（Mg，F(xiàn)e）SiO-,3-鈣鈦礦的高壓聲速和相穩(wěn)定性及地球物理意義.pdf

1、人類對(duì)于地球內(nèi)部的認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)地幔和地核物質(zhì)組成的理解，目前主要依靠地球物理資料(主要是對(duì)地震波數(shù)據(jù)的解釋)和高溫高壓實(shí)驗(yàn)的結(jié)合來(lái)研究。近幾十年來(lái)，對(duì)各種地球候選礦物質(zhì)的高溫高壓相變研究已經(jīng)取得了很大的成功，但是(Mg，F(xiàn)e)SiO3鈣鈦礦作為下地幔最主要的礦物組分，其高溫高壓下的相變研究至今仍未有一致結(jié)論。尤其是人們利用地震層析成像技術(shù)探測(cè)到下地幔深度1600-1800km處(對(duì)應(yīng)壓力70-85GPa)存在徑向不連續(xù)面，如何解釋這一

2、現(xiàn)象，這就需要高溫高壓實(shí)驗(yàn)對(duì)(Mg，F(xiàn)e)SiO3鈣鈦礦的穩(wěn)定性做進(jìn)一步研究。這一問(wèn)題的澄清，將有重大的地球物理意義。 本文通過(guò)研究分析，主要取得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)： (1)通過(guò)對(duì)(Mg，F(xiàn)e)SiO3現(xiàn)有的沖擊壓縮數(shù)據(jù)的整理，綜合以往的研究結(jié)果，對(duì)(Mg，F(xiàn)e)SiO3頑火輝石在沖擊壓縮下所經(jīng)歷的相變過(guò)程作了詳細(xì)的分析，并劃分相變區(qū)域，得到結(jié)論：(Mg0.92，F(xiàn)e0.08)SiO3頑火輝石在沖擊壓縮過(guò)程中，約經(jīng)歷三個(gè)明顯區(qū)

3、域：低壓相區(qū)(LPR)，壓力范圍為0～40GPa；混合相區(qū)(MPR)，壓力范圍40～67GPa；高壓相區(qū)(HPR)，壓力范圍為68～140GPa。由疊加原理計(jì)算得到的混合物(Mg0.92，F(xiàn)e0.08)O(Mw)+SiO2(St)的D-u關(guān)系及P-ρ關(guān)系曲線明顯偏離了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線，從而排除了在高達(dá)140GPa沖擊壓力下鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的(Mg0.92，F(xiàn)e0.08)SiO3發(fā)生向氧化物化學(xué)分解相變的可能性。 (2)根據(jù)相區(qū)劃分，

4、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中代表鈣鈦礦相屬性的高壓數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到新的D-u關(guān)系：D=3.74(±0.22)+1.49(±0.05)u(km/s)，并計(jì)算了高壓下(Mg0.92，F(xiàn)e0.08)SiO3鈣鈦礦的格林愛森參數(shù)γ=γ0(ρ0/ρ)q，其中，γ0=1.82(2)，q=1.64(1)。通過(guò)三階Birch-Murnaghan有限應(yīng)變狀態(tài)方程，由沖擊波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了零壓等熵體積模量K0s=259.6(9)GPa及其對(duì)壓力的一階偏導(dǎo)K0s’=4.20

5、(5)，其中ρ0=4.19g/cm3。(Mg0.92，F(xiàn)e0.08)SiO3的高壓相密度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)溫度修正，與PREM完好吻合。支持鈣鈦礦為主要成分的下地幔模型。 (3)以二級(jí)輕氣炮為壓縮手段，測(cè)量了頑火輝石在高壓下的聲速。并利用文中得到的新的Hugoniot關(guān)系及格林愛森參數(shù)γ對(duì)以往高壓聲速測(cè)量結(jié)果重新進(jìn)行計(jì)算，得到聲速—壓力和聲速—密度關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，縱波聲速和剪切波聲速在68GPa和83-85GPa附近分別有一個(gè)正的和負(fù)的跳

6、變；而體波聲速則無(wú)明顯變化。 (4)對(duì)現(xiàn)有的多種金屬和礦物質(zhì)在高壓下的聲速數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，全方位考察了Birch定律的適用范圍，對(duì)縱波、剪切波和體波聲速在等溫、等熵以及Hugoniot狀態(tài)下與壓縮密度的關(guān)系進(jìn)行總結(jié)。 (5)根據(jù)等溫、等熵和Hugoniot狀態(tài)下縱波聲速與密度滿足同一線性關(guān)系，把處理得到的鈣鈦礦聲速數(shù)據(jù)與靜高壓對(duì)(Mg，F(xiàn)e)SiO3頑火輝石和(Mg，F(xiàn)e)SiO3鈣鈦礦的聲速測(cè)量數(shù)據(jù)，以及前人利用第一

7、性原理和從頭算方法計(jì)算得到的鈣鈦礦聲速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步論證對(duì)頑火輝石在沖擊壓縮下的相區(qū)劃分。并得到了(Mg0.92，F(xiàn)e0.08)SiO3在68-140GPa壓力范圍內(nèi)均呈鈣鈦礦相的結(jié)論。 (6)用兩種方法從理論上計(jì)算了(Mg0.92，F(xiàn)e0.08)SiO3鈣鈦礦的沖擊溫度。利用相變熱力學(xué)，對(duì)(Mg0.92，F(xiàn)e0.08)SiO3鈣鈦礦在83-85GPa附近的相邊界進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)鈣鈦礦中因Fe電子自旋狀態(tài)改變(HS-LS

8、)而引起的自由能變化，估算了其相邊界斜率，發(fā)現(xiàn)兩者很吻合。因此，可以認(rèn)為是由于Fe電子由高自旋向低自旋的相變，造成Fe-O鍵長(zhǎng)縮短，引起晶格畸變，可壓縮性增大，從而導(dǎo)致(Mg0.92，F(xiàn)e0.08)SiO3在83-85GPa壓力處的聲速發(fā)生了負(fù)的跳變，進(jìn)入一種新的鈣鈦礦相。而其在68GPa壓力附近聲速的正跳變，是因?yàn)?8GPa之前，依然包含有低壓相(頑火輝石)的影響。 (7)介紹了體波聲速溫度系數(shù)的計(jì)算方法，把體波聲速修正到PR