磷灰石是地球内部十大副矿物之一，它的结构通式是M10(BO4)6X2。M位置可以是Ca2+、Sr2+、Ba2+、Pb2+、Cr3+、Mn2+、REE3+（稀土元素）等金属阳离子，BO4位置是不同元素的阴离子团，例如(PO4)3-、(SiO4)4-、(MnO4)2-、(CO3)2-等;X位置多为挥发性元素，例如F-、Cl-、Br-、(OH)-、(CO3)2-等，除此之外X位置也可以是H2O这样的中性小分子或者空位。成分的多样性，使磷灰石的应用领域和研究范围都很宽广。自然界中最常见的磷灰石是Ca10(PO4)6X2，它的热力学参数、高温高压相图已经有了扎实可靠的研究，本博士论文的工作则集中于研究其他成分的磷灰石的物理化学性质和地球化学行为，包括弹性性质、高温高压相图，以及SiO2在磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2中的溶解度。　　我们的研究对象是矿物，研究内容涉及矿物的相变、元素的迁移等，这些过程都很缓慢，因此需要进行长时间的实验，这就需要有能够长时间保持稳定的实验组装。参考活塞-圆筒高压设备上常用的实验组装中的热电偶的布局方式，我们设计了一种适用于极端高温条件的六面顶压机实验组装。在这种新的实验组装中，热电偶不再横穿石墨加热炉，而是在石墨炉中纵向分布，然后从石墨炉顶端横向引出。与传统的六面顶压机实验组装相比，这种新组装具有更强的高温稳定性。测试表明:在5GPa下，1600℃的实验能够保持48小时以上，1800℃的实验能够保持约30小时，2000℃的实验能够保持约10小时。另外，在组装中心4mm的范围内，温度梯度低于2％:组装中心温度为1454℃时，平均温度梯度仅有27℃/mm。较长的保温时间以及低温度梯度能进一步提高六面顶压机在地球科学研究领域的应用。　　为了研究BO4位置的元素对磷灰石的弹性性质的影响，我们在1 atm、700℃、72h的条件下合成了磷灰石固溶体Pb10(PO4)6-x(VO4)xF2（x=0、1、2、3、4、5、6）。我们对合成的固溶体样品做了拉曼测试，测试结果表明P-O键和V-O键的对称伸缩振动峰峰位随x增加呈线性减小，证明(VO4)3-对(PO4)3-的替代导致磷灰石内(VO4)3-和(PO4)3-四面体的体积都在逐渐扩大。随后通过高温X射线衍射(XRD)在室温至600℃的范围内我们研究了(VO4)3-对(PO4)3-的替代对磷灰石热膨胀系数的影响。在我们研究的温度范围内，磷灰石固溶体的晶胞参数与温度表现为线性关系。通过晶胞参数与温度的关系，我们拟合得到了固溶体所有样品的热膨胀系数（单位为10-5/K)，从(PO4)3-端元至(VO4)3-端元:体积的热膨胀系数αV从7.30(15)线性增加至8.28(22);晶轴a的热膨胀系数αa从2.25(2)线性增加至2.38(7)，晶轴c的热膨胀系数αc从2.79(12)线性增加至3.53(10)。这些变化表明(VO4)3-会增大磷灰石的热膨胀能力，并加强热膨胀在a轴和c轴两个方向的各向异性。我们还通过高压XRD在1atm至9GPa的范围内研究了(VO4)3-对(PO4)3-的替代对磷灰石体积模量的影响。通过二阶的Birch-Murnaghan状态方程去拟合通过高压XRD（金刚石压砧与同步辐射X射线衍射结合）得到的晶胞参数，得到了磷灰石的体积模量，从(PO4)3-端元至(VO4)3-端元:体积模量K0从68.4(16)GPa减小到57.2(28)GPa;晶轴a的轴压缩模量K0a从68.1(11)GPa减小至46.5(10)GPa，晶轴c的轴压缩模量K0c从71.8(30)GPa增加至110.7(14)GPa，这表明(VO4)3-会增加磷灰石体积和a轴的可压缩性，降低c轴的可压缩性，加强磷灰石的压缩各向异性。　　我们使用活塞圆筒装置在1GPa、800℃、36h的条件下合成了锶磷灰石Sr10(PO4)6F2和钡磷灰石磷灰石Ba10(PO4)6F2，通过高温XRD（25℃至1000℃）和高压XRD(1atm至～5GPa)分别得到了这两种磷灰石的热膨胀系数α和体积模量K0。锶磷灰石的热膨胀系数与温度正相关:αa=1.22(2)+0.00023(4)T，αc=1.08(2)+0.00033(4)T，αV=3.49(5)+0.00078(12)T，单位为10-5/K。钡磷灰石的热膨胀系数是与温度无关的常数:αa=1.34，αc=1.26，αV=3.90，单位为10-5/°K。使用二阶Birch-Murnaghan状态方程拟合得到锶磷灰石的体积模量为K0=91.1(13)，晶轴的轴压缩模量为K0a=86.5(15)，K0c=102.2(26)，单位为GPa;钡磷灰石的体积模量为K0=47.0(14)，晶轴的轴压缩模量为K0a=54.3(7)，K0c42.6(17)，单位为GPa。结合文献中的钙磷灰石Ca10(PO4)6F2和铅磷灰石Pb10(PO4)6F2的弹性数据，我们研究了M位置的元素对磷灰石M10(BO4)6X2的弹性性质的影响。对比结果显示M位置元素的极化率是控制这些磷灰石热膨胀系数的主要因素，M元素的离子半径主导着这些磷灰石的体积模量和轴压缩模量。最后我们总结得到了磷灰石的弹性性质，包括热膨胀系数和体积模量，与磷灰石常温常压下的晶胞体积的线性关系，这可以直接用于预测不同成分磷灰石的弹性参数。有了热膨胀系数和体积模量，我们可以计算得到这些磷灰石在不同温度和压力条件下的密度，从而知道它们在板块俯冲过程中的行为。　　天然磷灰石中会不同程度的含有锶元素和钡元素，这些磷灰石可以被用来研究体系的碱度和热演化历史。为此我们通过实验确定了锶磷灰石Sr10(PO4)6F2和钡磷灰石Ba10(PO4)6F2的高温高压相图，以确定这两种磷灰石在研究地质事件时的应用范围。实验结果表明这两种磷灰石的分解对压力非常敏感，对温度不敏感，它们分解的压力分别在4GPa和1.7GPa左右。最后通过线性内插法我们得到了磷灰石三元固溶体Ca10-x-yBaxSry(PO4)6X2分解的P-T曲线，可以直接用于计算不同成分磷灰石的稳定压力，从而知道在板块俯冲过程中这些磷灰石的俯冲深度。　　天然磷灰石中经常包含Si元素，因此我们研究了温度和压力对SiO2在磷灰石中的溶解度的影响。研究分为两个方向，首先是将温度固定为1200℃，压力从2GPa增加到8GPa;其次是将压力固定为4GPa，温度从1200℃增加到到1500℃。实验结果表明SiO2会降低磷灰石的稳定域，5GPa左右时磷灰石会部分分解，7GPa时完全分解，分解将会生成涂氏磷灰石。我们通过电子探针和nano-SIMS测量得到了实验产物中磷灰石以及涂氏磷钙石中的SiO2含量，研究了SiO2以(SiO4)4-的形式通过独立替代进入磷灰石的能力，以及温度和压力对这一能力的影响。测试结果表明磷灰石中SiO2的含量平均值为2600ppm，升高压力或者降低温度均会略微降低该含量。涂氏磷钙石中SiO2的含量高于磷灰石，在8GPa下可以达到8700ppm。热力学分析表明SiO2在涂氏磷钙石中的溶解度高于其在磷灰石中的溶解度是致使磷灰石稳定压力降低的主要因素。