外地核候選物質(zhì)的動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、根據(jù)地球物理、地球化學(xué)、宇宙化學(xué)以及高溫高壓實(shí)驗(yàn)等方面的研究結(jié)果，現(xiàn)已證明液態(tài)地球外核的主要組分是鐵，同時(shí)還含有約10wt％的輕元素。盡管輕元素在地核中的含量相對較少，但是它們對許多地球深部的物理、化學(xué)和動(dòng)力學(xué)等現(xiàn)象卻有著至關(guān)重要的影響，例如：液態(tài)外地核的冷卻速率，固態(tài)內(nèi)地核的生長，外地核的成分對流，地核磁流體發(fā)電機(jī)的形成與運(yùn)行機(jī)制，核幔邊界層的化學(xué)反應(yīng)等。綜合各方面研究結(jié)果，外地核中候選輕元素的研究范圍已縮小至5種：硅(Si)、硫(S

2、)、氧(O)、碳(C)和氫(H)，并且外地核中至少含有兩種輕元素。在上述5種輕元素中，外地核究竟含有它們之中的哪些?各自的含量又是多少?這些問題一直為地球物理學(xué)家和地球化學(xué)家所關(guān)注，也是目前地球物理和地球化學(xué)學(xué)科的前沿研究課題。
　　 為了深入探索外地核中輕元素的種類和含量，在國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目批準(zhǔn)號：41074056)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(項(xiàng)目批準(zhǔn)號：20410042)的資助下，以及大量文獻(xiàn)調(diào)研和理論預(yù)估的基礎(chǔ)

3、上，本文選取Fe92.5O2.2S5.3(Fe/FeO/FeS混合物，92.5wt％Fe，2.2wt％O，5.3wt％S)樣品作為研究對象，利用二級輕氣炮實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對其狀態(tài)方程、高壓聲速、高壓熔化行為等進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。并結(jié)合已有的Fe90O8S2(90wt％Fe，8wt％O，2wt％S)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一套完整的、自洽的熱力學(xué)方法來描述外地核溫度和壓強(qiáng)環(huán)境下的Fe-O-S體系的密度和聲速，以此來限定外地核中O元素和S元素的含量。文章

4、的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.應(yīng)用六面項(xiàng)大腔體壓機(jī)，探索Fe2O3與Fe發(fā)生化學(xué)反應(yīng)還原成FeO的溫度、壓強(qiáng)條件。在壓強(qiáng)約2GPa、溫度約800℃的條件下，將配置好的高純Fe2O3、FeS和Fe粉末壓制成致密FeO、FeS和Fe的混合大塊體樣品，X射線檢測表明樣品中的Ve3+完全被還原為Ve2+。樣品的密度為6.880g/cm3，與體積疊加方法計(jì)算的密實(shí)樣品密度值非常吻合。樣品中O的含量為2.2wt％，S的含量為5.3

5、wt％。
　　 2.應(yīng)用二級輕氣炮動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)裝置，借助電探針技術(shù)和反向碰撞技術(shù)，在73-233Gpa壓強(qiáng)范圍內(nèi)測量了Fe92.5O2.2S5.3體系的Hugoniot狀態(tài)方程，其Hugoniot參數(shù)為：Co=3.710(±0.12)km/s、λ=1.610(±0.04)。并且根據(jù)已有的Fe、FeO和FeS的Hugoniot實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用可加性法則計(jì)算了Fe92.5O2.2S5.3體系的Hugoniot狀態(tài)方程，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一

6、致。說明在沖擊波加載過程中，F(xiàn)e、FeO和FeS之間沒有發(fā)生可觀測的化學(xué)反應(yīng)。
　　 3.利用反向碰撞技術(shù)和光分析技術(shù)，并使用DISAR測量儀器，精確地測量了93-208GPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)Fe92.5O2.2S5.3體系在沖擊壓縮狀態(tài)下的縱波聲速和體波聲速。與已測的Fe90O8S2和Fe在沖擊狀態(tài)下的聲速測量結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)O元素和S元素的加入都能使得Fe的體波聲速增大，這進(jìn)一步確認(rèn)了O元素和S元素存在于外地核中的可能性。對比分

7、析同時(shí)發(fā)現(xiàn)，O元素對純Fe體波聲速的影響要大于S元素。
　　 4.根據(jù)聲速測量結(jié)果，確定Fe92.5O2.2S5.3體系在164GPa下發(fā)生完全熔化，即平衡熔化。根據(jù)能量守恒定律，求解得到平衡熔化溫度為3500K。以此為參考點(diǎn)，應(yīng)用Lindemann熔化律外推，得到Fe92.5O2.2S5.3在內(nèi)外核邊界330GPa處的熔化溫度為5000K。與已有的實(shí)驗(yàn)測量的Fe、Fe-S、Fe-O、Fe-O-S的熔化溫度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)O元素和

8、S元素對高壓下Fe的熔化溫度的影響也是不一樣的：S元素的含量越多，則純Fe的熔化溫度降低越大。因此在考慮輕元素對Fe的熔化溫度的影響時(shí)，不僅僅要考慮輕元素的含量，更要考慮輕元素的種類。
　　 5.構(gòu)建了一套自洽的熱力學(xué)方法來模擬任一溫度和壓強(qiáng)環(huán)境下Fe-O-S體系的狀態(tài)方程和體波聲速。與實(shí)測的沖擊狀態(tài)下Fe、Fe90O8S2和Fe92.5O2.2S5.3的狀態(tài)方程和體波聲速比較，模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果相符合，表明計(jì)算方法的合理性

9、以及相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性。應(yīng)用此熱力學(xué)方法計(jì)算了一系列Fe-O-S體系在外地核環(huán)境下的密度和聲速，并與PREM模型提供的外地核的密度和聲速數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。在誤差范圍內(nèi)，F(xiàn)e92.5O2.2S5.3體系的密度和聲速基本能與PREM模型相匹配，而Fe90O0.5S9.5的密度和聲速與PREM模型匹配地更好。這意味著外地核中O的含量最多不能超過2.5wt％，而0.5wt％的O的含量可能更準(zhǔn)確一些，即表明外地核是貧O的。
　　 地球化