Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья посвящена физике минералов при высоких давлениях. О физических свойствах минералов, таких как спайность , см. Минералогия § Физические свойства .

Минеральная физика - это наука о материалах, из которых состоит внутренняя часть планет, особенно Земли. Это перекликается с петрофизикой , которая фокусируется на свойствах всей породы. Он предоставляет информацию, которая позволяет интерпретировать поверхностные измерения сейсмических волн , аномалий силы тяжести , геомагнитных полей и электромагнитных полей с точки зрения свойств в глубоких недрах Земли. Эта информация может быть использована для понимания тектоники плит , мантийной конвекции , геодинамо и связанных с ними явлений.

Лабораторные работы по физике минералов требуют измерения высокого давления. Наиболее распространенным инструментом является ячейка с алмазной наковальней , в которой используются алмазы, чтобы подвергнуть небольшой образец давлению, которое может приблизиться к условиям в недрах Земли.

Создание высокого давления [ править ]

Сжатие шока [ править ]

Многие новаторские исследования в области физики минералов включали взрывы или снаряды, которые подвергали образец удару. В течение короткого промежутка времени образец находится под давлением при прохождении ударной волны . Этим методом было достигнуто такое же высокое давление, как на Земле. Однако у метода есть недостатки. Давление очень неравномерно и не адиабатично , поэтому волна давления нагревает образец попутно. Условия эксперимента следует интерпретировать в терминах набора кривых давление-плотность, называемых кривыми Гюгонио . [1]

Пресс с несколькими наковальнями [ править ]

Прессы с несколькими опорами включают в себя расположение опор для концентрации давления пресса на образце. Обычно в устройстве используется система из восьми наковальней из карбида вольфрама кубической формы для сжатия керамического октаэдра, содержащего образец, и печи для керамики или Re-металла. Наковальни обычно помещают в большой гидравлический пресс . Метод был разработан Каваи и Эндо в Японии. [2] В отличие от ударного сжатия, создаваемое давление является постоянным, и образец можно нагревать с помощью печи. Давление около 28 ГПа (эквивалент глубины 840 км), [3] и температуры выше 2300 ° C, [4]может быть достигнута с помощью WC наковальни и печи из хромита лантана. Аппарат очень громоздкий и не может достичь такого давления, как в ячейке с алмазной наковальней (ниже), но он может работать с гораздо более крупными образцами, которые можно закалить и исследовать после эксперимента. [5] Недавно для этого типа пресса были разработаны наковальни из спеченного алмаза, которые могут достигать давления 90 ГПа (глубина 2700 км). [6]

Ячейка с алмазной наковальней [ править ]

Схема ядра ячейки с алмазной наковальней. Размер алмаза составляет не более нескольких миллиметров.

Ячейка алмаза наковальни представляет собой небольшую столешницу устройство для концентрирования давления. Он может сжимать небольшой (субмиллиметровый) кусок материала до экстремального давления , которое может превышать 3 000 000 атмосфер (300 гигапаскалей ). [7] Это выше давления в центре Земли . Концентрация давления на вершине алмазов возможна из-за их твердости , а их прозрачность и высокая теплопроводность позволяют использовать различные датчики для исследования состояния образца. Образец можно нагревать до тысяч градусов.

Создание высоких температур [ править ]

Достижение температуры внутри Земли так же важно для изучения физики минералов, как и создание высокого давления. Для достижения этих температур и их измерения используются несколько методов. Резистивный нагрев является наиболее распространенным и простым в измерении. Подача напряжения на провод нагревает провод и окружающую среду. Доступно большое разнообразие конструкций нагревателей, в том числе те, которые нагревают весь корпус ячейки с алмазной наковальней (DAC), и те, которые подходят внутри корпуса для нагрева камеры для образца. На воздухе могут быть достигнуты температуры ниже 700 ° C из-за окисления алмаза выше этой температуры. С аргономатмосферы, можно достичь более высоких температур до 1700 ° C, не повреждая алмазы. Резистивные нагреватели не достигают температуры выше 1000 ° C.

Нагрев лазера осуществляется в ячейке с алмазной наковальней с помощью лазеров Nd: YAG или CO2 для достижения температур выше 6000 К. Спектроскопия используется для измерения излучения черного тела от образца для определения температуры. Лазерный нагрев продолжает расширять диапазон температур, который может быть достигнут в ячейке с алмазной наковальней, но имеет два существенных недостатка. Во-первых, с помощью этого метода трудно измерить температуру ниже 1200 ° C. Во-вторых, в образце существуют большие градиенты температуры, потому что нагревается только часть образца, на которую попадает лазер. [ необходима цитата ]

Свойства материалов [ править ]

Уравнения состояния [ править ]

Чтобы определить свойства минералов в недрах Земли, необходимо знать, как их плотность изменяется в зависимости от давления и температуры . Такое отношение называется уравнением состояния (УРС). Простым примером УС, предсказываемого моделью Дебая для гармонических колебаний решетки, является уравнение состояния Ми-Грюнхайзена:

где есть теплоемкость и является гамма - Дебай. Последний является одним из многих параметров Грюнхайзена, которые играют важную роль в физике высоких давлений. Более реалистичным уравнением состояния является уравнение состояния Берча – Мурнагана . [8] : 66–73

Интерпретация сейсмических скоростей [ править ]

Инверсия сейсмических данных дает профили сейсмической скорости как функции глубины. Их все же следует интерпретировать с точки зрения свойств минералов. Фрэнсис Берч обнаружил очень полезную эвристику : построив график данных для большого количества горных пород, он обнаружил линейную зависимость скорости волны сжатия горных пород и минералов с постоянным средним атомным весом от плотности : [9] [10]

.

Эта связь стала известна как закон Берча . Это позволяет экстраполировать известные скорости для минералов на поверхности, чтобы предсказать скорости глубже в недрах Земли.

Другие физические свойства [ править ]

  • Вязкость
  • Ползучесть (деформация)
  • Плавление
  • Электропроводность и другие транспортные свойства

Методы допроса кристаллов [ править ]

Существует ряд экспериментальных процедур, предназначенных для извлечения информации как из одиночных, так и из порошкообразных кристаллов. Некоторые методы можно использовать в ячейке с алмазной наковальней (DAC) или многопозиционном прессе (MAP). Некоторые методы кратко описаны в следующей таблице.

ТехникаТип наковальниТип образцаИнформация извлеченаОграничения
Рентгеновская дифракция (XRD) [11]ЦАП или КАРТАПорошок или монокристаллпараметры ячейки
Электронная микроскопияНи одинПорошок или монокристаллГруппа симметрииТолько измерения поверхности
Дифракция нейтроновНи одинПудрапараметры ячейкиТребуется большой образец
Инфракрасная спектроскопия [12]ЦАППорошок, монокристалл или растворХимический составНе все материалы являются ИК-активными.
Рамановская спектроскопия [12]ЦАППорошок, монокристалл или растворХимический составНе все материалы являются рамановскими.
Рассеяние Бриллюэна [13]ЦАПОдиночный кристаллМодули упругостиНужен оптически тонкий образец
Ультразвуковая интерферометрия [14]ЦАП или КАРТАОдиночный кристаллМодули упругости

Расчеты из первых принципов [ править ]

Основная статья: Прогнозирование свойств кристаллов с помощью численного моделирования

Используя квантово-механические численные методы, можно добиться очень точного предсказания свойств кристалла, включая структуру, термодинамическую стабильность, упругие свойства и транспортные свойства. Ограничением таких вычислений, как правило, является вычислительная мощность, поскольку время выполнения вычислений в недели или даже месяцы не является редкостью. [8] : 107–109

История [ править ]

Поле минеральных физики не было названо до 1960 года , но его происхождение восходит по крайней мере , в начале 20 - го века , и признание того, что внешнее ядро является жидкостью , так как сейсмическая работа Олдхэм и Гутенбергом показала , что она не допускает поперечные волны для распространения . [15]

Вехой в истории физики минералов стала публикация « Плотности Земли», написанной Эрскином Уильямсоном, физиком-математиком, и Лисоном Адамсом, экспериментатором. Работая в геофизической лаборатории Вашингтонского института Карнеги , они рассмотрели проблему, которая долгое время озадачивала ученых. Было известно, что средняя плотность Земли примерно вдвое больше, чем у земной коры , но неизвестно было ли это из-за сжатия или изменения состава внутри. Уильямсон и Адамс предположили, что более глубокая порода сжимается адиабатически (без выделения тепла), и вывели уравнение Адамса – Вильямсона, который определяет профиль плотности по измеренным значениям плотности и упругих свойств горных пород. Они измерили некоторые из этих свойств с помощью 500-тонного гидравлического пресса, который оказывал давление до 1,2 гигапаскалей (ГПа). Они пришли к выводу, что мантия Земли имеет другой состав, чем кора, возможно, ферромагнезиальные силикаты, а ядро ​​представляет собой некую комбинацию железа и никеля. Они оценили давление и плотность в центре в 320 ГПа и 10 700 кг / м 3 , что недалеко от нынешних оценок в 360 ГПа и 13 000 кг / м 3 . [16]

Экспериментальная работа в геофизической лаборатории была основана на новаторской работе Перси Бриджмена из Гарвардского университета , который разработал методы исследования высокого давления, которые привели к Нобелевской премии по физике . [16] Его ученик, Фрэнсис Берч , руководил программой по применению методов высокого давления в геофизике. [17] Берч расширил уравнение Адамса-Вильямсона, включив в него влияние температуры. [16] В 1952 году он опубликовал классическую статью « Эластичность и строение недр Земли» , в которой установил некоторые основные факты: мантия состоит преимущественно из силикатов.; существует фазовый переход между верхней и нижней мантией, связанный с фазовым переходом; а внутреннее и внешнее ядро ​​- оба из сплавов железа. [18]

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Ahrens, TJ (1980). «Динамическое сжатие материалов Земли». Наука . 207 (4435): 1035–1041. Bibcode : 1980Sci ... 207.1035A . DOI : 10.1126 / science.207.4435.1035 . PMID  17759812 . S2CID  21791428 .
  2. Перейти ↑ Kawai, Naoto (1970). «Создание сверхвысоких гидростатических давлений аппаратом с разрезной сферой». Обзор научных инструментов . 41 (8): 1178–1181. Bibcode : 1970RScI ... 41.1178K . DOI : 10.1063 / 1.1684753 .
  3. ↑ Кубо, Ацуши; Акаоги, Масаки (2000). «Пост-гранатовые переходы в системе Mg4Si4O12 – Mg3Al2Si3O12 до 28 ГПа: фазовые соотношения граната, ильменита и перовскита». Физика Земли и планетных недр . 121 (1-2): 85-102. Bibcode : 2000PEPI..121 ... 85K . DOI : 10.1016 / S0031-9201 (00) 00162-X .
  4. ^ Чжан, Цзяньчжун; Либерманн, Роберт С .; Гаспарик, Тибор; Герцберг, Клод Т .; Фэй, Инвэй (1993). «Плавление и субсолидусные отношения кремнезема от 9 до 14 ГПа». Журнал геофизических исследований . 98 (B11): 19785–19793. Bibcode : 1993JGR .... 9819785Z . DOI : 10.1029 / 93JB02218 .
  5. ^ "Изучение формирования Земли: пресс с несколькими наковальнями в действии" . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса . Архивировано из оригинального 28 мая 2010 года . Проверено 29 сентября 2010 года .
  6. ^ Чжай, Шуангмэн; Ито, Эйдзи (2011). «Последние достижения в области создания высокого давления в многооконном аппарате с использованием спеченных алмазных наковальней» . Границы геонаук . 2 (1): 101–106. DOI : 10.1016 / j.gsf.2010.09.005 .
  7. ^ Хемли, Рассел Дж .; Эшкрофт, Нил В. (1998). «Выявление роли давления в науках о конденсированных средах». Физика сегодня . 51 (8): 26. Bibcode : 1998PhT .... 51h..26H . DOI : 10.1063 / 1.882374 .
  8. ^ а б Пуарье 2000
  9. ^ Берч, Ф. (1961). «Скорость продольных волн в горных породах до 10 килобар. Часть 2». Журнал геофизических исследований . 66 (7): 2199–2224. Bibcode : 1961JGR .... 66.2199B . DOI : 10.1029 / JZ066i007p02199 .
  10. ^ Берч, Ф. (1961). «Состав мантии Земли» . Геофизический журнал Королевского астрономического общества . 4 : 295–311. Bibcode : 1961GeoJ .... 4..295B . DOI : 10.1111 / j.1365-246X.1961.tb06821.x .
  11. ^ Бернли, Памела. «Синхротронная дифракция рентгеновских лучей» . Ресурсный центр естественнонаучного образования . Карлтонский колледж . Проверено 18 сентября 2015 года .
  12. ^ a b Томас, Сильвия-Моник. «Инфракрасная и рамановская спектроскопия» . Ресурсный центр естественнонаучного образования . Карлтонский колледж . Проверено 18 сентября 2015 года .
  13. ^ Томас, Сильвия-Моник. «Спектроскопия Бриллюэна» . Ресурсный центр естественнонаучного образования . Карлтонский колледж . Проверено 18 сентября 2015 года .
  14. ^ Бернли, Памела. «Ультразвуковые измерения» . Ресурсный центр естественнонаучного образования . Карлтонский колледж . Проверено 18 сентября 2015 года .
  15. ↑ Прайс, Дж. Дэвид (октябрь 2007 г.). «2.01 Обзор - Минеральная физика: прошлое, настоящее и будущее» (PDF) . В Прайс, Дж. Дэвид (ред.). Минеральная физика . Эльзевир. С. 1–6. ISBN  9780444535764. Проверено 27 сентября 2017 года .
  16. ^ a b c Хемли, Рассел Дж. (апрель 2006 г.). «Эрскин Уильямсон, экстремальные условия и рождение физики минералов». Физика сегодня . 59 (4): 50–56. Bibcode : 2006PhT .... 59d..50H . DOI : 10.1063 / 1.2207038 .
  17. ^ Prewitt, Чарльз Т. (2003). «Минеральная физика: взгляд в будущее» . Журнал минералогических и петрологических наук . 98 (1): 1–8. Bibcode : 2004JMPeS..98 .... 1P . DOI : 10.2465 / jmps.98.1 .
  18. ^ Либерманн, Роберт Купер; Prewitt, Чарльз Т. (март 2014 г.). «От Эйрли Хауса в 1977 году до Гранлибаккена в 2012 году: 35 лет эволюции физики минералов». Физика Земли и планетных недр . 228 : 36–45. Bibcode : 2014PEPI..228 ... 36L . DOI : 10.1016 / j.pepi.2013.06.002 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Kieffer, SW; Навроцкий, А. (1985). От микроскопических до макроскопических: от атомных сред до термодинамики минералов . Вашингтон, округ Колумбия: Минералогическое общество Америки. ISBN 978-0-939950-18-8.
  • Пуарье, Жан-Поль (2000). Введение в физику недр Земли . Кембриджские темы по физике и химии минералов. Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-66313-X.

Внешние ссылки [ править ]

  • "Преподавание физики минералов в рамках учебной программы" . В авангарде - повышение квалификации геолого-геофизического факультета . Проверено 21 мая 2012 года .