高壓下鐵的熔化曲線及外地核候選組分的約束性研究.pdf

1、本文目的是研究地球深部物質(zhì)在高溫高壓環(huán)境下的物性，主要限定在對(duì)地核材料的研究，其方法是采用凝聚態(tài)物理理論及近年發(fā)展起來(lái)的高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)研究深部地球物理問(wèn)題，因而屬于一種學(xué)科交叉的研究課題。研究?jī)?nèi)容由兩部分構(gòu)成，第一部分是高壓下鐵的熔化曲線，第二部分是從對(duì)外地核候選組分Fe/FeO/FeS(重量百分比為58.96/35.83/5.21)混合物的Hugoniot線、聲速和熔化溫度的測(cè)量出發(fā)，對(duì)外地核成分進(jìn)行約束性研究。文中取得的有創(chuàng)新意義的

2、結(jié)果歸納如下： 一、鐵是地核的主要成分。通常認(rèn)為地核又是由液態(tài)外核和固態(tài)內(nèi)核組成，因而鐵的高壓熔化曲線是備受關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題，因?yàn)橥ㄟ^(guò)它可以推斷出內(nèi)外核界面(ICB)處(330GPa)的溫度(嚴(yán)格講是一級(jí)近似溫度，又稱錨定(anchor)溫度)，從而進(jìn)一步推斷出地核的溫度剖面。但是近二十年來(lái)，在鐵的高壓熔化曲線的研究中還存在一個(gè)長(zhǎng)期未能澄清的科學(xué)問(wèn)題，即用沖擊波方法測(cè)到的200GPa以上ε(hcp)-鐵的熔化溫度要比用金剛石壓砧(

3、DAC)裝置測(cè)到的100GPa以下的數(shù)據(jù)呈系統(tǒng)性的偏高。雖然在最新的DAC實(shí)驗(yàn)中使用的X-射線衍射和激光雙面加熱技術(shù)克服了樣品內(nèi)溫度梯度過(guò)大等技術(shù)問(wèn)題，在沖擊波方法中也考慮到了對(duì)過(guò)熱熔化修正的影響，兩者之間的偏差有所縮小，但是其間的偏差依然存在。在前人(李西軍等人，見(jiàn)本院研究生部李西軍博士畢業(yè)論文，2000年；Luoetal，Phys.EarthPlanet.Inter,2004,143：369)根據(jù)Hugoniot聲速數(shù)據(jù)確定了過(guò)熱熔

4、化溫度后，再經(jīng)過(guò)修正得到平衡熔化溫度的方法中存在不確定性的基礎(chǔ)上，本文提出了一個(gè)新的通過(guò)能量平衡原理直接計(jì)算平衡熔化溫度的熱力學(xué)計(jì)算方法。本文根據(jù)最新的Hugoniot聲速測(cè)量結(jié)果，用這種分析方法計(jì)算了沖擊壓強(qiáng)為260GPa時(shí)鐵的平衡熔化溫度(5300K)，并以這個(gè)點(diǎn)為參考點(diǎn)通過(guò)Lindemann熔化定律計(jì)算了E-鐵的高壓熔化曲線，把它外推到低壓下，發(fā)現(xiàn)與靜高壓最新的測(cè)量結(jié)果(Sheneta1.，GeophysResLett，1998,

5、25：373；Maetal.，Phys.EarthPhanet.Inter.，2004，143：455)是一致的，從而得到了一條可以統(tǒng)一最新靜高壓和動(dòng)高壓熔化線測(cè)量數(shù)據(jù)的∈-鐵的熔化曲線，解決了以上所說(shuō)的一個(gè)科學(xué)難題。這就是本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。上述工作還進(jìn)一步得到以下三個(gè)方面分析結(jié)果的支持。 1、基于∈相鐵的OK等溫狀態(tài)方程和有效Grüneisen參數(shù)γeff以及比熱Gv等基本物性參數(shù)，用熱力學(xué)方法計(jì)算了固態(tài)、固-液混合態(tài)、液態(tài)鐵

6、的Hugoniot線。對(duì)于固態(tài)和液態(tài)鐵，計(jì)算的P-V線與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)符合得很好，這也表明這種計(jì)算方法也可以很好的區(qū)分Hugoniot實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中固相區(qū)和液相區(qū)。但在很窄的固-液混合壓力區(qū)內(nèi)，由于被測(cè)樣品中的沖擊波分裂為兩個(gè)波陣面，沖擊波速度和粒子速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較大的分散性，因而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算曲線之間有一些不大的區(qū)別。但是就總體而言，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性表明了以上計(jì)算方法和所用參數(shù)值的合理性。 2，計(jì)算了沿本文構(gòu)制的Hu

7、goniot線的∈-鐵中和液態(tài)鐵中的體波聲速，其結(jié)果與固相區(qū)和液相區(qū)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)頗為一致。與之相對(duì)比的是，若用Brown等人[J.Appl.Phys，2000]給出的統(tǒng)一的(即不分固相及液相的)Hugoniot數(shù)據(jù)計(jì)算，所得到的體波計(jì)算值要比實(shí)測(cè)值低約3％，這個(gè)差別也是本文首先揭示出的一個(gè)重要結(jié)果。 3、在高溫高壓狀態(tài)方程中和高壓熔化曲線的計(jì)算中，Grüneisen參數(shù)γ值是熱力學(xué)計(jì)算時(shí)必需的一個(gè)非常重要的物理參量，然而目前有

8、關(guān)鐵沿Hugoniot線的γ實(shí)驗(yàn)值是有限的而且各個(gè)結(jié)果之間并不一致。本文根據(jù)晶格Grüneisen參數(shù)γN和定容比熱CVN及電子的Grüneisen參數(shù)γe和定容比熱Cve，計(jì)算了Hugoniot狀態(tài)下鐵的有效Grüneisen參數(shù)γeff。在低壓下，γeff與室溫下測(cè)到的γN數(shù)據(jù)是一致的；在高壓熔化區(qū)后亦與用Hugoniot聲速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的γ值符合得很好。 二、外地核組分的研究對(duì)于地球深部物質(zhì)組分的地球物理和化學(xué)建模有重要的

9、意義。本文根據(jù)Alfe等人(Nature,2000)的建議，對(duì)Fe-O-S三元體系候選組分的高溫高壓下的狀態(tài)方程、聲速和熔化溫度等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。在O、S雜質(zhì)含量不超過(guò)10％并與PREM模型給出的密度和聲速隨壓力變化關(guān)系基本相符的約束下，通過(guò)體積可加性原理和熱力學(xué)計(jì)算，確定用Fe/FeO/FeS混合物(重量百分比為58.96/35.83/5.21，與之相應(yīng)的Fe/O/S重量百分比為90.12/7.98/1.9)作為本文候選組分研究

10、的實(shí)驗(yàn)樣品材料(以下簡(jiǎn)稱為Fe-O-S樣品)。 1、在50～210GPa的壓力范圍內(nèi)，用二級(jí)輕氣炮和電探針技術(shù)對(duì)初始密度為ρo=6.69±0.06g/cm3的Fe-O-S樣品的Hugoniot線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，所得的Hugoniot參數(shù)為：C0=3.97±0.07km/s，λ1.58±0.03。上述混合物Hugoniot線實(shí)測(cè)結(jié)果與用體積可加性原理計(jì)算得到的相同組分混合物的Hugoniot線符合得很好；根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還計(jì)算了混

11、合物的OK等溫壓縮線，發(fā)現(xiàn)它與體積可加性原理對(duì)單質(zhì)Fe，F(xiàn)eO和FeS的OK等溫壓縮線的計(jì)算結(jié)果亦相一致。以上結(jié)果支持了本文預(yù)估方法及其結(jié)果的合理性與適用性。此外，上述結(jié)果還表明Fe-O-S混合物在沖擊壓縮過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生過(guò)可察覺(jué)的化學(xué)反應(yīng)。 2、通過(guò)光分析技術(shù)，在106～232GPa的沖擊壓力范圍內(nèi)測(cè)量了Fe-O-S材料的7發(fā)Hugoniot聲速數(shù)據(jù)點(diǎn)。聲速數(shù)據(jù)表明在167GPa壓強(qiáng)下，F(xiàn)e-O-S材料發(fā)生了完全熔化，由前述本文

12、提出的能量平衡方程確定的這一壓強(qiáng)下的平衡熔化溫度為3830K，并進(jìn)一步根據(jù)Lindemann熔化定律計(jì)算了50～330GPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)的熔化曲線。為了檢驗(yàn)計(jì)算熔化線的合理性，文中還根據(jù)譚華-戴誠(chéng)達(dá)-Ahrens模型(HighPressRes，1990；高壓物理學(xué)報(bào)2000)設(shè)計(jì)并用輻射法測(cè)量了卸載熔化溫度，其值為：在108GPa處的Tm=3100K，在90GPa處的Tm=2880K。在測(cè)量誤差范圍內(nèi)與上述計(jì)算的熔化曲線符合得很好。外推到

13、330GPa處，F(xiàn)e-O-S材料的熔化溫度為5400K。 3、在ICB的330GPa處，純鐵的熔化溫度為5930K，而Fe-O-S混合物的熔化溫度為5400K。由于0、S輕元素的影響，使ICB處的熔化溫度與鐵的相比降低了600K。此外，文中還用相同的熱力學(xué)方法計(jì)算了等溫線與等熵線，并進(jìn)一步計(jì)算了在外地核溫壓環(huán)境下Fe-O-S混合物的體波聲速，以便與PREM模型的數(shù)據(jù)相比較。應(yīng)該說(shuō)明，此前都是通過(guò)聲速的“平均溫度系數(shù)”將Hugon