冲击加载下Fe-S和Fe-Si体系的高温高压物性研究

论文摘要

对于外地核中S和Si含量的限定,有效的方法是通过高温高压实验原位测量经地球物理和地球化学模型筛选后的地核候选物质,其在液态下的密度和声速,并与外地核的密度和声速进行比较。然而,对静高压技术而言,在高温和高压同时存在的环境下原位测量液态材料的密度和声速仍是一个巨大的挑战,因此这方面相关的报道很少。在课题组之前的研究基础上,我们利用动高压实验技术,对外地核候选物质Fe-11.8 wt.%S和Fe-8.6 wt.%Si在高压下的熔化行为、液态状态方程、液态声速进行了系统研究。利用热力学模型计算了Fe-S和Fe-Si体系在外地核环境下的密度和声速,并结合地球化学研究结果,估算了地核中S和Si的含量,为Fe-S-Si三元体系的实验研究提供了重要的参考。本文主要研究内容和创新结果如下:一、针对在反向碰撞技术中,仅从界面粒子速度随时间变化的图像上,难以判断出材料弹-塑性转变时间这一问题,提出了微分处理方法,即通过粒子速度对时间的导数准确判定材料发生弹性卸载、弹-塑性卸载转变点以及塑性卸载的时间,提高了纵波声速、体波声速和横波声速的测量精度。二、通过对Fe-11.8 wt.%S组分的动高压实验所获得的新数据,综合已有数据,根据冲击波-粒子速度线性关系中拐点出现的位置,以及纵波声速向体波声速的转变,发现Fe-11.8 wt.%S组分在111.3（2.3）GPa时完全熔化,得到液态Fe-11.8 wt.%S的材料初始密度ρ0=6.50（0.02）g/cm3,材料的Hugoniot参数C0=3.68（0.11）km/s,λ=1.55（0.04）。三、在前人对于材料冲击过程中液态冲击温度的计算研究基础上,提出了完全基于动高压实验数据计算液态冲击温度的新模型。在该模型的基础上分析了液态Fe-11.8 wt.%S在高温高压下的密度和声速,发现与静高压实验中获得的数据一致,证明了这种热力学模型和相关热力学参数的可靠性。四、通过动高压实验,获得了Fe-8.6 wt.%Si组分的状态方程和声速数据,发现样品在260.3（4.6）GPa时完全熔化,但熔化前后冲击波-粒子速度线性关系无明显变化,Fe-8.6 wt.%Si的材料初始密度ρ0=7.386（0.021）g/cm3,材料的Hugoniot参数C0=4.603（0.055）km/s,λ=1.505（0.017）。五、系统分析了高压下温度对Fe-8.6 wt.%Si的纵波声速、体波声速、横波声速的影响。研究发现在高温下纵波声速随密度的变化与室温300 K下实验测量结果一致,表明高温下Fe-8.6 wt.%Si的纵波声速依然满足Birch定律。同时发现样品中体波声速随温度的升高而升高,其变化幅度较小,而横波声速随温度的变化幅度较大。结合前人研究提出了描述横波声速与密度、温度间关系的新模型。六、根据热力学模型计算了Fe-11.8 wt.%S、Fe-8.6 wt.%Si和Fe-5.4 wt.%S-4 wt.%Si不同组分在外地核温度压强环境下的密度和声速。计算结果表明外地核中含有5.4 wt.%S和4 wt.%Si能同时满足地球物理和地球化学的约束条件,并且与初始地球参考模型给出外地核密度和声速相匹配。在内地核温度压强环境下,Si的加入降低了Fe的纵波和横波声速,但是Fe-4 wt.%Si的纵波声速和横波声速仍然高于初始参考地球模型（PREM）中内地核声速。以上结果表明内地核中Si的含量应低于4 wt.%,同时还有其他能够降低内地核环境中Fe声速的轻元素存在。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 地核候选组分及物性研究的意义
•   1.3 地球深部及地核中候选组分物性的研究方法
•   1.4 外地核中轻元素候选约束条件及研究现状
•     1.4.1 硅元素（Si）
•     1.4.2 硫元素（S）
•     1.4.3 氧元素（O）
•     1.4.4 碳元素（C）
•     1.4.5 氢元素（H）
•     1.4.6 地核中候选轻元素含量
•   1.5 本文的研究内容
• 第2章 高压下状态方程和声速的测量原理与技术
•   2.1 引言
•   2.2 静高压实验装置
•     2.2.1 金刚石压砧（Diamond Anvil Cell,DAC）
•     2.2.2 大腔体实验装置
•   2.3 动高压实验装置
•   2.4 Hugoniot状态方程的测量原理和技术
•     2.4.1 Hugoniot状态方程的测量原理
•     2.4.2 阻抗匹配方法
•   2.5 冲击加载下声速测量原理和技术
•     2.5.1 反向碰撞技术
•     2.5.2 光分析技术方法
•   2.6 本章小结
• 第3章 Fe-S体系冲击压缩与高压声速研究
•   3.1 引言
•   3.2 样品的制备和检测分析
•   3.3 Fe-11.8 wt.%S Hugoniot状态方程测量和分析
•   3.4 Fe-11.8 wt.%S 的声速测量及弹-塑性卸载转换分析
•   3.5 Fe-11.8 wt.%S 在高压下的熔化行为
•   3.6 液态Fe-11.8 wt.%S 在高压下的密度和声速
•   3.7 本章小结
• 第4章 Fe-Si体系的冲击压缩和高压声速研究
•   4.1 引言
•   4.2 Fe-Si样品的设计制备和检测
•     4.2.1 大腔体压机装置的温度和压力标定
•     4.2.2 温度标定方法及结果
•     4.2.3 压力标定方法及结果
•     4.2.4 样品的制备
•     4.2.5 Fe-8.6 wt.%Si样品的检测
•   4.3 Fe-8.6 wt.%Si冲击压缩线和声速的测量
•     4.3.1 Fe-8.6 wt.%Si冲击压缩线的测量
•     4.3.2 Fe-8.6 wt.%Si冲击加载下的声速测量
•   4.4 本章小结
• 第5章 高压下Fe-8.6 wt.%Si的熔化温度及温度对其声速的影响
•   5.1 引言
•   5.2 高压下Fe-8.6 wt.%Si的冲击温度和熔化温度
•   5.3 高压下温度对Fe-8.6 wt.%Si声速的影响
•     5.3.1 高压下温度对Fe纵波声速的影响
•     5.3.2 高温高压下Fe-8.6 wt.%Si纵波声速与密度间关系
•     5.3.3 高温高压下Fe-8.6 wt.%Si体波声速与密度间关系
•   5.4 本章小结
• 第6章 地核中S和 Si的含量的限定
•   6.1 引言
•   6.2 地核的温度剖面
•     6.2.1 地核温度剖面限定的热力学方法
•     6.2.2 高压下Fe的熔化温度
•     6.2.3 高压下O对 Fe的熔化温度的影响
•     6.2.4 高压下S对 Fe的熔化温度的影响
•     6.2.5 高压下Si对 Fe的熔化温度的影响
•     6.2.6 地球内外核界面的温度范围
•   6.3 外地核环境下Fe-S、Fe-Si体系的密度和声速
•     6.3.1 外地核环境下Fe-11.8 wt.%S 在高压下的密度和声速
•     6.3.2 外地核环境下Fe-8.6 wt.%Si体系的密度和声速
•     6.3.3 外地核中S和 Si的含量
•   6.4 内地核环境下Fe-S、Fe-Si体系的密度和声速
•   6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 发表论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 冷春蔚

导师: 黄海军

关键词: 地核轻元素,体系,状态方程,声速,弹塑性转变,熔化温度

来源: 武汉理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地质学

单位: 武汉理工大学

分类号: P542.5

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000057

总页数: 144

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