nu s e dt 0a r g u ef o r t h ep f 髓锄c co f l i q u i dw a t e ro nm a t si nt h ed i s t a n tp a s t i ti sw e l lk n o w nt h a tt h es a n l e m a t e r i a l sc a nb ef o r m e du n d e rd i f f e r e n te o n d i t i o n s t h e r ei sd i f f e r e n e ei nm o l e c u l a r c o m p o s i t i o nb e t w e e ne a r t ha n dm a r s t h ep r e s e n c eo f9 5 c a r b o nd i o x i d ei nt h e m a r t i a na t m o s p h e r em a yb et h ef i n a lo x i d a t i o np r o d u c to fo r g a n i cc o m p o u n d s i ti s ， t h e r e f o r e ，r e a s o n a b l et os u g g e s tt h a te a r l ym a r sm a yh a v eh a dam e t h a n o lo c e a n i t h a sb e e np r o p o s e dt h a tm e t h a n ei st h eg r e e n h o u s eg a si ne a r l ye a r t h , m e t h a n ec o u l d b ea b u n d a n ti nt h ea t m o s p h e r eo fe a r l ym a r sd u et ot h es i m i l a r i t i e sb e t w e e ne a r l y m a r sa n de a r t h m e t h a n ew a so x i d i z e dt oo x y g e n a t e do r g a n i cs p e c i e ss u c ha s m e t h a n o la n df o r m a l d e h y d ed u r i n gs o l i l ep e r i o do f t i m ei nm a r t i a nh i s t o r y , a n df i n a l l y t oc 0 2 b a s e do rt h ea b o v ea n a l y s i s s y n t h e s i so fc r y s t a l l i n e g r a yh e m a t i t e i n m e t h a n o b t h e r m a ls y s t e mh a sb e e nc a r r i e do u t b a s e do rt t t er c s u rw eh a v ep r o p o s e a t h eh y p o t h e s i st h a te a r l ym a r sm a yh a v eh a dam e t h a n o lo e 君a i lf o rt h ef i r s tt i m e l a b o r a t o r y - s i m u l a t e dw e a t h e r i n go fo l i v i n e - r i c hb a s a l ti nm e t h a n o l - t h e r m a ls y s t e m h a sb e e np e r f o r m e dt of i i i t h c rv e r i f yt h ev a l i d i t yo fh y p o t h e s i s 1 1 嵋d e t a i l sa r c s u m l n 捌a sf o l l o w s ： d 中国科学技术大学博士学位论文 1 b o t hf e c l 3 - c h 4 n 2 se x p e r i m e n t sa n df e c l “h a n 2 se x p e r i m e n t sh a v eb e e n c a r r i e do u tt o s t u d y t h ei n f l u e n c eo fa l le x t e r n a l m a g n e t i cf i e l d o nt h e t r a n s f o r m a t i o no fm e t a s t a b l eg r e i g i t ep h a s et os t a b l ei r o nd i s u l f i d e sd u et ot h e g e o l o g i c a li m p o r t a n c eo ft h e s em i n e r a l s t h ec o n v e r s i o np r o c e e d sa taf a s t e rr a t e i nt h ep r e s e n c eo fa ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dt h a nt h a tw i t h o u ta ne x t e r n a l m a g n e t i cf i e l d t h er a t eo f c o n v e r s i o nd e p e n d so nt h ei n t e n s i t yo f am a g n e d cf i e l d a p p l i e d ，w h i c hi n c r e a s e sw i t hi n c r e a s eo f t h ei n t e n s i t yo f a na p p l i e dm a g n e t i cf i e l d f o re x a m p l e ，f o rf e c l 心h 4 n 2 se x p e r i m e n t si nt h ep r e s e n c eo faz e r o ，0 2ta n d 0 4te x t e m a lm a g n e t i cf i e l da f t e r1 2 h ，t h er e a c t i o nr a t ei s3 6 9x 1 0 。，4 2 2 1 0 4 ， 4 9 9x 1 0 - 4 s ，r e s p e c t i v e l y i ti ss u g g e s t e dt h a ta ni n h o m o g e n e e u sm a g n e t i cf i e l d c o u l dm a g n e t i c a l l yi n d u c ec o n v e c t i o ns ot h a tt h em a s st r a n s p o r tp r o c e s sd u r i n g d i s s o l u t i o no f p r e c u r s o ra n d p r e c i p i t a t i o no f f i n a lp r o d u c tw a sp r o m o t e d b a s e do n o u re x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ec o u l ds p e c u l a t et h a t g e o m a g n e t i cf i e l dc o u l d i n f l u e n c et h ea l t e r a t i o na n de v o l u t i o no f t h ep r i m a r ym a g n e t i cm i n e r a l so ne a r t h 2 h i g l iy i e l do fs i n g l ec r y s t a l l i n em a g n e t i t en a n o w i r e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e db ya s i m p l el o w - t e m p e r a t u r eh y d r o t h e r m a lm e t h o du s i n gf e r r o u sa m m o n i u ms u l f a t e h e x a h y d r a t e ，t r i s o d i u mc i t r a t ea n dp v pa ss t a r t i n gm a t e r i a l sa t1 8 0o c t h e m a g n e t i cm e a s u r e m e n t ss h o wt h a ts a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o na n dc o e r c i v i t yo f n a n o w i r e sa r el o w e rt h a nt h a to ft h ec o r r e s p o n d i n gb u l k ，w h i c ha r ee x p l a i n e d f r o mt h ev i e w p o i n to ft h eh i 曲s h a p ea u l s o t r o p ya n ds m a l lp a r t i c l es i z eo ft h e m a g n e t i t en a n o w i r e s c i t r a t ea n i o ni sp r o p o s e dt ob er e s p o n s i b l ef o rt h ef o r m a t i o n o fs i n g l ec r y s t a l l i n em a g n e t i t en a n o w i r e s f i r s t ，t h ef o r m a t i o no ft h ec o m p l e x 【f e ( c 6 h s o t ) 一c o u l ds h a r p l yr e d u c et h ef r e ef e 2 + c o n c e n t r a t i o ni ns o l u t i o na n d t h u sr e s u l ti nar e l a t i v e l ys l o wr e a c t i o nr a t e ，w h i c hi sf a v o r a b l ef o rt h eo r i e n t e d g r o w t ho fm a g n e t i t en a n o s t r u e t u r e sa l o n gt h ee a s ym a g n e t i ca x i s s e c o n d , c i t r a t e m a yp r e f e r e n t i a l l yb i n dt oc e r t a i nc r y s t a lf a c e so ft h em a g n e t i t ec r y s t a l sw i t ht h e c o n s e q u e n c et h a tt h ec r y s t a lo r i e n t e dg r o w t ha l o n go n l yo n ea x i s s u c ha n a p p r o a c hp r o v i d e sad i r e c ta n dc o s t - e f f e c t i v em e t h o df o rl a r g e - s c a l ep r o d u c t i o no f m a g n e t i t en a n o w i r e sw i t h o u tt h en e e do fa d d i t i o n a lt e m p l a t e , p r e c u r s o ro re x t e r i o r m a g n e t i cf i e l di n d u c t i o n e 中图科学技术大学博士学位论文 3 t h en u c l e a t i o n , g r o w t ha n ds e l f - a s s e m b l yo fr i c e l i k em a g h e m i t en a n o c r y s t a l s h a v eb e e ni n v e s t i g a t e du n d e rt h ei n d u c t i o no fa p p l i e dm a g n e t i cf i e l d s i ti s o b s e r v e dt h a tn e wt h r e e - d i m e n s i o n a la r c h i t e c t u r e sc o n t a i n i n gc y l i n d e ra n dc u b o i d i sf o r m e db yt h es e l f - a s s e m b l yo fm u l t i d o m a i nw a l n u ts u p e r s t r u c t u r ec o m p o s e do f r i c e - l i k em a g h e m i t en a n o c r y s t a l si nt h ep r e s e n c eo fao 2 - 旬3te x t e r n a lm a g n e t i c 矗e l d i nt h i sc a s et h es u r f a c ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h er i c e - l i k em a g h e m i t e n a n o c r y s t a l s i s s t r o n g e r t h a nb o t hd i p o l a r - d i p o l a ri n t e r a c t i o na n dm a g n e t i c i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h em a g n e t i cd i p o l a ra n dt h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l d a sa r e s u l t ，t h ew a l n u ts u p e r s t r u c t u r e sw a sf o r m e df i r s t l y , a n dt h e na s s e m b l e dt o3 d a r r a y so fs u p e r s t r u c t u r e su n d e rt h em a g n e t i cf i e l di n d u c t i o n i ft h es t r e n g t ho f a l l a p p l i e dm a g n e t i cf i e l di n c r e a s e df r o m0 3tu pt o0 4t h i g h l ya l i g n e d o u e - d i m e n s i o n a ln a n o e h a i n sc o m p o s e do fm a g h e m i t en a n o c r y s t a l si n s t e a do f w a l n u ts u p e r s t r u c t u r eo c c u r r e d t h er e s u l ts h o w st h a ti nt h ep r e s e n c eo fa0 4t m a g n c t i cf i e l d ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nm a g n e t i cd i p o l ea n dt h em a g n e t i cf i e l di s n o ws t r o n g e rt h a nt h es u r f a c ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h er i c e - l i k em a g h e m i t e n a n o c r y s t a i s ，p r e v e n t i n gt h ef o r m a t i o no f w a l n u ts u p e r s t r u c t u r e s t h ei n d u c t i o no f a ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l do nm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e si ss u g g e s t e dt ob ea p r o m i s i n gm e t h o df o rt h ep r e p a r a t i o no fh i g h l ya l i g n e dn a n o s t r u c t u r e s t h e f o r m a t i o no f 3 do ri da r c h i t e c t i l r em a yd e p e n do nt h em a g n e t i cd o m a i ns t r u c t u r e o fm a g n e t i cp a r t i c l e sa n dt h em a g n i t u d eo fa ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d o nt h e o t h e rh a n d , t h er e s u l t s p r o v i d e d i r e c tv i s u a li n s i g h ti n t o u n d e r s t a n d i n g t h e i n t e r a c t i o nb e 钾旧e nt h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l da n dm a g n e t i cp a r t i c l e s 4 t h ea t m o s p h e r eo nm a r sc o n s i s t so f 9 5 c a r b o nd i o x i d e ，w h i c hm a yb et h ef m a l o x i d a t i o np r o d u c to f o r g a n i cc o m p o u n d s i th a sb e e np r o p o s e dt h a tm e t h a n ei st h e g r e e n h o u s eg a si ne a r l ye a r t h , m e t h a n ec o u l db ea b u n d a n ti nt h ea t m o s p h e r eo f e a r l ym a r sd u et ot h es i m i l a r i t i e sb c 帆v e e ne a r l ym a r sa n de a r t h p r o c e s ss u c ha s p h o t o c h e m i c a lo x i d a t i o no f m e t h a n ec o u l dr e s u l ti nt h ef o r m a t i o no f o c e a no rp o o l o fo r g a n i cc o m p o u n d ss u c ha sm e t h a n 0 1 i ne f f e c t ，m e t h a n ea n df o r m a l d e h y d e h a v eb e e nd e t e c t e di nt h em a r t i a na t m o s p h e r e b a s e du p o nt h ea b o v ea n a l y s i s , s y n t h e s i so fc r y s t a l l i n eg r a yh e m a t i t eh a sb e e nc a r r i e do u tb ym e t h a n o l - t h e r m a l f t r e a t m e n to fa n h y d r o u sf e c l 3a tl o wt e m p e r a t u r e so f7 0 - 1 6 0o c o nt h eb a s i so f r e s u l t sw eh a v ep r o p o s e dt h eh y p o t h e s i st h a te a r l ym a r sm a yh a v eh a dam e t h a n o l o c e a n , w h i c hp r o v i d e s8 1e n v i r o n m e n tf o rt h ef o r m a t i o no fl a r g e s c a l eh e m a t i t e d e p o s i t s o nm a r s l a b o r a t o r y - s i m u l a t e dw e a t h e r i n go fo l i v i n e - r i c hb a s a l ti n m e t h a n o l t h e r m a ls y s t e ma tt e m p e r a t u r e so f8 0 - 1 6 0o ch a sb e e np e r f o r m e dt o f u r t h e rv e i l f yt h ev a l i d i t yo f h y p o t h e s i s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t p h y s i c a lw e a t h e r i n gp l a y st h ed o m i n a n tr o l e ，c h e m i c a lw e a t h e r i n gh a s n o t o c c u r r e d i nt h ep r e s e n c eo fw a t e ro l i v i n ei ss u s c e p t i b l et oc h e m i c a lw e a t h e r i n g t h er e s u l t ss u p p o r to u rh y p o t h e s i st h a te a r l ym a r sm a yh a v eam e t h a n o lo c e a n i n a d d i t i o n ，t h eo b s e r v a t i o n sh a v es u g g e s t e dt h a tt h e r ei sn os u b s t a n t i a la m o u n to f l i q u i dw a t e r o i lm a r sa 盎e rt i l ef o r m a t i o n o f l a r g ed e p o s i t so f o l i v i n e o 中国科学技术大学学位学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 座i 塾 即7 年厂月i o 日 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 矿物在地球上分布十分广泛，严格地讲，这些矿物都不是来自地球内部深层 的东西，而是源于地球形成过程中先冷却于轨道附近的小型散体。在地球演化早 期冷却到一定阶段，这些轨道附近的散体会在一定时期内集中被地球收集。所以， 矿物的形成与地球的起源和演化密切相关。 地球的形成大约在4 7 亿年前，宇宙中尘埃聚集，形成了地球及其所在的太 阳系的其他星球。最初的地球很小，但不断有宇宙中的尘埃及小的星体撞击，体 积不断增大，而且撞击时能量聚集，温度不断上升。地球历史的最初1 0 亿年是 翻腾滚荡，激烈喷发。不断碰撞、硅酸盐地幔中的高浓度的发射性元素以及来自 地球增积和金属核心形成的潜热使当时的地球比今天要热得多。起源于( 部分地) 熔化的硅酸盐地幔或岩浆海洋的猛烈的全球岩浆喷发，不但释放出热量，同时也 消耗了那些难以被硅酸盐地幔矿物所结合的元素的来源。随着时阃的推移，碰撞 的力度越来越小，剧烈的全球岩浆活动逐渐开始冷却，各种岩浆流体间的相互撞 击将会加快岩浆流体的冷凝速度。岩浆流体冷凝后即形成了包含一种或者多种矿 物成分的岩石【l 捌。不同成分的矿石显示不同的地质过程。例如，地幔在火山 活动中熔解一次后冷却形成橄榄玄武岩，再次熔化冷却会形成玄武岩，这一过程 反复进行，可分别得到安山岩、英安岩和花岗岩。在地球上，旧的岩石会随地质 板块运动沉降至地壳下，再经历一次火山成岩，就形成新的岩石类型，这被称为 矿物分离。 太阳系的4 个类地行星一水星、金星、地球和火星中，与地球类似之处最多 的是火星，火星的物质成分与地球非常近似，它的轨道也与地球非常近似。经过 4 0 多年的火星探测和研究的积累，大大丰富了人类对火星的认识。美国亚利桑 那州立大学教授菲利普克里斯蒂安森等人，综合分析了“火星环球勘探者”搭 载的热辐射光谱仪和“火星奥德赛”搭载的热辐射成像系统所得信息，发现火星 “大席尔蒂斯”火山附近的地表矿物，包括玄武岩、英安岩、花岗岩等与地球非 常类似【3 - 5 】。这表明，火星也许在4 0 亿年以前，有着与地球类似的起源，火星 表面的矿物也是在火星起源初期高温高压这个天然的反应器中形成的。 中国科学技术大学博士学位论文 本论文拟通过在低温水热或溶剂热体系中实验室模拟矿物的合成和演化，揭 示其形成环境和机理，为有关交叉学科热点问题的研究提供信息。在实验室条件 下模拟行星体中矿物的合成与演化不但能完善，补充现有的观测数据，阐明地球 和火星矿物形成、变化过程的自然规律，而且能帮助我们了解过去的火星和地球 的环境以及两大行星可能的演化过程，因此矿物的实验室模拟合成和演化研究具 有十分重要的意义，对火星而言更是如此，因人类对火星矿物学知之甚少。 人们通过火星卫星和探测车获得了一些火星地貌和矿物信息，本文在此基础 上开展了赤铁矿，橄榄石的模拟合成和风化研究，以探讨火星表面是否曾经存在 液态水为目标，根据模拟实验结果对火星表面环境问题进行了探讨。另外，对磁 场对磁性矿物的形成及演化的影响问题进行了初步的研究。 参考文献： 【1 】t a y l o r , s r ，s o l a rs y s t e me v o l u 距o n ：an e wp e r s p e c t i v e , 2 0 0 1 ，p p ，4 6 0 c a m b r i d g eu n i v e r s i t yp r e s s ，c a m b r i d g e 【2 】s e h o o n e n ，m ，s m i m o v , a ，c o h n , c ，a m b i o2 0 4 ，3 3 ，5 3 9 f 3 】c h r i s t e n s e n ，p r ，b a n d f i e l d ，j l s m i t h , m d ，h a m i l t o n , ve ，c l a r k ，r n ， j g e o p h y s r e s 2 0 0 0 ，t 0 5 ，9 6 0 9 4 】c h r i s t e n s e n ，p i l ，b a n d f i e l d ，j l ，b e l l ，j e ，e ta 1 ，s c i e n c e2 0 0 3 ，3 0 0 ，2 0 5 6 5 1c h r i s t e n s e n ，p ，m c s w e e n , h y ，b a n d k i e l d ，j l _ ，e ta 1 ，n a t u r e2 0 5 ，4 3 6 ，5 0 4 2 中国科学技术大学博士学位论文 第二章含铁矿物概述及火星探索之路 2 1 矿物的概念 当人类思考其居住的捆蛰球时，不可避免地要联系到组成地球的物质一矿物。 其实每个人对矿物都或多或少有一定了解。它和我们的日常生活密切相关，如我 们脚下的土壤、饭桌上的食盐、沙滩上的石英砂粒和光彩夺目的钻石等，这些都 是由矿物组成的。此外，月球和其他行星，比如火星和土星也是由与地球上矿物 大致相同的物质组成。因此，对矿物方面知识的掌握有助于我们了解生活的环境 和现代科学技术的发展。具体研究矿物的化学组成、内部结构、外表形态、物理 性质和化学性质、在鲍质作用过程中形成和变化的条件等诸方面的现象和规律， 以及它们相互的内在联系；在此基础上，为开发工农业生产和国防建设所需的矿 物原料及其合理综合利用，以及寻找应用于尖端技术的矿物材料，提供必要和充 分的依据。同时，也为探索并阐明地壳及壳下层以至其他天体的物质组成及演化 规律，提供必要的信息。 矿物是自然界中的化学元素，在一定的物理、化学条件下形成的天然物体。 这种天然物体大多是结晶的单质和化合物。人们通常所说的矿物主要指的是地壳 中作为构成岩石、矿石和粘土组成单位的那些天然物体。地壳中的矿物是通过各 种地质作用形成的。它们除少数呈液态( 如水银、水) 和气态( 如c o z 和h z s 等) 外，绝大多数都呈固态。固态矿物大多数都具有比较固定的化学成分和内部 结构。在适宜的条件下生长时，均能自发地形成规则几何多面体的外形。而在常 温常压条件下的液态和气态矿物，因不具有晶体结构，故没有一定的外形。任何 一种矿物都不是一成不变的。当其所处的地质条件改变到一定程度时，原有矿物 就要发生变化，并且改组成为在新条件下稳定的另一种矿物。因此，从这个意义 上来说；矿物又可被看作是地壳在演化过程中元素运动和存在的一种形式。 矿物的化学成分是组成矿物的物质基础，是决定矿物各项性质的最基本因素 之一。任何矿物均具有一定的化学组成。因此，它不但是区别不同矿物的重要标 志，而且也是人们利用矿物作为工业原料的一个重要方面。自然界的矿物，就其 化学组成来说，大体可分为两类；一类是单质，即由同一种元素构成的矿物，如 中国科学技术大学博士学位论文 自然金a u 、金刚石c 等；另一类是化合物，即由多种离子或离子团构成的矿物。 在此类化合物中有：由一种用离子和一种阴离子组成的简单化合物，如石盐 n a c i 、方铅矿p b s 和赤铁矿f e z 0 3 等；由一种阳离子同一种络阴离子( 酸根) 组 成的称为单盐的化合物，如方解石c a c 0 3 、镁橄榄石m g s i 0 4 、重晶石b a s 0 4 等； 由两种以上的阳离子与同种阴离子或络阴离子组成的复化合物，如黄铜矿 c u f e s 2 、白云石c a m g c 0 3 2 及大部分硅酸盐类矿物等。其中含络阴离子的复化 合物称为复盐。复化合物的组成可以看成是由两种或