微量热法能够检测到更多化学反应过程的细节信息,本文使用微量热法结合其他测量物质结构和成分的手段研究地质学中典型的物相转变过程,分析物相转变过程的反应机理。本文研究了属于A+B→C的化合反应过程的高岭石水化和离子吸附过程、属于A→B→C的连续相变过程的施氏矿物(Schwertmannite)热演化过程以及属于A→B+C的分解反应过程的干酪根生烃过程,掌握了微量热法研究物相转变过程的方法,了解了上述物相转变过程的部分机理:(1)高岭石的水化和离子吸附作用受到金属阳离子类型和温度的影响。离子半径越大的碱金属离子与高岭石表面作用越强,越容易与高岭石表面形成内球络合,具有Cs~+>K~+>Na~+的顺序。相对高温条件下的高岭石与盐溶液混合的放热量明显升高,有利于内球络合的发生,同时内球络合的增加导致了外球络合的减少。高岭石与盐溶液混合的热量-时间曲线显示水化和吸附反应快速发生,在5min左右达到最大释热量,但整个反应过程持续约0.5 h,其中高浓度溶液的反应时间略长,相对高温的条件下反应时间较短,不同离子溶液的反应时间按照Cs~+>K~+>Na~+的顺序。(2)施氏矿物在温度升高的过程中分解并形成草黄铁矾和赤铁矿。我们观察到施氏矿物在温度逐渐升高的过程中依次经历了吸附水脱附、硫酸根构型转化、施氏矿物失去结构水分解、重结晶形成草黄铁矾、重结晶形成赤铁矿纳米晶体、赤铁矿纳米晶体重结晶形成大颗粒矿物、草黄铁矾分解和赤铁矿分解的演化过程。在缓慢升温速率的微量热实验的热流-温度曲线中我们观察到了离散的6个吸热峰,分别对应前5个反应过程,其中吸附水脱附分为高能和低能两种情况分别对应2个吸热峰。施氏矿物中含有的硫酸根具有和重金属含氧酸根阴离子相似的性质,能够被重金属含氧酸根阴离子取代,达到吸附重金属离子的效果。我们发现在干燥的环境中施氏矿物只在它失去结构水分解、重结晶形成草黄铁矾和草黄铁矾分解三个过程中有发生硫酸根中S元素的迁移,硫酸根中的S可以类比重金属元素,在这3个过程中会导致干燥的土壤环境中重金属元素的扩散。我们通过对热流-温度曲线的6个吸热峰的活化能的计算,可以预测这3个过程在任意地质条件中的反应开始温度和峰值温度。(3)含S基团对干酪根生烃过程具有巨大的影响。微量热实验的热流-温度曲线发现了2个活化能较低的放热峰,并通过热重-质谱实验证明了这两个放热过程是干酪根中含S基团的裂解生烃反应过程,分别对应R3-C-S-R’完全裂解产生重质油的过程和R-(C=S)-R’部分裂解产生R-(C≡S)~+离子和重质油的过程。干酪根中的含S基团能够有效的降低生烃反应的活化能,使干酪根在更低的温度发生生烃反应。干酪根中含S基团裂解生烃的产物碳数较多,成分以重质油为主;C-C键直接裂解生烃的产物含碳数较低,以轻质油为主。含S基团还能够参与干酪根的生气反应,产物主要是湿气成分。另外C=S双键基团还能在略高于生气过程的温度下完全裂解并且大量产生乙烯和丙烯。