Минеральная физика - Mineral physics

Минеральная физика это наука о материалах, из которых состоит внутренняя часть планет, особенно Земли. Он пересекается с петрофизика, который фокусируется на свойствах цельной породы. Он предоставляет информацию, позволяющую интерпретировать измерения поверхности сейсмические волны, гравитационные аномалии, геомагнитные поля и электромагнитный поля с точки зрения свойств в глубоких недрах Земли. Эта информация может быть использована для понимания тектоника плит, мантийная конвекция, то геодинамо и родственные явления.

Лабораторные работы по физике минералов требуют измерения высокого давления. Самый распространенный инструмент - это ячейка с алмазной наковальней, в котором используются алмазы, чтобы подвергнуть небольшой образец давлению, которое может приблизиться к условиям в недрах Земли.

Создание высокого давления

Ударное сжатие

Многие новаторские исследования в области физики минералов включали взрывы или снаряды, которые подвергали образец удару. В течение короткого промежутка времени образец находится под давлением, поскольку ударная волна проходит через. Этим методом были достигнуты такие высокие давления, как на Земле. Однако у метода есть недостатки. Давление очень неравномерное и не адиабатический, поэтому волна давления попутно нагревает образец. Условия эксперимента следует интерпретировать в терминах набора кривых давление-плотность, называемых Кривые Гюгонио.^[1]

Пресс с несколькими наковальнями

Прессы с несколькими опорами включают в себя расположение опор для концентрации давления пресса на образце. Обычно в аппарате используется восьмиугольная конфигурация. карбид вольфрама наковальни для сжатия керамического октаэдра, содержащего образец, и печи из керамики или Re-металла. Наковальни обычно помещают в большой гидравлический пресс. Этот метод был разработан Каваи и Эндо в Японии.^[2] В отличие от ударного сжатия, прилагаемое 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. Устройство очень громоздкое и не может достичь давления, аналогичного давлению в ячейке с алмазной наковальней (ниже), но оно может работать с гораздо большими образцами, которые можно закалить и исследовать после эксперимента.^[5] Недавно, спеченный Для этого типа пресса разработаны алмазные наковальни, которые могут достигать давления 90 ГПа (глубина 2700 км).^[6]

Алмазная наковальня

Схема сердцевины ячейки с алмазной наковальней. Размер бриллианта составляет не более нескольких миллиметров.

В ячейка с алмазной наковальней небольшое настольное устройство для концентрации давления. Он может сжимать небольшой (субмиллиметровый) кусок материала до экстремальное давление, что может превышать 3000000 атмосфер (300 гигапаскали ).^[7] Это выходит за рамки давления на центр Земли. Концентрация давления на кончике бриллианты возможно из-за их твердость, а их прозрачность и высокий теплопроводность позволяют использовать различные датчики для исследования состояния образца. Образец можно нагревать до тысяч градусов.

Создание высоких температур

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. Применение Напряжение к проводу нагревает сам провод и прилегающую территорию. Доступны самые разные конструкции обогревателей, в том числе те, которые нагревают весь ячейка с алмазной наковальней (DAC) корпус и те, которые помещаются внутри корпуса для нагрева камеры пробы. Температура воздуха ниже 700 ° C может быть достигнута из-за окисление алмазов выше этой температуры. С аргон атмосферы, можно достичь более высоких температур до 1700 ° C, не повреждая алмазы. Резистивные нагреватели не достигают температуры выше 1000 ° C.

Лазер нагрев осуществляется в ячейке с алмазной наковальней с Nd: YAG или же СО2 лазеры для достижения температуры выше 6000k. Спектроскопия используется для измерения излучение черного тела по образцу для определения температуры. Лазерное нагревание 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.^{[нужна цитата ]}

Свойства материалов

Уравнения состояния

Чтобы определить свойства минералов в недрах Земли, необходимо знать, как они плотность варьируется в зависимости от давление и температура. Такое отношение называется уравнение состояния (EOS). Простой пример EOS, который предсказывается Модель Дебая для гармонических колебаний решетки - это уравнение состояния Ми-Грюнхайзена:

${ displaystyle left ({ frac {dP} {dT}} right) = { frac { gamma _ {D}} {V}} C_ {V},}$

куда ${ displaystyle C_ {V}}$ это теплоемкость и ${ displaystyle gamma _ {D}}$ это гамма Дебая. Последний является одним из многих параметров Грюнхайзена, которые играют важную роль в физике высоких давлений. Более реалистичным EOS является Уравнение состояния Берча – Мурнагана..^[8]:66–73

Интерпретация сейсмических скоростей

Инверсия сейсмических данных дает профили сейсмической скорости как функции глубины. Их все же следует интерпретировать с точки зрения свойств минералов. Очень полезная эвристика была обнаружена Фрэнсис Берч: построив данные для большого количества горных пород, он обнаружил линейную зависимость волна сжатия скорость ${ displaystyle v_ {p}}$ горных пород и минералов постоянного среднего атомный вес ${ displaystyle { overline {M}}}$ с плотностью ${ displaystyle rho}$:^[9][10]

${ displaystyle v_ {p} = a { overline {M}} + b rho}$.

Эти отношения стали известны как Закон березы Это позволяет экстраполировать известные скорости для минералов на поверхности, чтобы предсказать скорости глубже в Земле.

Другие физические свойства

• Вязкость
• Ползучесть (деформация)
• Плавление
• Электрическая проводимость и другие транспортные свойства

Методы допроса кристаллов

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

Расчеты из первых принципов

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

История

Область физики минералов не была названа до 1960-х годов, но ее истоки восходят, по крайней мере, к началу 20-го века и признанию того, что внешнее ядро текуч, потому что сейсмические работы Oldham и Гутенберг показал, что это не позволяет поперечные волны размножать.^[15]

Вехой в истории физики минералов стало издание Плотность Земли Эрскин Уильямсон, физик-математик, и Лисон Адамс, экспериментатор. Работает в геофизической лаборатории в г. Институт Карнеги Вашингтона, они считали проблемой, которая долгое время озадачивала ученых. Было известно, что средний плотность Земли был примерно вдвое больше, чем корка, но неизвестно было ли это из-за сжатия или изменения состава в интерьере. Уильямсон и Адамс предположили, что более глубокие породы сжаты. адиабатически (без выделения тепла) и получил 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 создавал 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 10700 кг / м3.³, недалеко от текущих оценок 360 ГПа и 13000 кг / м3.³.^[16]

Экспериментальная работа в Геофизической лаборатории была основана на новаторской работе Перси Бриджмен в Гарвардский университет, который разработал методы исследования высокого давления, которые привели к Нобелевская премия по физике.^[16] Его ученица, 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 конституция недр Земли, в котором он установил некоторые основные факты: мантия преимущественно силикаты; существует фазовый переход между верхней и нижней мантией, связанный с фазовым переходом; а внутреннее и внешнее ядро ​​- оба из сплавов железа.^[18]

Рекомендации

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

• «Преподавание физики минералов в рамках учебной программы». На переднем крае - повышение квалификации геолого-геофизического факультета. Получено 21 мая 2012.