一种高温高压成岩成矿在线进样取样全混流模拟实验装置的制作方法

本实用新型属于实验设备技术领域，具体涉及一种安全可靠、耐高温高压、能够间歇或连续加料、自动化程度高的高温高压成岩成矿在线进样取样全混流模拟实验装置。

背景技术：

物质在热液内的活化、迁移、沉淀是自然界中很重要的成矿地质作用。长期以来人们多从热力学方面进行物相平衡关系的理论和实验研究，完备了许多传统地学中的理论，这些成果虽有助于了解和深化成矿作用，但仍有很大的局限性，且封闭体系内达到平衡的稳态模型与自然界的实际情况间仍差距甚远。实际上，很多地球化学过程都属于不可逆的热力学过程，地壳内热液在其运动过程中与围岩发生广泛的能量与物质交换活动，这些地质作用都处于开放、流动、非平衡的条件下。因此，模拟一定压力、温度、pH、介质浓度、逸度等条件下流动体系溶解和沉淀作用的化学反应动力学实验研究与流动体系模型研究相结合的研究工作，才能使研究工作由稳定态的封闭体系转向开放的远离平衡状态的体系方面，使其向自然界的实际情况靠拢一大步，为认识矿床成矿机制提供依据，使地质学从僵滞的静止观察走向活的动态的实验研究。

相对而言，实验地球化学是一门很年轻的学科。上世纪以来，不同的研究者对成矿机制从不同角度进行了研究，用平衡热力学方法实验研究岩石、矿石和矿物形成的机理，借助了热力学的工具-平衡、静止、封闭的概念，完备了许多传统地学中的理论。也曾对某些成矿地质作用过程的认识有了深化，但仍有很大的局限性。因为地壳内热液等地质作用是处于一个开放体系、非平衡的条件下。热液在其运动过程中，与周围有着广泛的能力与物质的交换。现在，越来越多的地球化学作用已被证实是化学反应速度控制的过程，于是，非平衡的热力学和化学动力学研究地球化学领域开辟了一个新的研究方向，很多实验证实，非平衡非线性过程对研究矿石、矿物形成有重大意义。

成矿元素在地质过程中以何种形式迁移以及如何迁移，一直以来都是地球化学界最基础的科学问题，也是流体运移机制研究无法回避的问题。通常认为，在流体主导的地质过程中，元素主要以配位型络合物和多酸型络合物存在并进行迁移。中心离子和配位基的性质、活度，配位场稳定能等内在因素及温度、压力、pH、氧逸度、硫逸度等环境因素都影响着络合物的稳定性，并且元素的迁移形式及其稳定性影响和制约着矿物的沉淀机制，再加上络合物是元素在热液中迁移的最主要形式，其研究一直是矿床学家和地球化学家们关注的焦点。

除理论计算和计算机模拟外，国内外学者大多采用矿物溶解度法测定成矿元素在热液中的存在形式。然而，矿物溶解度主要衡量的是源区中元素可以溶出的量，流体中元素的迁移量及迁移尺度需由稳定的迁移形式——络合物的稳定性来决定，而对于诸如Pb、Zn氯络合物在成矿流体中的稳定性仍缺乏相关且可靠的基础实验数据。目前，利用水解法对元素迁移形式的研究主要集中在难返溶或不返溶的高价元素上，如Nb、Ta、Ti、Sn，但对于易返溶的铅锌仅能查到25℃下纯水中铅锌络合物的稳定常数，缺乏碳酸盐岩容矿的非岩浆后生热液型铅锌矿床成矿温压条件下（50～350℃，1～100MPa）NaCl-H2O体系中的相关实验数据。

另外，成矿元素从热液中发生沉淀的主要原因包括：冷却、沸腾、稀释、pH变化、氧化还原Eh变化、流体混合及发生围岩蚀变的水/岩相互作用等。与上述其它因素相比，流体混合在各类热液矿床的形成中都起了重要作用，可能对揭示大型-超大型矿床的形成机理具有重要意义。但目前的各种沉淀机制主要基于矿物学、岩石学、同位素地球化学、微量元素地球化学、流体包裹体地球化学、计算机模拟而提出，尚无成矿实验方面的验证，尤其是对沉淀的动力学过程更是知之甚少，因此沉淀动力学实验的展开可能是深入研究该类矿床成矿机理的另一突破口。

在成矿地质过程中压力常常比较高，尤其在受构造控制为主的矿床中，应力对成矿的作用往往是比较显著的，因而成矿实验中所需的工作压力高达100MPa，而且温度一般高达300℃左右，导致现有的高温高压反应釜大多难以达到高温高压的要求。虽然有部分能够达到上述高温高压要求的反应釜，但由于模拟矿质沉淀过程中，需不同温度、压力、浓度、pH的两种及以上流体的二次、多次或连续在线混合加料；而在模拟元素迁移过程，为防止二价元素的返溶，需在线取样进行分析。但目前能够承受高温高压的反应釜都不具备在线加料和取样的功能，而且也缺乏对整个模拟实验装置的自动统筹控制，严重阻碍了对成矿元素迁移和沉淀机制的研究。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术存在的问题及不足，提供了一种安全可靠、耐高温高压、能够间歇或连续加料、自动化程度高的高温高压成岩成矿在线进样取样全混流模拟实验装置。

本实用新型是这样实现的：包括高温高压反应釜、反应釜加热保温装置、反应釜增压系统、在线自动进料装置、在线取样装置、多参数检测仪、计算机，所述高温高压反应釜的釜体埋设于反应釜加热保温装置，所述反应釜增压系统的增压管与高温高压反应釜连通，所述在线自动进料装置及在线取样装置通过管道与高温高压反应釜连通，所述多参数检测仪的探头伸入在线取样装置的取样瓶中进行在线检测，所述计算机与多参数检测仪信号连接及通过温度控制器分别与高温高压反应釜的热电偶和反应釜加热保温装置连接。

本实用新型解决了现有装置无法完成在高温高压条件下成岩成矿的元素水解和矿物沉淀机制模拟实验，利用在线自动进料装置和在线取样装置结合高温高压反应釜，实现高温高压条件下自动加料和在线出料，通过计算机控制加料量及读取多参数检测仪实时监测取出溶液的pH、温度、电导率、离子浓度等参数，为半开放体系下用水解实验和沉淀实验研究元素的迁移、沉淀动力学机制提供了基础。同时，本装置不仅适用于非岩浆热液型矿床，如构造热液型、变质热液型、复合热液型的铜、铅、锌、钼、金、钨、锡、铁等多金属矿床，而且也适用于岩浆热液型矿床，如斑岩型铜、钼、金矿床和高温岩浆热液型钨、锡、铜矿床的元素迁移和沉淀机制成矿实验研究。特别是在线自动进料装置通过柱塞泵可以向高压釜内打入30MPa以内的流体，利用柱塞泵既能驱使流体流动，而且给予流体足够压强，从而比较真实地模拟成矿过程中一定压力的流体进入成矿空间时发生的减压沸腾、与其它流体混合或围岩发生生反应等过程；通过预加热装置，可实现打入的流体温度在200°C以内，通过两路乃至多路这样的进料装置不仅可以模拟某种一定压力、浓度、温度的流体进入成矿空间时的减压沸腾和水岩反应过程，也可以模拟两种不同压力、温度、浓度的流体混合成矿的过程及其水岩相互作用过程。而在线取样装置通过背压控制器稳定体系压力，以保持包括高压釜和管道内稳定的流体压力，用于调节整个反应体系的压力，使在线取样成为可能，从而能够监测和研究成矿和围岩蚀变的动力学过程。本实用新型与传统的只能研究反应初态和终态的冷封式高压釜和其微缩版的莫雷釜相比，可以模拟与自然界成矿条件相当的动态的成矿过程，如流体混合成矿的过程，越来越多的研究表明，流体混合是大型-超大型热液矿床形成的最有可能的过程，而之前的冷封釜是无论如何也无法模拟该过程的，且冷封釜也无法模拟流体进入成矿空间后减压沸腾的过程。冷封釜虽然可以模拟围岩蚀变，但因为只能研究其初态和终态，所以也无法研究围岩蚀变的动力学过程。所以，本实用新型的在线自动进料装置使得流体混合和减压沸腾的模拟得以实现，而在线取样装置则使成岩成矿实验研究从僵滞的脱离实际的静态研究转向灵活的更加贴近实际的动态研究。本实用新型最高温度和压力达到350℃和100MPa。因此，本实用新型具有安全可靠、耐高温高压、能够间歇或连续加料、自动化程度高。

附图说明

图1为本实用新型结构原理示意图；

图2为本实用新型之反应釜增压系统结构原理示意图；

图3为本实用新型之高温高压反应釜俯视结构示意图；

图4为本实用新型之釜体与釜盖连接局部放大剖视图；

图中：1-高温高压反应釜，11-釜体，12-釜盖，13-夹套，14-安全阀Ⅰ，15-压力表Ⅰ，16-进样管，17-取样管，18-热电偶插孔，19-防爆卡环，1A-高温强磁搅拌子，1B-高压进气管，1C-防爆O形环，2-反应釜加热保温装置，3-反应釜增压系统，31-高压储气瓶，32-液压系统，33-高压增压缸，34-高压泄压阀，35-截止阀Ⅰ，36-高压表，37-液压油管，38-高压气管，4-在线自动进料装置，41-储液器，42-自动进样器，43-柱塞泵，44-预热器，45-单向阀Ⅰ，46-减压阀，47-截止阀Ⅱ，48-气瓶，49-流量控制器，4A-单向阀Ⅱ，4B-安全阀Ⅱ，4C-三通阀，5-在线取样装置，51-取样瓶，52-背压控制器，53-压力表Ⅱ，6-多参数检测仪，7-计算机，8-温度控制器，9-热电偶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但不以任何方式对本实用新型加以限制，基于本实用新型教导所作的任何变更或改进，均属于本实用新型的保护范围。

如图1、2、3和4所示，本实用新型包括高温高压反应釜1、反应釜加热保温装置2、反应釜增压系统3、在线自动进料装置4、在线取样装置5、多参数检测仪6、计算机7，所述高温高压反应釜1的釜体11埋设于反应釜加热保温装置2，所述反应釜增压系统3的增压管与高温高压反应釜1连通，所述在线自动进料装置4及在线取样装置5通过管道与高温高压反应釜1连通，所述多参数检测仪6的探头伸入在线取样装置5的取样瓶51中进行在线检测，所述计算机7与多参数检测仪6信号连接及通过温度控制器8分别与高温高压反应釜1的热电偶9和反应釜加热保温装置2连接。

所述高温高压反应釜1包括釜体11、釜盖12、夹套13、安全阀Ⅰ14、压力表Ⅰ15、进样管16、取样管17、热电偶插孔18，所述釜盖12置于釜体11上端并通过夹套13连接，所述釜盖12依次设置进样管16、取样管17、热电偶插孔18，所述热电偶9自热电偶插孔18伸入釜体11，所述压力表Ⅰ15直接设置于釜盖12并连通釜体11或设置于进样管16的连接管道，所述在线自动进料装置4通过进样管16及在线取样装置5通过取样管17与高温高压反应釜1连通。

所述进样管16延伸至釜体11内的上部，所述取样管17延伸至釜体11内的下部。

所述釜盖12呈草帽结构且釜体11呈带外边沿的“U”型体结构，所述夹套13卡接于釜盖12的草帽边沿与釜体11的外边沿，所述釜盖12的草帽边沿下端设置有环形凹槽Ⅰ且釜体11的外边沿上端设置有与之相对应的环形凸台。

所述夹套13呈“［”形锁扣结构，所述夹套13一端与釜体11的外边沿铰接且另一端设置有螺孔，所述釜盖12的草帽边沿上端设置有与夹套13的螺孔对应的锥孔，所述釜盖12与釜体11经多个卡接于边沿的夹套13通过穿过螺孔定位于锥孔内的螺钉固定连接。

所述釜盖12与釜体11在夹套13之间的边沿间隔卡接有分别与边沿上端及下端贴合的防爆卡环19。

所述釜体11的外边沿上端环形凸台内设置有凹槽Ⅱ，所述凹槽Ⅱ内设置有防爆O形环1C。

所述釜体11底部设置有机械磁力耦合搅拌装置，所述机械磁力耦合搅拌装置的高温强磁搅拌子1A设置于釜体11内的下部。

所述反应釜增压系统3包括高压储气瓶31、液压系统32、高压增压缸33、高压泄压阀34，所述液压系统32的液压油管道与高压增压缸33的驱动端连接，所述高压增压缸33的增压端进口与高压储气瓶31连接且出口通过管道与进样管16或釜盖12上的高压进气管1B连通，所述液压系统32的控制系统与计算机7电连接。

所述多参数检测仪6的探头包括pH复合电极、电导率电极和/或特定离子浓度探头，所述pH复合电极、电导率电极及特定离子浓度探头分别与多参数检测仪6的相应输入口连接，计算机7实时监测反应过程中样品的pH，电导，离子浓度等参数，从而可以深入研究迁移和沉淀的动力学机制。

本实用新型至少独立设置有两套在线自动进料装置4，所述在线自动进料装置4包括通过管道依次连接的储液器41、自动进样器42、柱塞泵43、预热器44、单向阀Ⅰ45、减压阀46和截止阀Ⅱ47，所述截止阀Ⅱ47的出口通过管道与进样管16连通，所述自动进样器42和/或柱塞泵43、预热器44与计算机7电连接。

所述进料装置4还包括通过管道依次连接的气瓶48、截止阀Ⅱ47、流量控制器49及单向阀Ⅱ4A构成的供气系统，所述单向阀Ⅱ4A的出口通过管道与进样管16连通。

所述在线取样装置5包括取样瓶51、纳米级滤片、背压控制器52及压力表Ⅱ53，所述背压控制器52的进口通过管道与取样管17连通且出口通过管道与取样瓶51连通，所述背压控制器52的进口管道与取样管17之间连接有压力表Ⅱ53，所述纳米级滤片固定设置于取样管17的入口或出口。

本实用新型工作原理和工作过程：

本实用新型解决了现有装置无法完成在高温高压条件下成岩成矿的元素水解和矿物沉淀机制模拟实验，利用在线自动进料装置和在线取样装置并结合高温高压反应釜，实现高温高压条件下自动加料和在线出料，通过计算机控制加料量及读取多参数检测仪实时监测取出溶液的pH、温度、电导率、离子浓度等参数，为半开放体系下用水解实验和沉淀实验研究元素的迁移、沉淀动力学机制提供了基础。同时，本装置不仅适用于非岩浆热液型矿床，如构造热液型、变质热液型、复合热液型的铜、铅、锌、钼、金、钨、锡、铁等多金属矿床，而且也适用于岩浆热液型矿床，如斑岩型铜、钼、金矿床和高温岩浆热液型钨、锡、铜矿床的元素迁移和沉淀机制成矿实验研究。本实用新型最高温度和压力达到350℃和100MPa。进一步，高温高压反应釜的釜盖置于釜体上端并通过夹套连接，釜盖依次设置进样管、取样管、热电偶插孔，热电偶自热电偶插孔伸入釜体，压力表Ⅰ直接设置于釜盖并连通釜体或设置于进样管的连接管道，在线自动进料装置通过进样管及在线取样装置通过取样管与高温高压反应釜连通；通过将反应釜设置为上下分体式，既可以简化设计，便于内部设置诸如高温强磁搅拌子等附属装置，也有利于清洗和清除实验后预留的沉淀物，而在釜盖上设置各种对外连接的管和孔，也为实现在线进出料、进出气及必要的监控仪表提供了安装基础，且也能维持高压环境下的必要安全性。再进一步，釜盖呈草帽结构且釜体呈带外边沿的“U”型体结构，夹套卡接于釜盖的草帽边沿与釜体的外边沿，釜盖的草帽边沿下端设置有环形凹槽且釜体的外边沿上端设置有与之相对应的环形凸台；通过将釜体及釜盖分别设置对应的外边沿，从而能使夹套通过卡接于其外边沿使釜体及釜盖形成一体，为釜体及釜盖实现耐高压打下基础，而且在外边沿分别对应设置环形凹槽及环形凸台，既能提高高温高压釜的耐高压性能，提高了高压环境下的安全性，而且也具有一定的密封性能。更进一步，夹套呈“［”形锁扣结构，夹套一端与釜体的外边沿铰接且另一端设置有螺孔，釜盖的草帽边沿上端设置有与夹套的螺孔对应的锥孔，釜盖与釜体经多个卡接于边沿的夹套通过穿过螺孔定位于锥孔内的螺钉固定连接；将夹套设置为与釜体铰接的锁扣结构，既能加快釜盖拆卸时的速度，而且也能防止夹套遗失，另外在釜盖的边沿上端设置与夹套螺孔对应的锥孔，可以通过螺钉将夹套固定于锥孔内，从而提高釜盖与釜体连接的可靠性，进而增加在高压环境下的安全性。更进一步，釜盖与釜体在夹套之间的边沿间隔卡接有分别与边沿上端及下端贴合的防爆卡环，釜体的外边沿上端环形凸台内设置有凹槽Ⅱ，凹槽Ⅱ内设置有防爆O形环；通过防爆卡环可以进一步增加高温高压反应釜的耐高压的可靠性，而通过在环形凸台设置凹槽Ⅱ及防爆O形环，可对釜体与釜盖之间形成安全可靠的密封，防止高压泄漏。进一步，釜体底部设置有机械磁力耦合搅拌装置，机械磁力耦合搅拌装置的高温强磁搅拌子设置于釜体内的下部；釜内的搅拌子能够提高实验时混合液的均匀性，而且釜内搅拌子完全在釜体静密封腔内部旋转，不伸出釜体外部，彻底解决了填料密封无法克服的泄漏问题，使反应介质处于绝对封闭的状态中，无任何泄漏和污染。 更进一步，反应釜增压系统之液压系统的液压油管道与高压增压缸的驱动端连接，高压增压缸的增压端进口与高压储气瓶连接且出口通过管道与进样管或釜盖上的高压进气管连通，液压系统的控制系统与计算机电连接；通过低压液压驱动高压增压缸，使高压储气瓶输出的气体增压至要求的压力输入高温高压反应釜内，从而维持釜内的实验压力，整体结构紧凑、增压效率高、安全可靠。进一步，多参数检测仪的探头包括pH复合电极、电导率电极和/或特定离子浓度探头，pH复合电极、电导率电极及特定离子浓度探头分别与多参数检测仪的相应输入口连接；通过多参数检测仪设置不同的电极和探头，能够根据需要在线实时测量反应液的不同性质参数，为成矿元素迁移和沉淀机制的研究提高了必要的保证。更进一步，至少独立设置有两套在线自动进料装置，在线自动进料装置包括通过管道依次连接的储液器、自动进样器、柱塞泵、预热器、单向阀Ⅰ、减压阀和截止阀Ⅱ，截止阀Ⅱ的出口通过管道与进样管连通，自动进样器与计算机电连接；通过各种阀保证了高压条件下的在线进样，而通过计算机控制自动进样器和/或柱塞泵、预热器，可以通过计算机控制进样的流速、流量，柱塞泵和预热器也可以控制加入样品的压力（0～30MPa）和温度(0～200℃)，从而模拟元素在不同压力、温度、流速的流体中的迁移动力学和进入成矿空间时的成矿动力学过程。再进一步，进料装置还包括通过管道依次连接的气瓶、截止阀Ⅱ、流量控制器及单向阀Ⅱ构成的供气系统，单向阀Ⅱ的出口通过管道与进样管连通；通过设置在线供气系统，可以为釜内根据需要提供和维持不同浓度的特定气体，从而使得模拟实验过程更加真实可靠。进一步，在线取样装置包括取样瓶、背压控制器及压力表Ⅱ，背压控制器的进口通过管道与取样管连通且出口通过管道与取样瓶连通，背压控制器的进口管道与取样管之间连接有压力表Ⅱ；通过在线取样装置设置背压控制器，可以在保证釜内高温高压反应的同时，完成在线取样，从而保证了反应的连续性和反应过程中的有效测量，使得对模拟实验过程形成有效的掌控，有利于对元素迁移和沉淀机制的研究。综上所述，本实用新型具有安全可靠、耐高温高压、能够间歇或连续加料、自动化程度高。

如图1至4所示，模拟实验开始时，先启动计算机7及温度控制器8，通过计算机7控制温度控制器8使反应釜加热保温装置2中的电热丝加热高温高压反应釜1至预定温度；同时启动反应釜增压系统3，根据预设的压力值将高压储气瓶31中氩气通入高压增压缸33，用液压系统32的低压液压油驱动高压增压缸33使通入的氩气增压，增压后的氩气通过高压管道经高压进气管1B通入高温高压反应釜1使之釜内压力达到预设压力后停止，完成启动装备。然后启动在线自动进料装置4和在线取样装置5，通过计算机7根据预设实验用量控制自动进样器42出料，并经柱塞泵43加压和预热器44加热后经进样管16向釜内注入实验用预配置溶液；必要时也可以启动流量控制器49将气瓶48内的注入氧、氢、硫、二氧化碳等高压气体通过进样管16注入釜内，以控制釜内氢、氧、硫、二氧化碳等气体逸度。在釜内反应到预定时间后，开启背压控制器52，将釜内反应中或反应后的溶液经取样管17并背压控制器52减压后流出至取样瓶51中，设置于取样瓶51中的各种电极和探头将测量值传送给多参数检测仪6，多参数检测仪6将测量数值处理后上传给计算机7，计算机7根据预设的程序将温度控制器8上传的热电偶9数值及多参数检测仪6检测数值进行计算，然后将检测值和/或计算后的数值进行显示。